电容式RF MEMS开关膜片上边缘电场的表征

为了获得高保真的电容式RF MEMS开关自驱动失效阈值功率模型,必须弄清开关膜片上电场分布的边缘场效应。由于受到边缘场效应的影响,在计算开关自驱动失效阈值功率时,不能使用开关与中心导体的正对面积(A)取代受到射频信号频率的开关膜片面积(ARF)。否则,会出现射频信号功率等效电压(Veq)的计算偏差。因此,使用Veq的计算值与开关膜片上的均方根电压值(VRMS)来表征ARF。从而构建一个优值(ARF/A)来表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度。采用HFSS软件构建开关自驱动失效3D电磁模型,针对同一种开关构型,通过仿真得到不同射频信号功率下和不同开关气隙高度下膜片上边缘电场的分布。并与优值计算结果进行比较,初步验证了使用该优值表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度的合理性。     

电容式RF MEMS开关膜片上边缘电场的表征

为了获得高保真的电容式RF MEMS开关自驱动失效阈值功率模型,必须弄清开关膜片上电场分布的边缘场效应。由于受到边缘场效应的影响,在计算开关自驱动失效阈值功率时,不能使用开关与中心导体的正对面积(A)取代受到射频信号频率的开关膜片面积(ARF)。否则,会出现射频信号功率等效电压(Veq)的计算偏差。因此,使用Veq的计算值与开关膜片上的均方根电压值(VRMS)来表征ARF。从而构建一个优值(ARF/A)来表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度。采用HFSS软件构建开关自驱动失效3D电磁模型,针对同一种开关构型,通过仿真得到不同射频信号功率下和不同开关气隙高度下膜片上边缘电场的分布。并与优值计算结果进行比较,初步验证了使用该优值表征开关膜片上电场分布的边缘场效应强度的合理性。     

电容式RF MEMS开关自热效应的多物理场协同仿真

随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了电磁-热-应力的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HFSS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率;再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布;然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为;最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RF MEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘;温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低;膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量;并拟合出了0~5 W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。     

介电层粗糙对电容式RF MEMS开关down态电容退化的影响

电容式RF MEMS开关在控制高功率射频信号时会发生自锁失效,由于开关桥膜与介电层之间的粗糙接触,开关的down态电容会发生退化,因此很难建立开关自锁失效阈值功率的高保真预测模型。提出了3D电磁-等效电路仿真对比建模的方法。建立开关的3D电磁仿真模型,仿真得到具有任一表面粗糙度水平的介电层粗糙开关的隔离度(S21)曲线;再建立同一开关的等效电路模型,通过调谐其down态电容值,使得仿真得到的S21曲线与3D电磁模型仿真结果尽可能吻合;此时,可以确定一组根据开关3D电磁仿真模型设定的表面粗糙度水平与等效电路模型调谐好的down态电容值的关系;改变开关介电层的表面粗糙度水平,并重复上述步骤,确定了任一开关的介电层表面粗糙度与开关down态电容退化的关系。采用文献的down态电容实测数据,初步验证了该方法的可行性和合理性。并利用所得的开关down态电容随介电层表面粗糙度退化的特性,对简化的(介电层光滑)开关自锁失效阈值功率解析计算式进行了修订,可扩展用于预测介电层粗糙开关的功率容量。     

电容式RF MEMS开关自热效应的多物理场协同仿真北大核心CSCD

随着信号输入功率的升高,电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形,引起开关气隙高度的改变,导致开关驱动电压漂移,严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合,因此提出了“电磁-热-应力”的多物理场协同仿真方法描述其失效模式,并分析其失效机理。首先利用HF-SS软件建立开关的电磁仿真模型,得到不同输入功率下膜片的耗散功率;再以此作为热源,利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型,得到膜片上的温度分布;然后将温度梯度作为载荷,利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型,得到开关的形变行为;最后,根据膜片形变所致的气隙高度变化,得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RFMEMS开关为例,利用该方法得到：矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘;温度沿膜片长边逐渐降低,且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低;膜片的热应力变形呈马鞍面形,且最大形变点发生在膜片长边的边缘处,仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量;并拟合出了0~5W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线,该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合,由此证明了该方法的有效性。     

新型双阈值高g值MEMS惯性开关（英文）

在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下,为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关,其主要包括能够识别两种典型加速度环境(载荷1∶15 000g-300μs,载荷2∶3000g-3ms)的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移,进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化,仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开,而在载荷2环境下可靠闭合。     

