Анализ механических колебаний мембран микромеханических переключателей ёмкостного типа

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.

1. Anagnostou, D.E., Zheng G., Papapolymerou J., Christodoulou C.G. Reconfigurable multifrequency antenna with RF MEMS switches. U.S. Patent 7,589,674, Sept. 15, 2009.

2. Tagliapietra, G. A comprehensive overview of recent developments in RF-MEMS technology-based high-performance passive components for applications in the 5G and future telecommunications scenarios / G. Tagliapietra, J. Iannacci // Facta Universitatis. Series: Electronics and Energetics. – 2021. – Vol. 34, No 3. – P. 333–366. DOI: 10.2298/FUEE2103333T

3. Варадан, В. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К.Джозе. Москва: Техносфера, 2004. – 528 с.

4. Блехман, И.И. Вибрационная механика и вибрационная реология (теория и приложения) / И.И. Блехман. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018. – 752 с.

5. Авсиевич, А.М. Влияние геометрии кремниевого чувствительного элемента МЭМС на собственные колебания / А.М. Авсиевич, И.А. Таратын, А.Ф. Смалюк, П.С. Кириллов // Математические методы в технологиях и технике. Научный журнал, № 11, – СПб.: ООО «Сарлен-Алекс», 2021. – С. 71–75. DOI: 10.52348/2712-8873_MMTT_2021_11_71

6. Rebeiz, Gabriel. RF MEMS: Theory, Design, and Technology / Gabriel M. Rebeiz. USA: John Wiley, 2003. – 512 р.

7. Кочемасов, В. Майстренко, А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС / Виктор Кочемасов, Александр Майстренко // СВЧ-электроника. М.: ООО «ИД Электроника», 2016. – № 1.– С. 36–42.

8. Сысоева, С. Высокочастотные МЭМС-ключи. Технологии и применения / С. Сысоева // Компоненты и технологии. СПб.: Файнстрит, 2011. – № 11. – С. 29–36.

9. Introduction to COMSOL Multiphysics 5.2 Reference Guide. Comsol Inc, 2015. – 184 p.

10. Stein, E. Encyclopedia of Computational Mechanics. Vol. 1: Fundamentals. / E. Stein, R. de Borst, T.J. Hughes // USA: John Wiley, 2004. – 798 p.

11. Шукевич, Я.И. Моделирование динамики работы МЭМС-переключателя / Я.И. Шукевич, В.В. Баркалин, И.А. Таратын, О.Г. Реутская // Нано- и Микросистемная техника. – Т. 18. – № 11. – 2016. – С. 666–671.

12. Вавилов, В.Д. Микроэлектромеханические системы: монография / В.Д. Вавилов // Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Н. Новгород, 2014. – 631 с.

13. François Cardarelli. Materials Handbook: A Concise Desktop Reference, 2nd edition. London: Springer–Verlag, 2008. – P. 1188–1192. DOI: 10.1007/978-1-84628-669-8