微纳米开关多物理场复合接触研究

论文摘要

随着MEMS开关在商业领域和国防领域的广泛应用，解决了大量的高频无线通信问题，促使了通讯系统及经济的迅猛发展。然而它的实际应用由于其易失效等弱点受到限制。研究两粗糙表面接触行为，对提高MEMS开关可靠性问题具有重要的理论意义和应用价值。接触电阻、接触热均为获得MEMS开关高性能、高可靠性的重要参数。目前，RF MEMS开关等效球体接触电阻理论模型和接触热理论模型，存在变形情况考虑单一、模型较理想化等问题。MEMS开关接触行为研究主要集中在使用实验方法来进行。在实验过程中，不可避免的存在方法复杂、时间久、经费大等问题，并且复杂的多物理场相互作用造成的很难准确获知MEMS开关接触行为。因此，需要建立一种具有广泛应用性、更符合实际情况的MEMS开关粗糙表面接触电阻模型和接触热模型；并找到一种新途径，研究MEMS开关多物理场耦合作用下复杂的接触行为。本文基于符合MEMS开关尺寸范围内应用的单粗糙峰接触电阻模型和单粗糙峰接触热模型，对两粗糙表面接触过程进行了详细分析，在完全粘着条件下，首次建立MEMS开关粗糙表面接触电阻模型和接触热模型。并首次提出了使接触电阻模型和接触热模型适用于不同材料及不同的粗糙表面粗糙度的参数k。对无量纲粗糙表面接触力、接触面积、接触电阻及接触热理论模型进行了数值求解。研究了粗糙表面塑性指数、k值条件下，无量纲接触力及无量纲接触面积对无量纲接触电阻、接触热的影响规律。完成了粗糙表面接触电阻模型与等效球体接触电阻模型、实验数据的对比；粗糙表面接触热模型与等效球体接触热模型对比。得到了等效球体接触电阻模型可认为粗糙表面接触电阻模型的一种特殊情况。验证了粗糙表面接触电阻模型和粗糙表面接触热模型，具有广泛的实际应用性。应用有限元软件ANSYS 12.0，建立RF MEMS开关粗糙表面接触有限元模型。模型中包含了影响RF MEMS开关接触特性的粗糙表面形貌特性、材料属性、环境温度、接触力以及接触电压等因素。完成热场、电场及力场多物理场耦合情况下的RF MEMS开关接触行为研究，为RF MEMS开关可靠性设计，提供了一种新的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 MEMS 开关技术研究现状
• 1.2.2 表面接触理论研究现状
• 1.2.3 MEMS 开关接触电阻和接触热研究现状
• 1.2.4 MEMS 开关失效影响因素
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 MEMS 开关粗糙表面接触电阻研究
• 2.1 MEMS 开关粗糙表面与刚性平面的接触力学模型
• 2.1.1 粗糙表面接触模型基本假设和理论基础
• 2.1.2 粗糙表面与刚性平面接触力学模型
• 2.2 MEMS 开关等效球体与刚性平面接触电阻模型
• 2.3 MEMS 开关粗糙表面接触电阻模型的建立
• 2.3.1 单个粗糙峰与刚性平面的接触电阻模型建立
• 2.3.2 粗糙表面与刚性平面的接触电阻模型建立
• 2.4 MEMS 开关粗糙表面接触电阻分析
• 2.4.1 模型主要参数的确定
• 2.4.2 MEMS 开关粗糙表面与刚性平面接触电阻影响规律研究
• 2.4.3 粗糙表面接触电阻模型与等效球体接触电阻模型对比
• 2.4.4 粗糙表面接触电阻模型与实验数据对比
• 2.5 本章小结
• 第3章 MEMS 开关粗糙表面接触热研究
• 3.1 等效球体与刚性平面接触热模型
• 3.2 MEMS 开关粗糙表面与刚性平面接触热模型建立
• 3.2.1 单个粗糙峰与刚性平面的接触热模型建立
• 3.2.2 粗糙表面与刚性平面的接触热模型建立
• 3.3 MEMS 开关粗糙表面接触热分析
• 3.3.1 模型主要参数的确定
• 3.3.2 粗糙表面与刚性平面接触热分析
• 3.3.3 粗糙表面接触电阻模型与等效球体接触热模型对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 MEMS 开关多物理场耦合仿真分析
• 4.1 MEMS 开关接触有限元模型的建立
• 4.1.1 表面形貌的数值模型
• 4.1.2 MEMS 开关接触有限元模型的建立
• 4.2 MEMS 开关多物理场耦合有限元接触分析
• 4.2.1 MEMS 开关有限元电接触分析
• 4.2.3 MEMS 开关有限元热电接触分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