Разработка конструктивно-технологического варианта радиочастотного микропереключателя

,

где k – коэффициент жесткости балки; E – модуль упругости; J – момент инерции поперечного сечения балки; l – длина упругой балки.

Момент  инерции вычисляется по формуле:

 

где b_п– ширина упругого подвеса, c_п – толщина упругого подвеса.

Модуль  упругости Eдля алюминия составляет

Тогда жесткость  подвеса:

.

Цилиндрическая жесткость пластины:

 

где ν - коэффициент Пуассона для алюминия (ν = 0.34).

Очевидно, максимальное перемещение соответствует  центру мембраны с координатами х = А/2; z = А/2.

Определим жесткость мембраны в  направлении оси у и частоту основного тона мембраны:

 

(Гц),

где т = Scnρ - масса мембраны (ρ -  плотность алюминия, равная ).

Напряжение  замыкания исполнительного элемента (для электростатического принципа активации):

(В),

где = м - расстояние между электродами, - относительная диэлектрическая проницаемость (принятая равной относительная диэлектрической проницаемости воздуха).

 

3 Анализ физико-механических характеристик радиочастотного микропереключателя в программном комплексе SolidWorks

SolidWorks-программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Это легкое в освоении средство позволяет инженерам-проектировщикам быстро отображать свои идеи в эскизе, экспериментировать с элементами и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи [4].

В разделе  приведены результаты конечно-элементного  расчета исполнительного элемента радиочастотного микропереключателя, рассчитанного на диапазон рабочих  частот до 6 Ггц. Результаты конечно-элементного  анализа необходимы для проверки правильности модели и расчетов, а  также наглядно демонстрируют напряженно-деформируемое  состояние исполнительного элемента радиочастотного микропереключателя.

В САПР SolidWorks была создана модель исполнительного  элемента радиочастотного микропереключателя вместе с подвесом – мембрана, размерами 400x400x6 мкм, закрепленная четырьмя упругими балками. Также был задан материал, из которого сделан исполнительный элемент, включая свойства данного материала. Материал мембраны – алюминий. Затем был произведено исследование на деформацию давлением величиной 1 МПа, направленное по нормали к поверхности. Опорой мембраны был выбран каркас подвесной системы, к которому мембрана крепится с помощью четырех упругих балок. Результат воздействия представлен на рисунках. Деформация перемещения мембраны на рисунке2 и рисунке 3.

 

Рисунок 2 - Деформация перемещения мембраны. Вид сверху

Рисунок 3 - Деформация перемещения мембраны. Вид спереди

Как видно из рисунков в центре мембраны наиболее деформированная  область. Область мембраны рядом  с опорами менее всего подвергнута  деформации, то есть в этих областях наименьшие напряженияструктуры.

На рисунок 4 представлена упругая деформация мембраны под действием давления.

Рисунок 4 - Деформация под действием давления в 1 МПа

 

Наибольшей  упругой деформации подвергаются опоры  мембраны, а центральная часть  слабо подвергнута упругим деформациям, по сравнению с жесткими опорами  мембраны.

По результатам  моделирования в САПР SolidWorks модель исполнительного элемента емкостного датчика давлении является ударопрочной, так как выдерживает давление 1 МПа.

 

4 Заключение

В курсовой работе были рассмотрены радиочастотный микропереключатель, а также технологии изготовления МЭМС. Был проведен анализ принципа действия, конструкции и методов изготовления мембранного радиочастотного микропереключателя. Промоделирована конструкция исполнительного элемента с системой подвеса под влиянием внешних воздействий в САПР SolidWorks.

В результате проделанной работы был разработан мембранныйрадиочастотный микропереключатель контактного типа, имеющий широкий рабочий диапазон частот и температурную стабильность.

Проведен  расчет исполнительного элемента типового мембранного радиочастотного микропереключателя. Размеры мембраны 400х400х6 мкм. Прогиб центра мембраны составляет 265 мкм.

Произведен  анализ физико-механических характеристик  емкостного датчика давления в САПР SolidWorks. По результатам моделирования получено, что исполнительный элемент емкостного датчика давления является ударопрочным.

 

Список  литературы

1 http://www.electronics.ru/journal/article/809 - Л.Белов,М.Житникова.  Микроэлектромеханические компоненты  радиочастотного диапазона. Статья.

2. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. – М.: Техносфера, 2004.

3. Белов Л. Переключатели сверхвысокочастотных сигналов. – ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес; 2006, № 1, с. 20–25.

4. http://help.solidworks.com – основные принципы SolidWorks.

5. Борисов В.Ф., Лавренов О.П., Назаров А.С., Чекмарев А.Н. Конструирование радиоэлектронных средств. Под. ред. проф. А.А. Назарова. – М.: МАИ, 1996.

6. http://www.micromachine.narod.ru/tech.htm - технологии производства МЭМС.