CN103678804A - 一种mems开关仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS开关仿真分析方法，其包括如下步骤：a)建立MEMS开关的有限元模型；b)分析MEMS开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；c)根据分析结果，对MEMS开关的结构进行优化。本发明首次提供了一种MEMS开关仿真分析方法，通过本发明方法建立MEMS开关的有限元模型，从而可掌握通入电压以及结构设计对MEMS开关输出性能的影响，进而为MEMS开关结构优化与设计提供依据。本发明应用性强，可用于MEMS开关双稳态工作机理的研究中，对MEMS开关的性能监测具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关仿真分析方法，具体说，是涉及一种MEMS开关仿真分析方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，通信领域的研究深入，对其关键核心部件开关提出了高性能、小型化和低成本的更高要求。传统的机械式继电器接触电阻低，隔离度高，能够将其对主回路的影响降低至最小。然而，由于其机械结构复杂，体积虽然已经大大减小，仍然不能满足通信领域发展的要求。半导体开关具有体积小，响应速度快的优点，但由于其基本工作机制的限制，插入损耗高，隔离度低，对信号的传输和切换将会产生较大的影响。因此，对于通信领域要提高数据传输量的同时，提高传输速度、精确度，降低成本，就需要高性能、低插损、高隔离度、小型化和低成本的开关`器件。MEMS(Micro Electro MechanicalSystems，微电子机械系统)技术与继电器的融合，有望保持传统机电继电器接触电阻小，绝缘电阻高，隔离度高等优势，又可以采用微加工工艺实现批量制造，实现其体积小，功耗低，功能多和可靠性高的特点，同时继承固态继电器集成制造和机电继电器电器综合性能的技术优势，代表了未来通信继电器的发展方向。
MEMS开关目前有静电驱动、电磁驱动以及电热驱动等几种类型，虽然静电驱动结构简单，响应快，但其较高的驱动电压无法与微电子工艺相兼容；虽然电热驱动的驱动电压低，但由于其工作原理的限制，响应速度受到了限制。因此，电磁驱动以其驱动电压低，响应速度快，输出力以及良好的环境适应性易与微电子兼容，在通信领域、生物医学、自动控制等领域具有巨大的应用潜力。由于电磁驱动MEMS开关工作原理基于通电导体与导磁材料的相互作用，因此，线圈等结构增加了器件的复杂性。因此，目前有很多研究对电磁驱动MEMS开关进行结构以及磁路优化设计，提高磁路效率的同时，简化其结构及工艺，同时还能够降低器件在保持状态所需要的功耗。近年来，最受关注的莫过于Ruan等人提出的电磁双稳态MEMS驱动器，该器件通过改变永磁场中的悬臂梁的磁化方向及其与永磁场的夹角实现双稳态的切换以及无功耗保持，首次实现了双稳态，并应用于航空领域。A.C.Hartley，R.E.Miles等人设计和制备了一种应用于RF MEMS的大位移电磁驱动器，驱动位移可以达到100μm。上述研究实现了电磁MEMS开关的大行程特性及工作状态的低功耗，然而，电磁MEMS开关的双稳态机理研究有待进一步深入，从而进一步为提高电磁MEMS开关的磁场效率、输出特性，以及集成制造关键技术的研究奠定坚实的理论基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS开关仿真分析方法，通过建立MEMS开关的有限元模型，从而掌握通入电压以及结构设计对MEMS开关输出性能的影响，进而为MEMS开关结构优化与设计提供依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种MEMS开关仿真分析方法，包括如下步骤：
a)建立MEMS开关的有限元模型；
b)分析MEMS开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；
c)根据分析结果，对MEMS开关的结构进行优化。
作为一种优选方案，步骤a)包括如下操作步骤：
①创建MEMS开关的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
②对创建的三维几何模型进行网格划分；
③对进行网格划分的模型施加约束。
作为进一步优选方案，步骤①设置SOLID96作为网格划分单元类型。
作为进一步优选方案，步骤②采用自由（free）划分网格方式进行网格划分。
作为进一步优选方案，步骤③对进行网格划分的模型施加6个自由度的边界条件约束。
本发明中所述的MEMS开关包括电磁驱动器和设置在其顶部的磁性平台及其两者之间的气隙。
作为一种优选方案，所述的电磁驱动器由平面线圈及磁轭构成，所述的磁性平台位于平面线圈的上方，所述的磁轭分布于平面线圈的中央、边缘和底部。
作为进一步优选方案，所述的平面线圈由铜电镀而成。
作为进一步优选方案，所述的磁轭由铁镍材料电镀而成。
作为进一步优选方案，所述的磁性平台由铁镍材料电镀而成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明首次提供了一种MEMS开关仿真分析方法，通过本发明方法建立MEMS开关的有限元模型，从而可掌握通入电压以及结构设计对MEMS开关输出性能的影响，进而为MEMS开关结构优化与设计提供依据。本发明应用性强，可用于MEMS开关双稳态工作机理的研究中，对MEMS开关的性能监测具有重要价值。
