高g值冲击条件下射频微机电悬浮电感多场耦合机理研究

The purpose of the project is to explore the multi-field coupling mechanism for the radio frequency micro-electro-mechanical suspended inductor under high-g shock, which belongs to the crossed fields of shock dynamics and electromagnetics. Based on the analysis of elastic-plastic strain and dynamic response, the relationship between the RF MEMS suspended inductor structure and the RF performance under high-g shock is revealed. The main research contents of the project include: (1) dynamic response of RF MEMS suspended inductor microstructure under 100,000 g shock; (2) coupling relations between the stress field and electromagnetic field, and coupling mechanism of the mechanics-RF performance of the suspended inductor under 100,000 g shock; (3) variation rules of RF performance under 100,000 g shock and equivalent model establishment of RF MEMS suspended inductor. This project provides theoretical foundation for the quantitative analysis of RF MEMS inductor reliability and anti-overload design under high-g shock load, which has very important significance for the RF MEMS suspended inductor application under high-g shock.

本项目针对10万g冲击条件下射频微机电（RF MEMS）悬浮电感微结构开展研究，属于微系统、微结构的动力学和电磁耦合交叉研究范畴。本项目从RF MEMS悬浮电感微结构的弹塑性应变和动力学响应出发，通过多物理场耦合理论，揭示高g值冲击加载对RF MEMS悬浮电感结构与射频性能的影响规律。研究内容包括：（1）研究在10万g加速度冲击加载条件下，RF MEMS悬浮电感微结构动态力学响应；（2）研究在10万g加速度冲击加载条件下，RF MEMS悬浮电感应力场与电磁场耦合关系，研究RF MEMS悬浮电感力—射频性能耦合机理；（3）研究在10万g加速度冲击加载条件下，RF MEMS悬浮电感射频性能变化规律，建立RF MEMS悬浮电感在该条件下的等效模型，对悬浮电感射频性能进行冲击实验测试。本项目研究为高g值冲击条件下RF MEMS电感作用可靠性的提高和性能优化提供理论基础，对MEMS悬浮电感在高g值冲击条件下的应用有着重要意义。

本项目研究高g值冲击条件下RF MEMS悬浮电感微器件动力学与电磁的交叉耦合问题，从机理上揭示高冲击载荷对结构和射频性能的影响规律，具有重要理论意义和应用价值。.首先，研究了RF MEMS悬浮电感微结构在冲击环境下的动力学响应。在分析10万g加速度加载下悬浮电感微结构受力情况和弹塑性形变基础上，建立RF MEMS悬浮电感的分段多体动力学等效模型，计算悬浮电感在冲击环境下的绝对加速度响应和绝对加速度冲击响应谱；根据RF MEMS悬浮电感线圈经受的加速度载荷来计算结构中的应力和变形，仿真结果表明10万g下线圈最大等效应力和最大形变计算与仿真结果之间的相对偏差不超过3.1%。.其次，研究了RF MEMS悬浮电感力—射频性能耦合机理。通过将电感线圈导线看作一系列电偶极子串联，将电磁场计算问题转化为多层介质中的电磁场求解问题，计算得到电感在冲击环境下的射频特性，理论计算结果表明与HFSS软件仿真结果相一致。进一步给出形变过程对应的悬浮电感线圈电磁场变化规律，为RF MEMS悬浮电感在高g值冲击条件下的设计与优化提供理论基础； .最后，在传统平面螺旋电感单π模型基础上加入表征线圈与氧化绝缘层之间空气层的空气层电容，建立了RF MEMS悬浮电感单π集总参数模型；完成RF MEMS悬浮电感器件制备加工；开展RF MEMS悬浮电感的冲击实验，通过对冲击实验前后的RF MEMS悬浮电感S参数提取，得到冲击前后电感π模型各参数的变化规律，分析了6万g加速度和10万g加速度冲击作用后射频性能的变化规律。结果表明冲击对电感性能的影响主要体现在串联电容及衬底耦合电容增大导致的电感储存电场能的提升，以及衬底耦合电阻降低导致的衬底损耗的增大。这些均导致电感损耗的增大，储存磁能能力的下降，从而体现在其质量因数Q值的降低。本项目研究结果对RF MEMS悬浮电感在高g值冲击条件下的应用具有重要的指导意义。