基于MEMS技术的平面W型微弹簧刚度特性研究

　  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[1-2].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.

由于受微机械加工工艺特点的限制,目前由DRIE,LIGA和UV-LIGA等MEMS加工技术制造出来的微弹簧大多是平面结构[3-4],而W型是一种具有代表性的微弹簧,并将在特定的微机电系统中起到关键作用[5].在设计及加工过程中其弹簧常数是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,但目前尚无有关平面W型微弹簧刚度与其结构参数(如弹簧宽度、线宽和厚度等)内在关系的研究报道.因此,目前在设计微弹簧时,为了达到性能要求,需进行大量仿真计算和测试验证工作,这不仅延长了设计周期,加大了费用支出,而且使设计过程更加繁琐.

作者运用力学中的能量方法———卡氏第二定理[6],对线弹性各向同性的平面W型微弹簧建立了力学分析模型,通过理论分析推导出其弹簧常数计算公式.该公式建立了平面W型微弹簧刚度与其结构参数、材料特性的定量数学关系表达式.通过利用MEMS工艺加工而成的平面W型微弹簧的拉伸实验验证了弹簧常数计算公式的正确性,并利用有限元仿真软件———ANSYS对其刚度特性进行了模拟分析,仿真结果与公式计算结果一致性很好.在推导出的弹簧常数计算公式计算及ANSYS仿真分析的基础上,得出了平面W型微弹簧各结构参数对其刚度的影响规律.

1　W型微弹簧常数计算公式推导

1·1　基本结构

利用MEMS工艺之一———准LIGA工艺加工成的镍质平面W型微弹簧如图1所示,其总长、宽、厚分别为1·94,1·1,0·3 mm.

因为其结构具有对称性,由材料力学可知,在线弹性范围内,每节微弹簧对应点的受力及变形情况完全相同.因此,可先对一节W型微弹簧力学特性进行分析,然后再推广得到n节的特性.用于分析的一节该微弹簧的结构形式及结构参数如图2所示.

图中:b为线宽;d为梁间距;L为单元梁长度;θ为弯梁夹角(0<θ<π);R1为簧中部弯梁内侧圆弧半径;R2为簧端部弯梁内侧圆弧半径(R2

1·2　力学模型及公式导出