【毕业学位论文】悬臂梁式微开关的动态分析研究-机械电子工程

中国民航大学硕士学位论文悬臂梁式微开关的动态分析研究姓名：李艳芳申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：丁芳20080318中国民航人学硕：静电力作为微电子机械系统(一种重要的驱动力，广泛应用于微镜、微钳、微开关等微器件中。尽管部分静电驱动相关设计理论和设计工具尚不能满足设计需要，实际设计中仍然以反复试验方法为主，导致设计效率低，制约了产品的研发速度和产业化水平。本文以电磁学、结构动力学、有限元方法等为理论基础，用计算机仿真作为辅助工具，对静电驱动悬臂梁式微开关进行动态特性分析及有限元仿真，研究微开关在静电力作用下的动态响应和吸合现象，为微开关的设计和优化提供参考。论文中针对静电驱动悬臂梁式微开关的集中参数模型和分布参数模型，分别给出了求解相应动力学方程的数值方法，并利用用过究了静电力作用下微开关的动态响应特性，对比了动态和静态两种临界电压，分析了微开关动态特性和静态特性的不同，以及动态吸合电压和吸合时间的关系，讨论了微开关结构参数的选择对其性能的影响。分析表明，动态响应周期随驱动电压的增大而增大；动态临界电压小于静态临界电压：动态吸合电压并不是唯一的，随着动态吸合电压的增大，吸合时间逐渐变小；由于空气阻尼的存在和静电力的非线性，系统的振动频率相对于其固有频率向下发生漂移。关键词：微开关，耦合分析，动态特性，吸合现象，临界电压中国民航大学硕士学位论文an is to as et o of in of of on of he is of he of be in wo he to of of he he is is he he is he on in of of he in is is in is of of of 国民航大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签钰盔丝奎日中国民航大学学位论文使用授权声明中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权中国民航大学研究生部办理。研究生签名：瘥必 导师签名： 中国民航大学硕微电子机械系统概述111微电子机械系统简介微电子机械系统(指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。其外形尺寸在毫米量级，组成元器件尺寸在纳米、微米量级。1)微型化：量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。(2)以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。(3)批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的量生产可大大降低生产成本。(4)集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的5)多学科交叉：械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。112与多物理现象将与宏观世界有很大差别，一些常规理论将作修正。目前，整的微观尺度下的理论体系尚未建立，这已经严重地阻碍了此，微观尺度下的基础性理论研究显得尤为重要。(1)尺度效应和表面效应尺度效应研究已有较长的时间。力的尺度效应和表面效应说明，在宏观领域作用微小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹中国民航大学硕士学位论文性力、表面张力、静电力等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用。尺度效应的研究将有助于2)微流体力学微流体现象与宏观规律有相当的差别，有的规律需要进行较大的补充和修正。例如：微细通道内的流动是否还符合小装置中流体驱动机制可用表面张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小装置中流体的相变点(饱和压力和温度)不再是常数，而随尺度减小而降低；微细管道固液界面的微观物理化学特性所产生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行为有重要影响。