基于ANSYS悬臂式RFMEMS开关力学模拟/疲劳分析

3．2 ANSYS模拟疲劳过程

ANSYS软件的疲劳计算是以ASME(美国机械工程师协会)锅炉和压力容器规范的第三部分作为计算的依据，用简化了的弹塑性假设和Miner(密勒)的累积疲劳总和准则作为指导方针[2]。在完成应力计算后进行疲劳计算，首先进入POSTl(通用后处理器)，在当前内存中读入数据库文件，然后确定疲劳计算的规模，输入材料的疲劳性质参数和确定需要进行疲劳计算的位置，紧接着储存应力，指定时间的循环次数和指定比例，这样就可以激活疲劳计算，得出一系列结果，如所经历循环次数和允许循环次数等。

3．3结果分析与讨论

根据所查材料的S-N参数，31，对上述三种模型利用ANSYS分析得到的结论如下：当最大位移为2gm时，模型I的可以循环次数为1．5E12，模型Ⅱ的为3E13，模型III的为2E13，可以看出驱动电压越小则开关的可循环次数越高，4l。我们对模型I流片进行了测试：当加脉冲激励频率为4Hz，幅度为28V时，开关寿命为10200次，这与用ANSYS分析出来的结果有比较大的差距，主要是在实际情况中还存在以下几种失效的影响：①摩擦失效，两个表面在工作中长期频繁的撞击接触并产生微小相对运动，产生的静摩擦力会导致表面的磨损，这种磨损导致结构表面变得粗糙或者产生凹坑、小碎片；②负载电流的影响，大多数研究认为，开关电流与开关寿命呈反比；③开关的热失效，MEMS接触式开关的两个金属表面之间长时间的频繁撞击接触，不仅使得接触处出现磨损，也使得接触点的温度上升；④实际工艺存在缺陷和不稳定性，使做出来的开关与理想的情况有一定差距，导致寿命下降。国外报道做得质量好的开关已经十分接近我们模拟的理论数据。

4 结论

ANSYS是一种用来模拟模型参数的非常有用的工具。从分析中得到的结论如下：驱动电压是影响开关寿命的重要因素，电压越小，则寿命越长。而驱动电压与开关的电极面积、杨氏模量、悬梁厚度都有关系。上下电极耦合接触面积越大，则驱动电压越小，这与已报道的理论分析结果是一致的。另外可以看到，驱动电压随着杨氏模量和悬梁厚度的增大而增大。有了上面的数据分析结果，我们可以对模型H的尺寸参数做进一步修改，也可以选用杨氏模量不同的材料，从而使其性能更加优良。通过第一步力电耦合，得到了开关节点力的分布情况，然后进行疲劳分析，得出了三种开关在疲劳之前分别可以循环的次数，可以看出，驱动电压越小，则次数越长。根据模型I流片测试得出次数最好为10200，与模拟结果有一定差距，主要是实际实验中开关还要受到摩擦失效、开关的热失效、负载电流的感应效应及工艺不稳定性等因素的影响。另外，测试的驱动波行使用双脉冲可以减少介质充电对寿命的影响。