Casimir力作用下的纳米级静电执行器的Pull-in现象分析

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微机械系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)现已成为微电子技术的主要发展方向,各国都已投入资金展开研究,并在相关领域获得了比较成熟的技术和研究成果,随着器件尺寸的进一步降低,纳机电系统(Nano-electromechanical system,NEMS)应运而生,NEMS的尺寸在亚纳米到数百纳米之间,静电力驱动的纳米级执行器最重要的一个特征就是Pull-in现象,Pull-in现象使得两极板在静电力的驱动下,到达某一临界位置时,会发生吸和现象。当执行器尺寸下降到纳米级时,仅仅考虑静电力的作用是不行的,Casimir力的作用效果就会愈发的凸显出来。Pull-in现象现已被用来作为一种开关机制,所以,不管是理论研究方面,还是实际应用方面,得出纳米级执行器受到Casimir力作用下的Pull-in参数是十分必要的。本文首先介绍了MEMS和NEMS器件的相关理论和发展前景,针对纳米级执行器的Pull-in现象,对Casimir效应和Pull-in现象的机理进行了分析,本文分别通过力法和能量法推导出了当极板仅受到静电力作用情况下的Pull-in参数值,并在此基础上推导出了系统受到静电力和Casimir力共同作用时,以及仅受到Casimir力作用情况和仅受到静电力作用情况下的Pull-in参数值,并将三种结果进行了对比和分析,得出了纳米级执行器受到Casimir力影响的大小范围。本文重点分析了系统在受到Casimir力作用的影响下的动态Pull-in参数的大小范围,并分别针对未考虑阻尼情况和考虑阻尼情况进行分开讨论。为了得出器件尺寸对Pull-in参数的影响,本文通过计算推导并用Matlab进行仿真,直观准确的确定了器件在何种尺寸时就需考虑Casimir效应的影响。
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