(3)力学和热力学基础微观领域中的力学和热力学问题的基础研究可分为两大类，一当物体尺度缩小至与粒子运行的平均自由行程同一量级时，则介质连续性等宏观假定不再成立；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的微小化，各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。在微型光机电系统研究中主要需考虑的是第二类情况，其具体特点有：材料的失效模式，不仅与材料的本征关系有关，而且与材料的微结构有关，从而传热效率很高；界面、表面特征更加显著。须发展介于宏观与微观之间的研究方法，例如宏微观力学、宏微观热力学等。此外还应注意电磁、机械、力学和热学相结合的交叉学科研究方法。(4)微机械特性和微摩擦学微结构材料机构特性中的弹性模量、泊松比、疲劳极限、强度，以及内应力和内部缺陷的研究和数据库的建立引起了人们的重视，有些力学量需要重新做出科学的表述。微观摩擦学包括纳米摩擦行为及其控制研究、薄膜润滑与超滑技术研究、微观表面形貌与表面力学、表面物理效应研究、微磨损和微观表面改性研究。113肛胚典型器件和系统(1)微型传感器微型传感器是962年第一个硅微型压力传感器问世，开创了在己经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。国外某公司大批量生产的硅微加速度计。中间是传感的机械部分，四周为包括电信号源、放大器、信号处理和自校正电路等的集成电路，集成在3用硅平面微细加工工艺制作，一块直径10经大量用于汽车的防碰撞气袋，每支只需几美元。有人预计微型传感器即将占领40的传感器的市场。(2)微型执行器2中田民航大学硕士学位论文微型电机是一种典型的微型执行器，可分为旋转式和直线式两类，其它的微型执行器还有：微开关、微谐振器、微阀、微泵等。把微型执行器分布成阵列可以收到意想不到的效果，如：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵巧蒙皮。微型执行器的驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。微泵有进出口阀、利用双金属热致动的泵膜和泵腔，在一个2英寸硅片上制作了16个泵片。微电机由两层多晶硅组成转子、定子和轴承，在外围的定子和中间的转子间加交变电压，静电力拉动转子转动，转子直径只有头发丝粗细。(3)微型光机电器件和系统随着信息技术、光通信技术的发展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。成为国机，一个微镜的尺寸仅16 16射镜下面的支撑机构中，微镜通过支撑柱和扭转梁悬于基片上，每个微镜下面都有驱动电极，在下电极与微镜间施加一定的电压，静电力使微镜倾斜，入射光线被反射到镜头上投影到屏幕上，未加电压的微镜处的光线反射到镜头外，高速驱动微镜使每点产生明暗，投影出图像。(4)微型生物化学芯片微型生物化学芯片是利用微细加工工艺，在一平方厘米的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生物化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。芯片上的生物化学分析系统还使分析的并行处理成为可能，即同时分析数十种甚至上百种的样品，这将大大缩短基因测序过程，因而将成为人类基因组计划中重要的分析手段。(5)微型机器人随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。现在，科学家正在研制微型机器人，能在桌面大小的地方组装像硬盘驱动器之类的精密设备，军队也对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃，到达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争。