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摘要 

微机电系统（MEMS）开关是一种常见的器件，利用微米级结构的静电驱动来打开或关闭电接点。本文演示了Whoscored中文官网MEMS Studio集成OOFELIE多物理场软件在MEMS开关建模方面的能力。文中提出了各种静态和动态仿真案例，包括拉入分析、坍塌行为和灵敏度研究。耦合的机电仿真准确捕获了器件中的微观物理效应和不稳定性。结果验证了OOFELIE在MEMS开关的设计、可靠性评估和故障分析等方面进行全面建模的能力。

导言 

MEMS开关由微米级的悬臂梁、桥梁等可移动结构组成，利用静电力使其下拉来打通或断开电接点。当施加足够高的电压在移动结构和固定底电极之间时，静电压力会使结构下拉接触从而“关闭”开关。MEMS开关具有低功耗、高隔离度和射频应用中的低插入损耗等优点。但是，需要通过多物理场建模改进设计，以克服黏附、疲劳和电荷积累等可靠性挑战。

模拟MEMS开关行为需要捕捉电学、机械和流体物理之间在微观尺度的复杂相互作用。随着施加电压增加，狭小空气间隙中的非线性静电压力分布会与变形的MEMS梁的结构力学相耦合。这种耦合的电机效应会在临界“拉入”点导致不稳定。拉入后，接触力学、短路和附着会影响开关可靠性。本文利用OOFELIE软件演示了对这些丰富多物理场行为的建模，该软件是一种集成的微系统多物理场仿真工具。

图1：MEMS开关示意图 

拉入分析 

MEMS开关操作最关键的方面是拉入不稳定性，这会使结构下拉关闭开关。OOFELIE可以利用耦合的电机建模准确进行拉入分析。该软件基于静力Riks-Crisfield算法计算的非线性位移-电压曲线峰值来确定拉入电压。OOFELIE还可以提取拉入时的模态形状，主要为刚性体绕锚固点的旋转。

为进行高效仿真，可以使用简化的静电压力模型，而不是狭窄空气间隙中的全三维静电分析。OOFELIE实现了两种方法。结果显示两者在1微米间隙下高度吻合，验证了简化模型的合理性。使用简化模型可以获得10倍或更高的计算速度提升。

图2：拉入电压仿真

图3：5微米和1微米间隙下的模型比较

除拉入电压外，OOFELIE还可以确定阶跃电压加载下的动态拉入时间。灵敏度分析可以定量化拉入时间随设计参数（如梁刚度）的变化，有助于考虑制造变异的可靠性设计。

图4：拉入时间灵敏度分析

坍塌和接触 

在拉入后，电极会坍塌并接触底面以关闭电连接。OOFELIE将电机仿真与多物理场接触模型相耦合来捕捉这种行为。每个时间步长上的接触压力、间隙和电位都是迭代求解的。模型考虑了短路和接触界面中的电流流动。还可以包括附着力进行黏附评估。

图5：坍塌仿真

结论 

本文展示OOFELIE可以准确高效地模拟支配MEMS开关操作的耦合电机效应。自动拉入分析、坍塌建模、灵敏度研究和多物理场分析可以捕捉关键的器件行为和故障模式。OOFELIE集成的MEMS解决方案涵盖设计、优化和可靠性评估，可以帮助公司开发更可靠的开关，减少原型迭代，加速上市。微机电系统多物理场建模的持续进步将推动仿真深度融入开发工作流。