射频微机电（RF MEMS）开关是射频系统中的一种机电元件,通常由一个微机械桥或悬臂、一个衬底，一个电极或一层电介质组成。这些器件可以在射频频率下开关，往往具有高隔离性，如开关闭合时的功率损耗；低嵌入损耗（开关开启时的信号功率损耗),以及极低（几乎为零）的功率消耗。接下来，让我们来看看如何使用 COMSOL Multiphysics 模拟 RF MEMS 开关。
电容和接触力分析
COMSOL 模型库中的RF MEMS 开关模型演示了如何模拟和分析开关运行过程中出现的接触力和电容变化。开关的几何结构包含一个由方形多晶硅板制成的薄层微机械桥。方形板悬挂在厚度为 0.1µm 的氮化硅薄膜上方 0.9µm 处。薄膜下面是一个接地的对电极。
这个模拟的主要目标是近似计算电桥与薄膜接触所需的时间，以及电桥完全吸合时开关的电容。使用 COMSOL 建立的几何模型包含带挠曲（固定在四个角的固定片）平板，并使用一个通过改变桥和薄膜之间的间隙来改变介电常数的函数来模拟氮化硅薄膜模型。当电桥压入薄膜时，模拟间隙的网格就会压入氮化物层。
由于开关是对称的，所以我们只需要对几何体的一个象限进行建模：
使用 COMSOL Multiphysics 与MEMS 模块模拟的 RF MEMS 开关的几何结构。
在这样的开关中，电桥通过向下拉动薄膜对施加的电势和电压作出反应。随着电压的增加，电桥向薄膜弯曲得越来越近，导致器件的电容急剧增加。我们使用一种罚函数法来模拟电桥和薄膜之间的接触，这是一种可以帮助描述系统中发生的力的求解算法。
RF MEMS 开关模型
我们想了解电桥在关闭间隙时是如何弯曲的，并想知道它在两种配置下的电容。下图显示了开关操作的示意图以及在 “闭合”和 “开启”状态下的模型几何结构。
左图为显示开关操作的原理图；右图为开启开关时的位移（彩色）以及开关在闭合状态下的原始位置（线框）。
这个开关位于器件和交流电源之间。当开关闭合时（上图左上角），它的小电容对交流信号来说就像一个开放的电路。当在交流电压的基础上施加直流电压时，硅板被拉到隔离氮化物薄膜上，开关打开（上图左下方）。在这种配置下，电容要大得多，开关对交流信号来说就像一个闭合电路。
我们可以将氮化物薄膜的表面建模为一个非线性弹簧，当电桥和薄膜之间没有接触时，“刚度”较低；但随着电桥向薄膜靠近，间隙缩小，“刚度”增加。已知或近似估计这个弹簧常数，就有可能计算出导致电桥吸合并接触薄膜的电压；这个电压被称作吸合电压。
下面是当电桥接近薄膜时，电容的变化：
随时间变化的开关的电容曲线图，随着电压的增加而变化。
电容在最初的 30µs 内保持相当稳定，然后突然跳跃。此时，桥的大部分与薄膜接触。这里的位移是 0.9µm，所以电桥已经完全闭合了它们之间的间隙。几乎在电容显著增加的同时，位移也出现了类似的飞跃：
随时间变化的位移曲线图。
事实证明，由于间隙的介电常数不均匀，电容的变化比位移更快。
延伸阅读
- 从 COMSOL 模型库下载RF MEMS 开关的吸合模型，查看详细的步骤说明，尝试自己动手模拟。
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