日本已经制作出利用太阳电池的微小机器人，它只有钱币大小。太阳能电池产生的电力驱动马达使机器人向着光亮的地方前进。(6)微型飞行器3中国民航人学硕士学位论文微型飞行器(般是指长、宽、高均小于15量不超过1209，并能以可接受的成本执行某一有价值的军事任务的飞行器。这种飞行器的设计目标是有16能以3060km国陆军计划把这种微型飞行器装备到陆军排，它将被广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐怖活动。微型飞行器并不是传统飞机的简单缩小，尺寸的缩小带来了许多新的技术挑战。由于尺寸的缩小和速度的降低，现在常规飞机上使用的翼形设计难以产生足够的升力。而且，要在一个尺寸如此微小的飞行器上实现如此复杂的功能，靠常规的机电技术是难以实现的。微电子技术和微机电技术的发展，为微型飞行器的实现奠定了基础。例如，利用其具有提供升力，控制飞行的功能，同时还能作为天线或探测器。(7)微型动力系统微型动力系统以电、热、动能或机械能的输出为目的，以毫米到厘米级尺寸，产生瓦到十瓦级的功率。微型涡轮发动机利用要包括一个空气压缩机、燃烧室、燃料控制系统(包括泵、阀、传感器等)、以及电启动马达发电机。该校已在硅片上制作出涡轮机模型。其目标是05终达到100W。(8)纳米电子机械系统纳米电子机械系统(件的特征尺寸为01它并不是为它们的工作将依赖于器件的量子特征。原因是器件尺寸的限度到了100为信息载体的电子流的宏观效应将被电子波行为所替代，此时传统的微电子理论和技术己不再适用，需要新的理论和技术。由于纳米电子技术尚处于研究阶段，故。3】。12微机械开关概述121微机械开关简介基于金属金属接触的电磁机械式继电器(开关)，与晶体管开关相比，具有接触电阻小、隔离度高、能通过高频信号等优点，已经被广泛用于电源管理、信号处理以及通讯系统等领域。在要求接触电阻小于一欧姆、高的隔离度以及大的通过电流等场合，电磁式继电器仍有着不可替代的优势。利用发光二极管和开关晶体管的固态继电器(由于其可靠性和小型化，在一定场合可替代传统的继电器。典型的商用传统的继电器相当，但在接触电阻与电流通过能力方面仍比不过传统的电磁式继电器。因此在一些特殊需求的场合，需要一种介于继电器与要体积小有要接触电阻小，利用早形式的5属包覆的静电式4中国民航大学硕士学位论文微机械开关。此后，由于工艺的限制没有取得进展。直到90年代，995年出现了采用表面微机械加工技术制作的悬臂梁开关，1996年研制出了低阀值电压的膜式今研究的微开关主要针对移动通信产业的发展对器件提出了更高的要求，传统的二极管开关和有更优越的高频特性。122微开关的驱动方式与结构类型1、微开关的驱动方式目前，微开关的驱动方式主要有以下几种：(1)电磁驱动传统的机械式电磁继电器采用电磁力驱动，由于电磁力的大小与距离存在非线性，当接近接触时，电磁力呈指数增加，最终实现稳定的接触，因此非常适合用于驱动开关。同时由于电磁力的产生和磁场的建立之间不存在延迟，因此这种驱动方式能提供较快的开关时间。然而，在于器件尺寸和材料的特殊性，很难在硅片上制作足够圈数的三维线圈，虽然可以加大驱动电流弥补，但仍存在工艺复杂、制作成本高等缺点，因此电磁式驱动在微开关领域并未广泛采用。(2)静电力驱动静电力驱动是常用的驱动方式，在结构上采用两块分开一定距离的极板，当施加电压时，极板在电场力的作用下发生变形，实现开关的闭合。电场力的大小是场强平方的函数，驱动电压的大小与极板间的间距成线性关系。静电驱动存在的主要困难是开关间距与驱动电压之间的矛盾，考虑到耐压和隔离度，极板的间距不能太小，但此时驱动电压又太高。为了克服这一缺点，出现了变截面悬臂梁、应力预变形悬臂梁等多种结构，一定程度上解决了驱动电压高的问题。同时，由于结构尺寸的限制，电场力驱动的微开关的负载电流都很小，但在小电流应用场合，电场力驱动仍是最广泛采用的驱动方式。(3)电热驱动电热驱动采用两种热膨胀系数不同的材料，通过通电发热产生变形实现开关的闭合。在驱动元件的体积都很小，热容量很小，因此能实现开关的快速动作。2、微开关的结构类型常见的开关结构有悬臂梁、空气桥和扭转摆三种，目前均采用静电驱动方式。前两种结构又分为串联(较低频率)和旁路(高频)两种形式。