高g值衝擊條件下射頻微機電懸浮電感多場耦合機理研究

《高g值衝擊條件下射頻微機電懸浮電感多場耦合機理研究》是依託北京理工大學，由徐立新擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：高g值衝擊條件下射頻微機電懸浮電感多場耦合機理研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：徐立新
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

本項目針對10萬g衝擊條件下射頻微機電（RF MEMS）懸浮電感微結構開展研究，屬於微系統、微結構的動力學和電磁耦合交叉研究範疇。本項目從RF MEMS懸浮電感微結構的彈塑性應變和動力學回響出發，通過多物理場耦合理論，揭示高g值衝擊載入對RF MEMS懸浮電感結構與射頻性能的影響規律。研究內容包括：（1）研究在10萬g加速度衝擊載入條件下，RF MEMS懸浮電感微結構動態力學回響；（2）研究在10萬g加速度衝擊載入條件下，RF MEMS懸浮電感應力場與電磁場耦合關係，研究RF MEMS懸浮電感力—射頻性能耦合機理；（3）研究在10萬g加速度衝擊載入條件下，RF MEMS懸浮電感射頻性能變化規律，建立RF MEMS懸浮電感在該條件下的等效模型，對懸浮電感射頻性能進行衝擊實驗測試。本項目研究為高g值衝擊條件下RF MEMS電感作用可靠性的提高和性能最佳化提供理論基礎，對MEMS懸浮電感在高g值衝擊條件下的套用有著重要意義。

結題摘要

本項目研究高g值衝擊條件下RF MEMS懸浮電感微器件動力學與電磁的交叉耦合問題，從機理上揭示高衝擊載荷對結構和射頻性能的影響規律，具有重要理論意義和套用價值。首先，研究了RF MEMS懸浮電感微結構在衝擊環境下的動力學回響。在分析10萬g加速度載入下懸浮電感微結構受力情況和彈塑性形變基礎上，建立RF MEMS懸浮電感的分段多體動力學等效模型，計算懸浮電感在衝擊環境下的絕對加速度回響和絕對加速度衝擊回響譜；根據RF MEMS懸浮電感線圈經受的加速度載荷來計算結構中的應力和變形，仿真結果表明10萬g下線圈最大等效應力和最大形變計算與仿真結果之間的相對偏差不超過3.1%。其次，研究了RF MEMS懸浮電感力—射頻性能耦合機理。通過將電感線圈導線看作一系列電偶極子串聯，將電磁場計算問題轉化為多層介質中的電磁場求解問題，計算得到電感在衝擊環境下的射頻特性，理論計算結果表明與HFSS軟體仿真結果相一致。進一步給出形變過程對應的懸浮電感線圈電磁場變化規律，為RF MEMS懸浮電感在高g值衝擊條件下的設計與最佳化提供理論基礎； 最後，在傳統平面螺旋電感單π模型基礎上加入表征線圈與氧化絕緣層之間空氣層的空氣層電容，建立了RF MEMS懸浮電感單π集總參數模型；完成RF MEMS懸浮電感器件製備加工；開展RF MEMS懸浮電感的衝擊實驗，通過對衝擊實驗前後的RF MEMS懸浮電感S參數提取，得到衝擊前後電感π模型各參數的變化規律，分析了6萬g加速度和10萬g加速度衝擊作用後射頻性能的變化規律。結果表明衝擊對電感性能的影響主要體現在串聯電容及襯底耦合電容增大導致的電感儲存電場能的提升，以及襯底耦合電阻降低導致的襯底損耗的增大。這些均導致電感損耗的增大，儲存磁能能力的下降，從而體現在其質量因數Q值的降低。本項目研究結果對RF MEMS懸浮電感在高g值衝擊條件下的套用具有重要的指導意義。