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MEMS电容式方块谐振器的等效模型研究

梁冰  
【摘要】:通过结构的机械振动,射频微机电系统(RF-MEMS)可以实现射频电子器件的选频等功能。MEMS具有Q值高、体积小、插损低、功耗低和与CMOS工艺兼容性好等特点,因此能很好得克服传统选频单元的缺点。但是它还存在诸如动态阻抗过高和可靠性比较低等的问题。另外,缺少有效的理论模型也是制约MEMS器件发展的一个主要因素。本文通过分析RF-MEMS电容式方块谐振器的机械结构和电气特征,给出了一种新的等效电路模型并且该模型通过实验验证。同时,本文还分析了可以用于降低动态阻抗的可动电极结构,并给出了结构的优化方法。主要内容为:(1)使用理论推导和有限元仿真两种方法计算谐振器的模态,并且得到相同的结果。理论计算时使用的分离变量法可以进一步用于分析谐振结构的机电参数。采用解析计算的另一个结果就是可以推导出被广泛使用的方块谐振器的频率公式。(2)分析了常规的RLC谐振器模型和三种用于MEMS器件的模型,总结了它们的优缺点并且提出一种压控电流源模型结构。该模型中还加入了一个压控调谐电容以描述非线性特性。这个电容可以根据理论计算,也可以根据实验结果推出。(3)使用机电等效理论计算出的等效参数与参考文献和软件仿真的结论相同,并且通过实验验证,得到的元件值的偏差最大为18%。推导压控调谐电容是从非线性弹性系数出发,将频率、弹性系数、等效电容电感和振幅联系在一起。从实验结果可以看出调谐电容的变化趋势与非线性频率漂移成负相关。(4)针对可以降低动态阻抗的可动电极结构进行了力学分析。通过推导移动梁受到的静电力(由电极和谐振器体之间的电容产生)和弹性回复力计算出所需的最小偏置电压。在考虑到偏置电压大小、移动梁的加工难度和可靠性等问题的情况下提出一个评估参数FOM,通过该指标可以得到最优的移动梁尺寸。


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