图1类似于静电电压作用在梁和底面电极时，悬臂梁发生偏转，在源极和漏极之间建立一个信号通路。5中国民航大学硕士学位论文麓点玉 器膏粱苎=M扭 一极图11串联式悬臂梁开关的原理图开关的绝缘衬底采用覆盖有1,，的硅或玻璃。电极由溅射的面有20成。牺牲层材料为牲层作两次图形，通过腐蚀分别形成触点的凹坑和铆接区。结构层由种开关的平均寿命为3X 106次循环。通过的电流越大，寿命越短。另外，当开关工作在氮气中时，寿命提高到5后，开关的接触电阻大大增加(达到1000)。图12为空气桥旁路开关结构。金属薄膜形成双端固定的梁，与下方的共面波导线的距离为3-4,下极板由电镀或蒸发的铝或金构成。对于毫米波来说，上下电极之间只要有足够的电容量即可实现导通，而不需要电极之间的接触。极板间的一个很大的变化就可以实现开关动作。因此，该开关在下电极板上留有100a)断开时(b)闭合时图1路开关在导通状态(电容很小)时的插入损耗为O1060断状态(电容很大，信号耦合到6中国民航人学硕学位论文地)时，隔离度为20 25属金属串联式开关的隔离很高(5060插入损耗为0123微开关的应用前景助于现有的集成电路工艺，能大规模生产，产品一致性好，成本低。因此从理论上讲，微机械开关同时具有了机械式继电器接触电阻小、固态继电器体积小的优点，便于集成。其潜在用途包括：(1)个人通信：移动电话、携式计算机的数据交换；(2)车载机载收发机和卫星通信终端，3)军事应用领域的通信系统、小型相控阵雷达、无线传感器网络掣拍J。13研究的目的与意义尽管其设计工具和方法却未能与之同步。设计中仍然以反复试验方法为主，提出的原型机在实验室反复加工、试验，直到满足系统性能要求。目前的相关设计工具尚不能满足设计需求【7】，因此研究与微机械相关的分析与设计理论成为当前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，对多种耦合作用下的微结构行为分析尚不完善，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，开展以多力场耦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。静电力是典型的驱动力之一，研究静电驱动微开关的力学特性，把握静电力与结构运动特性的内在关系是提高静电驱动微开关研究水平的重要内容。静电驱动微开关处于动态载荷的作用下，构成了一个动态问题，仅仅在静力学上对其进行分析研究是不够的，无法揭示在外载荷作用下结构所表现出来的运动特性。因此，对微开关给予动力学上的分析是必要的，是设计和分析微开关中关键的内容之一。14国内外研究现状静电驱动是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多文献对临界电压值进行计算。这些研究对于静电驱动器的设计有重要意义。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I据能量方法，建立数学模型。当静电力大于弹性回复力时，集中模型可以分析失稳状态，对临界电压和临界挠度进行7中国民航大学硕士学位论文定量分析。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。21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【1361，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【171。蚰1】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。静电驱动器所特有的吸合现象是目前的研究热点，但是研究大多在定性分析上，因此对临界现象的研究还需进一步深入。15论文的主要工作本论文主要对静电驱动悬臂梁式微开关的动态特性进行数值分析及有限元仿真，研究系统在非线性静电力作用下的动态响应和吸合现象。主要工作有：(1)简要介绍了微电子机械系统(微开关的概况及吸合现象的国内外研究现状。(2)结合静电驱动悬臂梁式微开关的结构特点和工作原理，利用数值方法对其动力学方程进行求解，得到微开关在非线性静电力作用下的动态响应特性。