电容式射频微机电系统开关损耗机制（英文）

插入损耗是射频微机电系统(RF MEMS)开关的关键性能指标之一。电容式RF MEMS开关是一种适合高频应用的开关器件,对其损耗机制进行了研究。电容式RF MEMS开关的射频损耗主要包括四部分:信号线的导体损耗、衬底损耗、辐射损耗以及MEMS桥损耗。对电容式RF MEMS开关建立了损耗模型并进行了数值计算,同时在HFSS有限元软件中进行了电磁仿真,数值计算结果和有限元仿真结果较好的吻合。此外,对影响电容式RF MEMS开关插入损耗的因素进行了分析,结果表明,高阻抗的衬底、200μm左右的导体宽度、较小的导体厚度以及较小的up态电容能够降低开关的插入损耗,提高开关的射频性能。     

MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析（英文）

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400,80,50,1000和80μm时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

新型双阈值高g值MEMS惯性开关（英）

在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下,为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关,其主要包括能够识别两种典型加速度环境（载荷1:15 000g-300 ms,载荷2：3000g-3 ms）的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移,进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化,仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开,而在载荷2环境下可靠闭合。     

新型双阈值高g值MEMS惯性开关（英）

在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下,为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关,其主要包括能够识别两种典型加速度环境（载荷1:15 000g-300 ms,载荷2:3000g-3 ms）的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移,进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化,仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开,而在载荷2环境下可靠闭合。     

宽带高增益双层硅基MEMS微带天线阵列（英文）

针对传统微带天线带宽窄和增益低等问题,设计了一种易与射频(RF)前端集成的硅基微带天线。该天线设计结合MEMS工艺,将高阻硅和低阻硅通过键合工艺形成双层硅基底,来改善微带天线介质基板的等效介电常数,有效增大了天线的带宽。同时通过在地面引入缺陷地结构(DGS),有效的抑制谐波的产生。在此基础上设计了中心频率为10 Hz,2×2天线辐射阵列。仿真结果表明,天线相对阻抗带宽达到15.9%,增益超过10.9dB,比传统微带天线有明显提升,同时满足引信中天线抗干扰的要求。     

MEMS环形谐振器椭圆模态中的锚损分析（英文）

环形谐振器是微机电系统(MEMS)谐振器中典型结构之一。其中,椭圆模态是环形谐振器面内振动的一阶模态,也是使用最为普遍的模态。以降低谐振器振荡时的锚损为目标,以有限元分析为技术手段,采用能量法对环形谐振器锚点的几何尺寸进行定量分析。分析结果表明,与研究者普遍认为的观点相反,谐振器锚点振荡模态的激发并不有助于提高谐振器的Q值。     

冲击环境下MEMS器件的弹性限位块设计（英文）

采用限位块可以提高MEMS器件的抗冲击性能,但由于冲击环境中MEMS结构与限位块的碰撞过程可能产生较大的瞬间冲击以致器件失效,用弹性限位块可以有效解决上述问题,但是其防护效果会受到限位参数的影响。为了得到限位块最佳设计参数,首先建立了MEMS器件的冲击动力学模型,提取了影响MEMS器件冲击响应的因素,进而分析了限位块弹性系数、限位距对冲击响应的影响;最后提出了限位块的设计方法并给出了最终设计结果。结果表明:设计弹性限位块需要兼顾限位效果和缓冲性能,同时减小限位距也可显著提高微器件抗冲击性能。     

基于石墨烯的光学控制窄带太赫兹开关（英文）

本文提出了一种光控太赫兹开关,该开关采用覆盖单层石墨烯的十字金属谐振器超表面。利用石墨烯表面电导率模型和有限元法计算了这种复合结构的光谱特性。模拟结果表明,在0.2 W/mm~2的光泵浦后,传输谱(调制深度为36.8%,Q-因子为250)出现了窄带共振衰减现象。另外,这种衰减的调制深度可以通过改变泵浦强度微调节。因此,光学可调谐太赫兹开关的设计将有助于太赫兹通信应用的功能组件开发。     

