摘 要

射频微机电系统（Radio Frequency Micro-Mechanical Systems，RF MEMS）因其微小尺寸且功能强大的特点，使得它在航天、医学、通信、军事等各个领域都有着广泛应用。射频微机电系统经过二十多年的发展，现在已经成为十分热门的研究领域，一度被认为是21世纪最有发展潜力、最为关键的技术。RE MEMS设计中梁的力学变形是一个关键问题，本文分析了几种有代表性的RF MEMS梁的形式，设计梁的结构与尺寸，并使用COMSOL多物理场仿真软件对不同形式的梁进行仿真模拟，并且通过计算设计系统的阻尼率、品质因子、吸合电压等得出合理的构件尺寸，优化设计。

关键词：悬臂梁；COMSOL；优化设计

Abstract

Radio frequency microelectromechanical system (Radio Frequency Micro-Mechanical Systems, RF MEMS) because of its small size and powerful features, making it in the aerospace, medical, communications, military and other fields have a wide range of applications. RF MEMS after more than 20 years of development, has now become a very hot research field, is listed as the key mechanical technology in twenty-first Century the first.RE MEMS in the design of the beam deformation is a key problem, this paper analyzes several typical RF MEMS beam form, the design of beam. Structure and size, and use COMSOL to simulate multi physics simulation software for different forms of the beam, and through the design calculation of the damping rate, quality factor, such as the pull in voltage component size optimization design.

Keywords: Cantilever beam; COMSOL;Optimization design.

目 录

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪 论 5

1.1课题研究目的及意义 5

1.2国内RF MEMS发展现状 2

1.3国外RF MEMS发展现状 3

1.4 RF MEMS设计与分析 4

第2章 研究方案 6

2.1 COMSOL软件介绍 6

2.2研究方法 7

2.3 RF MEMS构件的形状和优化设计 7

第3章 仿真模型的建立 10

3.1 RF MEMS的材料选择 10

3.2初设尺寸 10

3.3材料力学分析 11

3.4 COMSOL建模分析 12

3.5仿真结果分析 14

第4章 RF MEMS优化设计 16

4.1吸合电压与弹性系数 16

4.2初设尺寸吸合电压计算 17

4.3 RF MEMS尺寸优化设计 18

4.4阻尼率与品质因子的计算 19

4.5 RF MEMS三维动态仿真结果 20

第5章 总结 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪 论

1.1课题研究目的及意义

微机电系统（micro electro mechanical system,MEMS）,是集物理、化学和生物等的传感器、执行器与信息处理和存储为一体的微型集成系统，反之那些采用大批量微加工方法制造的微小型器件和集成系统，如图1所示^[1]。

集成电路

感测量 控制量

微型传感器

信号处理

信息储存

通信/接口（光/电/磁）

微执行器

物理量 运动

化学量 能量

生物量 信息

其 他 其他

图1.1-1 MEMS的定义

1971年，Intel公司推出的Intel 4004处理器芯片只有2250个晶体管，1982研发的Intel 286却高达120000个，但是1999年推出的Pentium Ⅲ处理器芯片集成的晶体管则达到了惊人的2400万个。集成电路技术令人惊叹的发展速度，使得其他领域的发展难以望其项背。每隔12到18个月，芯片上集成的晶体管数量就会变为原来的两倍，这个增长规律被称为摩尔定律^[2]。 Gordon Moore，Intel公司的创始人之一，发现了集成芯片上晶体管数目的增长规律。这是一个极富创造力和远见的伟大论断。因为在过去的几十年里，人们多次怀疑摩尔定律所提出的集成电路这种飞快的发展速度可能会不能持续下去，而是会达到基本物理学定律或当时工程能力的极限。然而，集成电路产业却稳定地按照摩尔定律飞速发展到今天，并继续推动着信息社会的迅速发展^[3]。这样的规律使得MEMS的发展潜力达到一个骇人听闻的地步，MEMS的起源最早在20世纪50年代左右，1959年，著名物理学家Feynman^[4]在其演讲“There is plenty room at the bottom”中提出了系统微型化的概念，并预测道微型化技术将会有非常巨大的应用领域和应用范围，从此各类微型化机械和微系统开始被各领域的研究工作者重视。20世纪60年代到70年代，硅的各向异性腐蚀技术的发现使得第一个微型压力传感器诞生^[5]；到了80年代，又出现了薄膜淀积技术，这个技术的出现加速了微机械表面硅工艺的开发，扩展了该技术的应用范围，1987年美国加州大学的穆勒（Muller）^[6]等制造了世界上第一个微型硅静电马达，打开了MEMS研究的大门，让MEMS正式成为一个专有名词。

RF MEMS(即Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System，射频微机电系统)是指利用MEMS技术制作各种用于电子通信的射频器件或系统，其频段覆盖波段非常广，其目的是把半导体有源器件、微加工元件和MEMS集成到一块芯片上或一个微系统上，从而实现单芯片上的射频系统，完成信息的获取、传输、处理和执行等功能。RF MEMS器件与一般的尺寸较大的同类器件相比，具有低插损、高隔离度、带宽大、低互调失真、极低驱散功耗、低成本、高集成能力的优势，容易实现各种核心部件的集成化和微型化，可以提高器件工作的反应速度和减小整个雷达通信系统的耗能以及尺寸，是无源器件的伟大的变革，通过对高性能无源器件的单片集成，实现单芯片的射频微系统，彻底改革了射频信号的处理方式^[7]。不仅是通信方面，包括雷达、卫星、精确打击武器、信息战等军用电子系统都取决于RF MEMS的技术水平，因此，RF MEMS凭借其微型化、高性能的特点无论在军用还是民用领域都有着无可比拟的优势。