对微开关动态特性和静态特性的不同，尤其是静动态临界电压的差异进行对比分析。(3)利用到其静态位移特性。(4)采用有限元法对悬臂梁式微开关进行模态分析，得到其振动特性。根据微开关的工作特性，考虑非线性静电力的作用特点，结合有限元法对悬臂梁式微开关进行静电结构的耦合分析，得到其动态响应特性，并分析空气阻尼对器件性能的影响。结合微开关的动态响应特性，得到动态吸合电压和吸合时间的关系，并就静力学分析和动力学分析结果的不同作对比。(5)在动态分析的基础上，详细讨论微开关结构参数的选择对其性能的影响。8中国民航大学硕士学位论文第二章微开关动态特性的数值求解与常规机械结构的动力学分析相似，对静电驱动微开关仍然可以采用传统的振动分析方法。通过建立、求解系统的运动微分方程，可以得到系统的幅频特性、时间响应等，为分析和设计静电驱动微开关提供理论基础。21悬臂梁式微开关的基本结构及原理悬臂梁式微开关的结构示意图如图2悬臂梁的底面和不可变形的底板上分别有一层金属层作为上驱动电极和下驱动电极，当在上下驱动电极之间施加驱动电压时，在静电力的作用下使悬臂梁产生变形向下挠曲，随着电压增大，梁的挠度增加，当电压超过临界电压时，开关上电极会被吸到开关下电极上，实现开关的闭合【221。关上电极关下电极图2其结构间施加一个适当的电压所产生的静电力，足以对微机械结构产生一个显著的力或力矩。微机械结构在这种力或力矩的作用下，将产生变形弯曲。根据图22所示，在两个电极间施加一个电压U，两个电极板的间距为d，两个极板的面积为s，而且d比两极板间可产生一个均匀的静电场。其电场强度为：E竺 (21)22)其中取决于微开关的几何尺寸。于是，电容所存储的能量为：形要23)对于平板电容：c堕 (24)4)代入(23)，则有：9中国民航大学硕卜学位论文；2 (25)其中，。为极板间的介质的介电常数。通过计算带电平板电容器两极板发生移动时的能量变化，可以间接地计算出电容器平板电极间的作用力。一个平行板电容器的两个极板带有符号相反的电荷，它们之间引力设为F，那么把两极板拉开多个距离方所需要的功就是电势能的变化为：隔为y，那么有：形=等$ (26)当两极板间隔变化时，则两极板间的静电力为电场能量形对间距_27)咖 280即为作用在上驱动电极上的均布载荷。于是在初始时刻，粱载荷分布如图22所示：A 似砂 Bl 工，_ ： ， 一 一 一图2为悬臂梁的全长，f)为作用在电场力作用下，悬臂梁将产生变形。在纯弯曲的情况下，弯矩与曲率间的关系为：10中国民航人学硕上学位论文1 1(28)式中为弯矩，为梁的惯性矩。对于跨度远大于截面高度的梁，剪力对弯曲变形的影响可以忽略，式(28)可作为横向力弯曲变形的基本方程，在小变形的情况下挠度变形，可采用近似方程：02v (29)必须考虑到的是，作用在悬臂梁上的载荷并不是保持不变的。随着梁的变形，上下两驱动电极的间距随之变小，这将导致电场强度场力也因此不是均布载荷，如图23：J 图318动态吸合电压和吸合时间的关系由图318可知，驱动电压为675开关刚开始发生吸合，吸合时间为921s；当驱动电压增加到80合时间迅速减d,N 40着驱动电压的增大，吸合时间变化比较平缓。由上一节静力学分析可知，微开关只有一个静态吸合电压(即静态临界电压)。而以上动态分析可见，微开关的动态吸合电压并不是唯一的；随着动态吸合电压的增大，吸合时间逐渐变小。这些动态特性与第二章中集中参数模型分析的结果一致，从另一个方面验证了本文建立的有限元分析模型的正确性。在微开关的优化设计中要考虑如何缩短和控制开关闭合时间，这样设计者就可以根据动态吸合电压与吸合时间的关系来选择合适的驱动电压。36小结本章首先利用有限元分析软件到其静态位移特性；然后对微开关进行模态分析，得到系统的各阶振型及其频率；利用构耦合分析，得到了系统的动态响应特性，指出空气阻尼对器件性能的影响；最后结合微开关的动态响应特性，得到动态吸合电压和开关吸合时间的关系，并就静力学分析和动力学分析结果的不同做了对比。分析结果表明，动态临界电压低于静态临界电压：动态吸合电压并不是唯一的，随着动态吸合电压的增大，吸合时间逐渐变小；由于空气阻尼的存在和静电力的非线性，系统的振动频率相对于其固有频率向下发生漂移，这些动态特性与静态特性有明显的不同。中国民航大学硕。动电压和开关速度是非常重要的性能指标。