附图说明
图1是本发明所述的MEMS开关的结构示意图。
图中：1、电磁驱动器；11、平面线圈；12、磁轭；2、磁性平台；3、气隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细阐述：
如图1所示：本发明所述的MEMS开关包括电磁驱动器1和设置在其顶部的磁性平台2及其两者之间的气隙3，所述的电磁驱动器1由平面线圈11及磁轭12构成，所述的磁性平台2位于平面线圈11的上方，所述的磁轭12分布于平面线圈11的中央、边缘和底部；所述的平面线圈11由铜电镀而成，所述的磁轭12由铁镍材料电镀而成，所述的磁性平台也由铁镍材料电镀而成。
本发明所述的MEMS开关仿真分析方法，包括如下步骤：
a)建立MEMS开关的有限元模型：
①创建MEMS开关的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
②对创建的三维几何模型进行网格划分；
③对进行网格划分的模型施加约束；
b)分析MEMS开关输出性能及内部磁场强度分布情况；
c)根据分析结果，对MEMS开关的结构进行优化。
作为一种优选方案，步骤①设置SOLID96作为网格划分单元类型，步骤②采用自由（free）划分网格方式进行网格划分，步骤③对进行网格划分的模型施加6个自由度的边界条件约束。
本发明所述的仿真分析方法可采用Ansys软件实现；所述的Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
实施例
采用Ansys软件对本发明所述的MEMS开关进行仿真分析：
步骤一：建立MEMS开关的有限元模型
1、创建MEMS开关的三维几何模型，并设置材料属性和网格划分单元类型采用的铁镍材料。
2、对创建的三维几何模型进行网格划分
网格划分方式通常有free及map两种，选择不同的方式将对求解的结果及计算精度产生决定性的影响，由于本发明中MEMS开关的结构形状不复杂，本发明采用自由（free）划分网格方式来进行网格划分。
3、对进行网格划分的模型施加约束
本发明分别对MEMS开关底部整个面上施加6个自由度的边界条件约束。
步骤二：分析MEMS开关在通电情况下产生的电磁力大小及内部磁场强度分布
首先对MEMS开关的整体实行施加电流激励，然后通过后处理查看MEMS开关内部所产生的应力大小及磁场强度分布情况。
由MEMS开关磁场强度分布图可得知：集成平面线圈中央处磁场强度最大。
步骤三：根据分析结果，对MEMS开关的结构进行优化
根据步骤二的分析结果可以得知：集成平面线圈中央处磁场强度之最大，因此，该结构设计可以作为最优结构。有了此分析结果，本领域的技术人员就有了对MEMS开关进行结构优化的设计依据。
最后有必要在此指出的是，上述说明只用于对本发明的技术方案作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种MEMS开关仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)建立MEMS开关的有限元模型；
b)分析MEMS开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；
c)根据分析结果，对MEMS开关的结构进行优化。
2.如权利要求1所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于，步骤a)包括如下操作步骤：
①创建MEMS开关的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
②对创建的三维几何模型进行网格划分；
③对进行网格划分的模型施加约束。
3.如权利要求2所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：步骤①设置SOLID96作为网格划分单元类型。
4.如权利要求2所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：步骤②采用自由划分网格方式进行网格划分。
5.如权利要求2所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：步骤③对进行网格划分的模型施加6个自由度的边界条件约束。
6.如权利要求1-5任一项所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：所述的MEMS开关包括电磁驱动器和设置在其顶部的磁性平台及其两者之间的气隙。
7.如权利要求6所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：所述的电磁驱动器由平面线圈及磁轭构成，所述的磁性平台位于平面线圈的上方，所述的磁轭分布于平面线圈的中央、边缘和底部。
8.如权利要求7所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：所述的平面线圈由铜电镀而成。
9.如权利要求7所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：所述的磁轭由铁镍材料电镀而成。
10.如权利要求7所述的MEMS开关仿真分析方法，其特征在于：所述的磁性平台由铁镍材料电镀而成。
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