静电纳米机电开关的设计及研究.pdf

摘要

随着器件微型化的发展，微纳机电器件越来越引起人们的重视。其中，静电驱动的柔性

纳米机电（NEM）开关由于结构简单、与半导体平面加工工艺相兼容、零泄露电流及低功耗

等显著优点，广泛应用于射频系统、微流控系统、微能源系统、数字加密等多个领域。然而，

高电压需求及低开关寿命的问题严重制约NEM开关的发展。

本文基于欧拉-伯努利梁理论，通过分析残余应力、分子间作用力及中平面拉伸效应等非

线性因素对NEM开关吸合行为的影响，采用伽辽金法对梁的控制方程进行简化求解，同时

使用MATLAB分别对范德华力与边缘场、卡西米尔力与边缘场、范德华力与中平面拉伸、卡

西米尔力与中平面拉伸作用下NEM开关的吸合电压进行拟合计算。结果表明分子间作用力

会减小吸合电压的需求，中平面拉伸效应则相反。当使用单层石墨烯作为梁元件时，NEM开

关梁长与间隙的比值不能超过52，否则会由于范德华力导致梁元件的坍塌。

此外，本文进一步考虑NEM开关几何结构对开关性能的影响。通过理论计算和COMSOL

仿真，探究了悬臂式及双箝位桥式结构NEM开关中几何参数对开关特性的影响。在固支梁

支撑的板式电容结构中，本文探究了一字型、几字型、蜿蜒蛇型三种固支梁结构对梁的弹性

系数的影响，并引入方孔探究孔的尺寸与数量对开关特性的影响。结果表明悬臂式结构中穿

孔比例达到34.41%可以降低31.28%的吸合电压，桥式结构中穿孔比例达到37.67%最高可以

降低33.63%的吸合电压。最后通过COMSOL对穿孔NEM开关的吸合及释放行为进行仿真。

本研究为NEM开关的设计、仿真及制造提供良好的参考。

关键词:微机电系统，纳米机电开关，静电吸合，石墨烯，穿孔

Abstract

Withthedevelopmentofminiaturizationofdevices,moreandmoreattentionhasbeenpaidto

microelectromechanicalandnanoelectromechanicalsystems.Theelectrostaticdrivenflexible

nanoelectromechanical(NEM)switchesarewidelyusedinRFsystems,microfluidicsystems,micro-

energysystems,digitalencryption,andotherfieldsduetotheirsimplestructures,withsemiconductor

planarprocessingtechnology,,zeroleakagecurrentandlowpowerconsumption.However,high

voltagedemandandlowswitchinglifeseriouslyrestrictthedevelopmentofNEMswitches.

Inthisthesis,basedonEuler-Bernoullibeamtheory,theinfluenceofnonlinearfactorssuchas

residualstress,intermolecularforceandmid-planetensileeffectonNEMswitchingsuctionbehavior

isanalyzed,andthegoverningequationofthebeamissimplifiedbyGalerkinmethod.Atthesame

time,MATLABisusedtocalculatethefittingvoltageofNEMswitchundertheactionofvander

Waalsforceandedgefield,Casimirforceandedgefield,vanderWaals