MEMS微型柔性力-位移传动机构设计

　　0　引言

　　宏观尺度下的机械部件广泛采用齿轮、螺旋、带/链、凸轮以及连杆机构等实现驱动系统与负载系统之间力和位移的传递。在微机电系统(MEMS)尺度下,由于微执行器的输出位移和输出力都比较小,为了满足实际需要,也需要通过中间传动机构实现力和位移的调节[1]。MEMS尺度下的放大机构与宏观尺度下的放大机构有很大的不同。一方面,由于微小的器件尺寸难以操作,要求尽量减少装配工作甚至免装配;另一方面,微细加工所加工器件的相对尺寸精度只有10-2,使得要求具有精密间隙的旋转铰链结构和齿轮结构等加工非常困难[2]。因此,MEMS尺度的位移-力转化机构多采用柔性机构[3]。这种机构可以制造成平面结构,适合用MEMS工艺与微执行器集成加工[4],成为扩展MEMS微执行器应用领域的一类重要器件。　微杠杆作为一种柔性铰链机构,可以用来调整微执行器件的力和位移[5]。在MEMS尺度下的微杠杆结构中,旋转形式的铰链被有一定柔度的细长梁代替,因此其设计分析方法与传统杠杆机构不同。

　　本文设计了一种对电热微执行器位移进行放大的两级柔性杠杆结构,用简化解析模型和有限元方法对其进行了分析,用深层反应离子刻蚀(DRIE)技术加工了样机,并进行了静态测试。

　　1　结构设计

　　1.1　刚体模型

　　宏观机构中常用的刚体-旋转铰链结构的位移放大机构模型如图1所示。两级杠杆机构通过连杆和转动铰链实现连接,在输出端将产生大于微杠杆输入位移的移动距离d。

　　忽略铰链的摩擦损失,放大机构的理想放大倍数N计算如下:

　　而相应的输出力将减小为输入力的1/N。

　　由于MEMS加工工艺在制造精密的旋转铰链时存在较大困难,因此,多采用柔性支撑梁来代替(图2)。而柔性梁变形时需要消耗一部分输入能量,将使输出位移产生损失,减小有效放大倍数。有限元分析结果表明,随着柔性梁长度和宽度的变化,放大倍数的减小量也不同,但均小于理想状况下的刚体模型计算的放大倍数。

　　1.2　柔性机构分析

　　柔性位移放大机构的分析不同于传统刚体模型结构。根据文献[5]中的假设,可以得到二级位移放大机构的力学简化模型,如图3所示。在杠杆机构中,一般将与输出端相连的一级称为第一级,与第一级相连的为第二级,并依次类推[5]。当微杠杆输出端无阻力作用时,在小变形并忽略摩擦力以及横向效应的条件下,对于第一级,可以列出力和力矩平衡方程[6]:

对于第二级,输出端受到力F1的作用,此力等于第一级输入端的驱动力,如图3b所示。列平衡方程为