Accurate Determination of Pull-in Voltage for MEMS Capacitive Devices with Clamped Square Diaphragm

در طراحي المان‌هاي الكترواستاتيك تعيين دقيق ولتاژ شكست حياتي مي‌باشد. در اين مقاله يك حل عددي براي تعيين دقيق‌تر ولتاژ شكست براي ادوات ممزي خازني با ديافراگم مربعي از اطراف بسته، ارايه شده است. در اين روش از تركيب نيروي الكترواستاتيك خطي شده و خميدگي غيرخطي ديافراگم استفاده مي‌شود. ساختار خازني با استفاده از ديافراگم پلي سيليكوني كم‌استرس با ضخامت 0.8 ميكرومتر، سطح 2.4 ميلي‌متر مربع، فاصله‌ي هوايي 3 ميكرومتر و صفحه زيرين با ضخامت يك ميكرومتر طراحي شده است. با استفاده از معادله‌ي رياضي مقدار ولتاژ شكست 6.85 ولت به دست آمده است. از آناليز اجزاي محدود مقدار 6.75 ولت براي ولتاژ شكست حاصل شده است. بنابراين مقدار به دست آمده از معادله‌ي ارايه شده بسيار نزديك به نتايج آناليز اجزاي محدود مي‌باشد.

Accurate determination of the pull-in, or the collapse voltage is critical in the design process. In this paper an analytical method is presented that provides a more accurate determination of the pull-in voltage for MEMS capacitive devices with clamped square diaphragm. The method incorporates both the linearized modle of the electrostatic force and the nonlinear deflection model of a clamped square diaphragm. The capacitor structure has been designed using a low stress doped poly silicon diaphragm with a proposed thickness of 0.8 ?m and an area of 2.4 mm2, an air gap of 3.0 ?m, and a 1.0 ?m thick back plate. The value of pull-in voltage calculated using equation is about 6.85V and the finite element analysis (FEA) results show that the pull-in occurs at 6.75V. The resulting pull-in voltage and deflection profile of the diaphragm are in close agreement with finite element analysis results.