基于小波多尺度的无网格RF微器件建模研究

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RF微器件的制造融合了微加工、集成电路SI工艺等各种技术,其在工作中又受到多种物理因素(如初始应力、机械接触、温度、热弹性、电磁效应、高度)的耦合影响,因此其计算模型的建立和求解面临很大挑战。为了准确预测耦合效应下RF微器件的动作特性,近年来研究人员采用多种方法研究不同物理场之间的耦合机理,探寻快速分析与模拟RF微器件动作的方法,相继建立了能较全面描述多物理场耦合效应下RF微器件动作特性的有限元模型,但这种模型涉及大量自由度。本文以两种典型的RF微器件——静电驱动电容式开关和扭转微镜为研究对象,对其在多物理场耦合效应下的求解模型,算法理论和求解过程等方面进行了研究。本文给出了新的以较少自由度全面描述RF微器件动作特性的,基于无网格法的数值模拟计算格式和算法设计,实现了对RF微器件机械和电学性能的数值模拟,并与实际试验模型结果进行比较,优化了器件设计。同时,从另一个角度对RF微器件的仿真方法进行了补充、完善和提高。本文针对RF微器件多物理场耦合效应下的求解模型这一问题进行了一系列研究,主要的研究内容和创新成果如下:1、针对静电驱动电容式开关多尺度结构,提出了以小波尺度函数为形函数的一维无网格伽辽金法(Wavelet-EFG)求解模型;以无网格法的点适应性代替网格自适应性离散模型的控制方程,进行插值运算;解决了在一维结构分析中施加边界条件问题。实验证明该方法离散控制方程的过程直接,实现离散方程的算法简洁,提高了获取开关Pull-in电压的准确性。2、在考虑电容边缘场影响的情况下,针对光通信转换器件-扭转微镜多尺度结构,提出了以小波多尺度函数为形函数的无网格再生质点法(Wavelet-RKPM)求解模型;采用机械场-电场分步耦合的方法进行插值运算,求解控制方程;通过多尺度RKPM自适应算法来得到更精确的局部解。实验证明该方法简洁,易于算法实现。3、进行了微结构层面上基于小波多尺度函数的耦合域多尺度分析研究。根据需要改变分析尺度,实现局部化分析。该方法可以对开关和扭转微镜的临界电压、临界转角场函数梯度变化大的区域采用小的分析尺度,获得这两个参数更多的信息。该算法数值稳定性好,运算速度快,求解精度高。
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