1.1课题背景

RF（射频），Radio Frequency，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz~300GHz。MEMS（微机电），Micro-Electro-Mechanical System，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等。所谓射频微机电（RF-MEMS）是用MEMS技术加工的RF产品。RF-MEMS技术可望实现和MMIC的高度集成，使制作集信息的采集、处理、传输、处理和执行于一体的系统集成芯（system on a chip，SOC）成为可能[1-2]。

微系统中包括微传感器、微致动器、微处理器等功能组件[3]，其中微传感器通过测量机械的、热的、生物的、化学的、磁的以及光学的现象来获取信号，由微处理器判断分析，进而由微致动器产生响应[4]。与构成微系统的其它组件相比，微传感器是研究最为活跃、发展最为迅速、产业化最为成功的一个领域，它也在当前MEMS产品的市场销售中占据大部分。近二十年以来，微传感器的研究已经取的很多成果，各种形式的微压力传感器、微陀螺仪、微加速度计、微生化传感器、微流量计层出不穷，并在各个领域有广泛的应用。本次课题旨在分析、研究微振荡器中的悬臂梁的非线性运动。目前微振荡器广泛应用于各类RF元器件如：PA（功率放大器）、射频开关、射频滤波器等。

1.2国内、外研究现状

由于微振荡器具有多种驱动方式例如：静电驱动、磁驱动、热驱动、流体驱动等，因此本次课题选取其中应用最广泛、最典型的驱动力之一——静电力驱动来进行本次课题研究。

静电驱动是MEMS器件的主要驱动形式，通常在微梁结构上的两个固定极板间施加电压，从而在极板间产生静电力，由于静电力的作用使梁产生变形而得到输出信号。但是随着外电压的不断增加，静电力发生变化，梁将会进一步发生弯曲;当电压增加到一定值时，如果继续增加，梁的弯曲就无法达到平衡，而会和下极板发生接触，此现象叫做下拉现象(或吸合现象)。使器件开始发生吸合时所施加的电压叫做临界电压[5]。目前大多数研究方法采用集中参数模型，把系统看作是由线弹簧、质量块和平行板电容器几部分组成[5-7]，根据能量方法，建立数学模型。但是把悬臂梁结构简化成此模型，由于在分析中忽略了梁的实际弯曲变形情况，分析结果存在一定的误差。Peterson等[8-9]基于能量分析法用积分的方法来计算悬臂梁的临界参数，但前提是首先定义距离固定点处任意点挠度和端点挠度的解析关系，这和实际弯曲过程也存在一定误差。对临界现象的分析，目前大部分的研究都是在简化的半静态前提下进行分析[10-13]，即假定在整个变形过程中，没有能量损失，整个变形过程为缓慢变化过程，没有动能的变化，速度和加速度始终为零。在此基础上建立数学模型，利用能量法推导出静态挠度微分方程。但是当驱动电压大于临界电压时，静态稳定平衡条件将不存在，系统实际的变化过程为动态非线性变化过程。对静电驱动微结构非线性的动态研究主要分为两个方面:一是研究阶段性激励的动态响应;另一方面是研究瞬时加载下动态响应[14]。Nayfe等[15-18]研究了静电力驱动微米尺度梁的非线性特性，并对梁的动态弯曲过程进行描述分析。

1.3本课题研究工作及其目的意义

理解射频微振荡器工作原理，规划并建立其三维模型。利用COMSOL软件对该模型进行应力仿真。对其变形进行研究分析，建立悬臂梁运动的数学模型。依据该模型对三维模型进行优化。在多种力场作用下微机械结构的力学行为分析是研究微机械的重要内容之一。目前对微结构的力学特性、力学行为的研究尚不成熟，对多种藕合作用下的微结构行为分析尚不完善[19]，这也是导致目前微机械产品易出现稳定性差、可靠性低、次品率高的重要原因之一。因此，开展以多力场藕合作用下的微结构行为的研究，对于丰富和完善相应的设计理论、提高设计能力、加速产品开发具有重要的现实意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1本课题内容与目的

本次课题主要是围绕微振荡器的悬臂梁非线性运动进行分析与研究，通过查阅资料的方式，了解射频微机电原理并具体关注射频元器件中的微振荡器的结构与工作原理。了解国内外对微悬臂梁的非线性运动研究现状，借助COMSOL软件对微悬臂梁所受应力场进行仿真模拟。利用有限元分析的方法对微悬臂梁在应力作用下的变形运动进行研究分析，在此基础上得到微悬臂梁非线性运动的数学模型，探讨品质因数Q的物理机理和调控品质因数Q的基本原理。通过上述研究来进行微悬臂梁结构调整与优化。