[发明专利]一种基于柔性基板弯曲条件下的MEMS V型梁结构力学分析方法有效

专利信息
申请号: 201811029816.1 申请日: 2018-09-04
公开(公告)号: CN109446544B 公开(公告)日: 2023-01-17
发明(设计)人: 韩磊;于洋;刘星;陈柳宏;吴虹剑;徐粲然 申请(专利权)人: 东南大学
主分类号: G06F30/20 分类号: G06F30/20
代理公司: 南京经纬专利商标代理有限公司 32200 代理人: 楼高潮
地址: 210096 *** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 柔性 弯曲 条件下 mems 结构 力学 分析 方法
【说明书】:

发明公开了一种基于柔性基板弯曲条件下的MEMS V型梁结构力学分析方法,主要采取两个步骤来处理柔性基板弯曲条件下的MEMS V型梁结构的弯曲特性建模,从而得到V型梁结构变形后对器件力学性能影响的解析模型。其一是建立基于MEMS V型梁结构与柔性基板双变形的形变耦合模型,其二是基于MEMS V型梁结构弯曲特性模型,获得V型梁结构/基板双变形的形变量。通过以上参数为基础,重建MEMS V型梁结构力学模型,分析弯曲变形对V型梁结构力学性能的影响。本发明提供了一种基于复杂环境空间,包含V型梁结构与柔性基板双变形模型的MEMS V型梁结构力学分析方法。

技术领域

本发明涉及一种力学分析方法,特别涉及一种基于柔性基板弯曲条件下的MEMS V型梁结构力学分析方法。

背景技术

在当今信息化发展的浪潮中,柔性电子器件以其独特的可弯曲延展性及其高效、低成本的制造工艺,在国防、信息、医疗、能源等领域具有非常广阔的应用前景。柔性电子器件作为新一代半导体器件的热门发展方向,是建立在可弯曲/延展基板上的新兴电子技术,其将主动/被动的有机/无机电子器件制作在柔性基板上,既具有传统刚性电子系统的性能,也具有拉伸、扭曲、折叠这种独特的特性,因此在对复杂环境空间应用的保形、小型化、轻量化、智能化等方面具有无可比拟的重要性和优势。MEMS(微机电系统)柔性器件作为柔性电子器件的重要分支,其保形、高性能、小体积、智能化的传感器/执行器成为当今柔性电子系统中必不可少的组成部分,特别是RF MEMS(射频微机电系统)柔性器件,由于其在机载/星载雷达和物联网通信系统中的广泛应用前景,使得各种RF MEMS柔性执行器/传感器成为了近年来的研究热点。作为RF MEMS柔性器件,其首要特性无非是具备独特的可弯曲性,这也是相关柔性器件发展的应用基础和研究动力,因此RF MEMS柔性器件弯曲特性是最需要研究的科学问题。目前无论是基于硅基的还是基于各类柔性基板的RF MEMS柔性器件,其主要的研究内容和目的还都处于器件设计、制备和非弯曲条件下的性能测试阶段,RFMEMS柔性器件的弯曲特性建模和实验表征验证的研究目前还处于空白。然而,不管从科学研究角度还是工程应用层面,都迫切需要建立起基于柔性基板的RF MEMS器件的弯曲特性模型,以推动RF MEMS柔性器件的深入研究和开发应用。

发明内容

发明目的:为了填补国内外对MEMS V型梁结构柔性器件模型的研究空白,本发明提供了一种基于复杂环境空间,包含MEMS V型梁结构与柔性基板双变形模型的MEMS V型梁结构力学分析方法。

技术方案:本发明提供了一种基于柔性基板弯曲条件下的MEMS V型梁结构力学分析方法,包括以下步骤:

步骤1:建立基于MEMS V型梁结构与柔性基板双变形的形变耦合模型,假设V型梁梁长为L,膜桥到基板初始间距为g,柔性基板弯曲曲率半径为R,可得V型梁两端锚区之间距离的增量为:

步骤2:假设V型梁结构基本单元中单根梁的长度为L,宽度为w,厚度为t,V型梁所在平面内梁与水平方向的夹角为由热传导方程可计算出V型梁的热分布情况为:

其中,T为V型梁温度,为在一定电压下材料单位体积内产生的热量,V为施加的电压,R为电阻,VR为阻性材料的体积,k为热导率,Cp为材料的比热容,ρ为材料密度。假设V型梁材料单位体积内产生的热量q均为常数,且结构处于稳定状态,则上式可以简化为:

进一步,由边界条件可得V型梁上温度增量ΔT的分布为:

进一步,可得V型梁在长度方向上的位移为:

其中,α为材料的热膨胀系数。

进一步,带入参数可得单根V型梁在驱动方向上的位移为:

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