Анализ механических колебаний мембран микромеханических переключателей ёмкостного типа

Abstract

Управление ёмкостью микромеханических переключателей ёмкостного типа происходит с высокой частотой за счёт изменения расстояния между гибкой мембраной и опорным электродом, поэтому колебания мембраны будут оказывать влияние на электрические сигналы и эксплуатационные характеристики таких переключателей. Целью работы являлось определение величин колебаний тонких мембран при высокочастотном воздействии и сопоставление их с величинами статических прогибов при аналогичном постоянном усилии. Использовался метод конечных элементов с пересчётом положений сетки по методу Эйлера–Лагранжа с последующим модальным и гармоническим анализом колебаний мембраны под действием периодически изменяющейся пондеромоторной силы, рассчитанной для выбранного диапазона напряжений. В качестве материалов мембраны рассматривались золото и вольфрам. Для рассмотренной геометрии амплитуда колебаний мембраны из золота в исследованном дорезонансном диапазоне частот на 16–21 % превышает величину статического прогиба, тогда как для вольфрамовой мембраны – только на 2,2–3,2 %, что объясняется значительно большим модулем упругости вольфрама. Для более жёсткой мембраны также характерны бόльшие значения собственных частот. Увеличение амплитуды пондеромоторной силы приводит к кратному увеличению амплитуд колебаний мембраны, но не изменяет форму амплитудно-частотной характеристики. Показана актуальность исследования колебаний мембран в дорезонансной области. Приведены конструктивные способы повышения жёсткости мембран и оптимизации конструкций МЭМС-систем с элементами, совершающими колебательные движения.