微环光开关的偏振相关损耗研究（英文）

提出一种可同时支持横电模和横磁模传输的微环光开关设计方法,可用于构建波长平面内的偏振无关交换芯片.为了实现微环光开关的偏振无关传输,横电模和横磁模应工作在同一谐振波长且在该波长处有相同的群折射率,据此采用MODE Solutions优化基于硅绝缘体波导结构的微环参数,建立Interconnect芯片仿真模型,考察微环光开关芯片的透射特性和传输特性.经过优化设计,微环光开关的偏振相关损耗低至0.13dB,光脉冲传输时延为42.5ps.研究表明,当微环长度偏离优化值约5nm时,偏振相关损耗就会增加到1dB,其中热光效应可以用来弥补工艺偏差,温度每变化1 K,则可弥补2.2nm的环长偏差.     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英文）北大核心CSCD

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。     

基于薄板样条插值法的MEMS陀螺仪温度补偿模型辨识（英文）

MEMS gyroscopes are widely used in the underwater vehicles owing to their excellent performance and affordable costs.However,the temperature sensitivity of the sensor seriously affects measurement accuracy.Therefore,it is significantly to accurately identify the temperature compensation model in this paper,the calibration parameters were first extracted by using the fast calibration algorithm based on the Persistent Excitation Signal Criterion,and then,MEMS gyro temperature compensation model was established by utilizing the thin plate spline interpolation method,and the corresponding identification results were compared with the results from the polynomial fitting method.The effectiveness of the proposed algorithm has been validated through the comparative experiment.     

螯合肥稳定性及结构表征研究（英文）

近年来,随着农业集约化程度的不断提高,农业面源污染与农田土壤修复已成为农业研究中的重要内容,传统无机盐肥利用效率低下,"高效、环境友好型"的螯合肥研究与应用受到广泛关注。随着国际新形势下对土壤修复、农业面源污染减控等方面的重视,以及人们对高品质农产品需求的增加,螯合肥能否对此起到积极的促进作用,需要我们结合其稳定性、结构表征进行综合分析,从而为高端肥料市场的发展提供理论依据与数据支撑。螯合物稳定常数指螯合肥产品中已络合部分的稳定程度,我们可通过数学运算,如生成函数、来腾函数和福劳内乌斯函数等计算络(螯)合物的稳定常数。虽然迄今尚未建立统一的螯合肥稳定常数(或螯合强度)的测定标准方法,但国内外学者在这一领域做了大量的工作。但目前大多数测定方法尚不成熟,在稳定常数(或螯合强度)的定量参照数值的确定上也存在争议,且分析测定的螯合肥的方法以氨基酸螯合肥居多,对于非氨基酸螯合剂生成的螯合肥,需要进行综合评判以寻求测定各类配位体螯合物的标准方法。其次,结构决定性质,结构的表征有助于螯合肥的定性分析、实验现象的机理分析以及检测方法的选择。对于螯合物结构表征的方法,首先考虑的是螯合物单晶体或是纯品,但对于带有少量杂质的螯合物而言,数据可靠的结构表征手段往往无法快速构建。因此,在综合国内外相关研究的基础上,系统总结了螯合物稳定性测定与结构表征技术的研究,重点探讨各种技术手段的优缺点,提出螯合肥研究的发展方向,以期为螯合肥的科学开发与有效利用提供理论基础。     

新型双阈值高犵值犕犈犕犛惯性开关（英文）

在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下,为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关,其主要包括能够识别两种典型加速度环境(载荷1∶15000g-300μs,载荷2∶3000g-3ms)的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移,进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化,仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开,而在载荷2环境下可靠闭合。     

液态金属凝固过程原子团簇结构表征的新方法（英文）

采用分子动力学方法对液态金属钠的凝固过程进行了模拟计算,运用团簇结构表征新方法――团簇类型指数法(CTIM)对凝固过程中的团簇结构进行了识别.为了阐明CTIM在识别团簇结构上的准确性和效率,将其与广为采用的Voronoi多面体方法 (VPM)进行比较.结果表明:当采用CTIM和VPM分别对液态金属钠凝固结构中的原子团簇结构进行表征时,它们所得到的微观结构特征是一致的.非晶态结构中,原子团簇类型的分布呈现明显的区段特征,每一区段都存在一种主要团簇类型,它们分别是二十面体或其缺陷结构.晶体结构中,体系形成以BCC团簇为主体的晶态结构.同时发现,VPM不易区分不同团簇构型之间的细微差别,不同构型的原子团簇可能被归为同种结构类型;而CTIM根据近邻原子之间相对位置关系,直接准确描述原子团簇的构型.不但由CTIM分析获得的凝固体系结构特征与VPM的分析结果一致;而且CTIM抓住了体系微观结构特征的主要方面,简化了团簇结构的表征形式,这在大尺度模拟体系的结构分析中将具有较高效率.