在实际应用中，通常不同的系统需要不一样的驱动电压和开关速度，设计者需要根据系统对微开关速度和驱动电压的要求来选择合适的结构参数，因此有必要分析微开关结构参数的变化对其动态临界电压和开关吸合时间的影响。由第二章可知，静电驱动悬臂梁式微开关的动力学方程为：EI聋+m掣+ (41)+_+CI 斗上，缸(dow)式中，是微悬臂梁的挠度，是微悬臂梁的长度，m=pA中为截面面积)，是真空中的介电常数，是上下极板间的初始距离，上下极板的起始坐标而，上下极板的终止坐标屯，；等)。当悬臂梁的宽度尺寸较大(与厚度相比)，等效 工二击，否则E-E，t，为泊松比。lt，可见，微开关的动态临界电压和吸合时间与上下极板的初始间距、微悬臂梁的形状(主要是长度和厚度)、梁的材料等有关。这些参数的选择直接影响微开关的性能，以下就微开关的各项参数的选择对性能的影响进行分析。41上下极板初始间距对开关性能的影响由动力学分析(第三章)可知，当上下极板的初始间距么为2到微开关的动态临界电压为675V，吸合时间为92,其他条件不变的情况下，当上下极板的初始间距矗。分别为毕m、15,5|5肛m、45,5,真分析得到微开关的动态临界电压分别为24V、437V、941V、1238V、1559V、1906V、2275V、2662V、307应的吸合时间为78肛s、13耻s、117019s、1160靴s、10犁s、11鼽s、12靴s。由此可以得到微开关上下极板初始间距与动态临界电压的关系，如图41所示。由图4其他条件不变的情况下，上下极板初始间距越小，动态临界电压就越小。中国民航大学硕士学位论文 3 4 5 6上下极板初始4_1上下极板初始间距与动态临界电压的关系由上一小节分析可知，在其他条件不变的情况下，如果微开关上下极板的初始间距如分别为15m、25m、35m、455施加的驱动电压几种模型的微开关都会发生吸合(因为驱动电压大于动态临界电压)。下面分析在保证各种模型的微开关都发生吸合的前提下，讨论在同一个驱动电压作用下，各种模型上下极板初始间距与吸合时间的关系。1 2 3 4 5 6上下电极初始间距m)图42上下极板初始间距与吸合时间的关系(驱动电压为310伏)通过仿真计算可知，当施加310种模型的吸合时间分别为O2铷s、04469#s、097#s、129#s、166#s、209#s、26#s、3262靴s，得到如图4_2所示的上下极板初始间距与吸合时间的关系。由图42可知，在保证微开关能发生吸合的情况下，上下极板初始间距越小的微开关吸合的速度越快。5I下极板的初始间距越小，动态临界电压就越小，而且微开关吸合的速度也越快。但要考虑到的是上下极板的初始间距也不能太小，因为初始间距太小可能会导致微开关间隙击穿。42极板有效面积对开关性能的影响定义上下极板有效面积与微悬臂梁长宽方向的面积之比为咒，简称面积比。由动力学分析(第三章)可知，当行为O7时，得到微开关的动态临界电压为675V，对应的吸合时间为9私s、。同样条件下，当疗为O4、O5、06、O8、09时，仿真分析得到微开关的动态临界电压分别为892V、798V、729V、631V、595V，对应的吸合时间为11犁s、95#s、97#s、9。舡s、9。耻s。由此得到如图43所示的极板与微悬臂梁面积比与动态临界电压的关系。由图4驱动电极的位置确定后，随着极板有效面积的增大，动态临界电压反而变小。100极板与微悬臂梁面积比极板与微悬臂梁面积比和动态临界电压的关系由上一小节分析可知，在其他条件不变的情况下，如果以为04、05、O6、07、08、09时，当施加的驱动电压几种模型的微开关都会发生吸合(因为驱动电压大于动态临界电压)。通过仿真计算可知，当施加90种模型的吸合时间分别为85比s、4673s、28肛s，得到如图“所示的极板与微悬臂梁面积比与吸合时间的关系。由图可知，在保证微开关能发生吸合的情况下，极板有效面积越大的微开关吸合的速度越快。410080i 7差6茁520O4 O5 O6 O7 O8 09极板与微悬臂梁面积比11图44极板与微悬臂梁面积比和吸合时间的关系(驱动电压为90V)由此可见，极板的有效面积越大，动态临界电压就越小，而且微开关吸合的速度也越快。因此可以通过增大电极的有效面积的办法来得到较小的动态临界电压和较快的开关速度。