MEMS弹簧特性的有限元分析

　　1 引言

　　微弹簧是一种非常重要且典型的MEMS(MicroElectro- Mechanical Systems)器件, 是微传感器、微执行器和微陀螺仪等的重要组成部分, 它不仅可为其提供弹性力, 而且能够传递能量。即微弹簧的性能对其它器件能否按照设计要求正确发挥作用起着至关重要的作用。目前,由于受微机械加工工艺特点的限制, 微弹簧的形状大多是平面结构, 弹性常数是其设计及加工过程中一个非常关键的参数, 它直接关系到微弹簧的各项性能能否正常发挥。对于结构简单( 如悬臂梁型) 的微弹簧, 很容易推导出计算其弹性常数的公式。而精确推导结构复杂微弹簧的弹性常数的计算公式很难, 因而目前普遍采用有限元模拟方法来分析其弹性常数, 同时, 可作为验证理论推导出的公式合理与否的有益参考。

　　ANSYS 程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化软件包, 主要以有限元算法为基础, 根据机械结构系统受到外力负载所出现的应力、应变、位移及温度等反应, 确定机械结构受到负载后的状态, 进而判断是否符合设计要求。ANSYS 软件已广泛应用于机械、电机、土木、电子和航空等领域, 都能达到一定的可信度。

　　本文以镍质平面 S 型 MEMS 弹簧为研究对象, 利用ANSYS 对其进行了结构线性静力学拉伸模拟计算, 得到其伸长量, 根据虎克定律求得弹簧常数, 经过多组模拟计算得出了该类型微弹簧的刚度特性及易损部位, 为优化设计提供了依据。通过对其进行实际拉伸实验验证了模拟计算的正确性。

　　2 MEMS 弹簧结构形式及参数

　　利用LIGA 或UV- LIGA 等MEMS 工艺加工成的平面 S 型微弹簧的平面结构形式及结构参数如图1所示。其中: W- 微弹簧直梁宽度; H- 微弹簧线宽; Q- 微弹簧直梁间距; r- 端部内弯半径 (r=Q/2); R- 端部外弯半径(Q/2+H); D- 微弹簧厚度。

　　3 MEMS 弹簧有限元分析过程

　　MEMS 弹簧有限元分析过程如图2 所示。

　　3.1 有限元模型的建立

　　由ANSYS 待分析的微弹簧结构参数见表1。

　　考虑到平面S 型微弹簧的结构较复杂, 为了既建模、分析简单, 又使有限元计算结果准确, 故采用 1:1比例建立微弹簧三维有限元模型。先建其厚度方向上的横截面并用 PLANE82 单元对其划分网格, 然后, 在其厚度方向上将其拉伸成若干 SOLID95 单元, 从而形成有限元实体模型。具体步骤:

　　(1)进入 ANSYS 后设置计算类型为 Structural。由于微弹簧尺寸在毫米量级, 所以输入参数值的三个基本单位选定为长度是微米(μm), 质量是公斤(kg), 时间是秒(s), 其它单位是它们组成的表达式。