Д.И. Остертак, К.Г. Пельменев Новосибирский государственный технический университет При разработке электростатических микроэлектромеханических систем (МЭМС) возникает необходимость в определении электрической емкости и электростатических сил, действующих между различными частями конструкции. Обычно для этого используются аналитические выражения, не учитывающие влияние краевых эффектов, либо численные методы, которые их учитывают, но требуют больших затрат времени и мощной компьютерной техники, что значительно усложняет дальнейшую оптимизацию МЭМС, где желательно иметь быстрые и наглядные методы расчета. Поэтому аналитические выражения, позволяющие оценивать емкости и силы с достаточной для практических применений точностью, представляют большой интерес. В данной работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований электростатических взаимодействий в МЭМС с плоскопараллельными электродами в 2D-приближении, с учетом относительного смещения электродов. Методом конечных элементов рассчитаны зависимости емкости и силы от величины межэлектродного зазора, толщины электродов и их относительного смещения (изменения площади перекрытия электродов), на основе чего получены аппроксимационные формулы для расчета емкости и тангенциальной составляющей электростатической силы с учетом краевых эффектов. Показано хорошее совпадение экспериментальных и теоретических результатов, оценены пределы применимости полученных формул.Ключевые слова: МЭМС, плоскопараллельный конденсатор, электрическая емкость, электростатическая сила, краевые эффекты, метод конечных элементов, аппроксимационные формулы.
ВведениеПри разработке и проектировании электростатических микроэлектромеханических систем (МЭМС) возникает необходимость в определении электрической емкости и электростатических сил, действующих между различными частями конструкции с отличающимися потенциалами. Как правило, для этого используется классическая формула емкости идеального плоского конденсатора (ИПК), не учитывающая, однако, влияние краевых эффектов, которое значительно усиливается с увеличением расстояния между электродами.Использование численных расчетов, таких как метод конечных (МКЭ) или граничных (МГЭ) элементов, позволяет рассчитать емкости и силы в МЭМС с учетом краевых эффектов. Подобные методы, однако, требуют больших временных затрат и мощной компьютерной техники, что значительно усложняет дальнейшее проектирование и оптимизацию МЭМС, где желательно иметь быстрые и наглядные методы расчета. Особый интерес представляют аналитические выра-Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания, шифр проекта 8.6847.2017/БЧ, тема проекта «Разработка теоретических основ построения измерительного оборудования для телекоммуникационных систем, содержащего мощные СВЧ аттенюаторы, полосовые фильтры с заданными частотами режекции и микрополосковые печатные антенны» .Д.И. Остертак, К.Г. Пельменев 8 жения, позволяющие рассчитывать емкости и силы с достаточной для практических приме...