43梁的长度对开关性能的影响由动力学分析(第三章)可知，当微悬臂梁长度，为100到微开关的动态临界电压为675V，吸合时间为92,样条件下，当微悬臂梁长度00#m、250,00【5000,50真分析得到微开关的动态临界电压分别为299V、169V、12V、86V、74V、69V、67v，对应的吸合时间为23私s、36弘s、28舡s、39靴s、39鼽s、39舡s、39珈s。由此可得到微悬臂梁长度与动态临界电压的关系，如图45所示。显然，在其他条件不变的情况下，微悬臂梁越长，动态临界电压越小。100 150 200 250 300 350 400 450微悬臂梁长度1(岬)图微悬臂梁长度与动态临界电压的关系420其他条件不变的情况下，当微悬臂梁长度，分别为1005000,m、2501m、30050肛m、40050,施加的驱动电压几种模型的微开关都会发生吸合(因为驱动电压大于动态临界电压)。通过仿真计算可知，当施加70种模型的吸合时间分别为5499#s、348,421s、34l#s、3441s、34到如图46所示的微悬臂梁的长度与吸合时间的关系。60553 50伊皿塞3530100 150 200 250 300 350 400 450 500微悬臂梁的长度l(胂)图描微悬臂梁长度与吸合时间的关系(驱动电压为70V)由图4_6可知，在保证微开关能发生吸合的情况下，在长度不是很大的范围内(如图46中100着微悬臂梁的长度增加，微开关吸合时间越短。但是微悬臂梁长度增加到一定程度(如图46中200比微开关发生吸合的时间相差无几。因此，在设计悬臂梁式微开关的时候，不能一味地靠增加悬臂梁的长度来获取较小的动态临界电压和较快的开关速度。44梁的厚度对开关性能的影响由动力学分析(第三章)可知，当微悬臂梁厚度到微开关的动态临晃电压为675V，吸合时间为9犁s。同样条件下，当微悬臂梁厚度m、4真分析得到微开关的动态临界电压分别为24V、1238V、1906V、2662V、339V，对应的吸合时间为15鲰s、67缸S、51鲰s、47653#s。由此可以得到如图47所示的微悬臂梁厚度与动态临界电压的关系。由图47可知，在其他条件不变的情况下，微悬臂梁的厚度越大，动态临界电压越大。43中国民航大学硕士学位论文350300言250髻200董150怕100臀500l 2 3 4 5 6微悬臂梁厚度h(岬)图4其他条件不变的情况下，当微悬臂梁厚度m、靴m、4jm、5施加的驱动电压几种模型的微开关都会发生吸合(因为驱动电压大于动态临界电压)。通过仿真计算可知，当施加340种模型的吸合时间分别为048s、0699S、08鲰s、43到图4_8所示的微悬臂梁厚度与吸合时间的关系。2520警=15厘蔫100l 2 3 4 5 6徽悬臂梁厚度h(岬)图4动电压为340V)由图48可见，在保证微开关能发生吸合的情况下，随着微悬臂梁的厚度增加，微开关吸合时间与越来越大。由于施加的电压是保证悬臂梁厚度最大的微开关也能发生吸合，因此这些模型的微开关吸合的时间总体上偏小。中国民航大学硕士学位论文45梁的材料对开关性能的影响些参数主要指杨氏模量等。在此微悬臂梁的材料分别取月“、彳Z、&Q、甄4、，各项材料参数如表41所示。表41几种材料参数表材料 杨氏模豇(泊松比y 密度P(m 3)4掰 61 O42 1930 O34 270e1572 025 232e1524 344e1590 028 242e15这里只讨论材料的杨氏模量与开关性能的关系。在其他结构参数不变的情况下，通过仿真分析可得微开关的动态临界电压分别为437v、452V、444V、594V、727V，对应的吸合时间为36弘s、13和s、13犁s、13弘s、87到微悬臂梁材料的杨氏模量与动态临界电压的关系，如图49。由图4其他结构参数相同的情况下，相比较而言，金属材料的动态临界电压总体上要比非金属材料低；但是金属和非金属材料都是杨氏模量越大，动态临界电压越大。80S 70臀403040 60 80 100 120 140 160 180 200材毒喜的杨氏模量E(4_9微悬臂梁材料的杨氏模量与动态临界电压的关系由上,节分析可知，在其他条件不变的情况下，微悬臂梁的材料分别取彳比、彳Z、4、&时，当施加的驱动电压几种模型的微开关都会发生吸合(因为驱动电压大于动态临界电压