减少阻力的MEMS初始位置定位机构设计与性能分析

　　定位机构是微机电系统(micro electromechanicalsystem,MEMS)中一个重要组成部分,用于实现其中某一部件在确定时刻按要求实现定位和解除定位功能.定位机构按实现的功能不同可分为初始位置定位机构和终止位置定位机构.对于初始位置的定位机构,要保证在预定的条件满足之前,被定位件不能运动;当预定的条件满足后,被定位件能解除定位约束而运动.终止位置定位机构则用于MEMS中某部件运动到预定位置后的定位.

　　在MEMS系统定位机构的设计中,多采用悬臂梁式的结构.这种悬臂梁定位机构基于悬臂梁在力的作用下发生弹性弯曲变形,当作用在悬臂梁上的力消失后,悬臂梁恢复原来的形状,从而实现定位功能.悬臂梁式定位机构可根据MEMS系统的结构特点和功能要求,灵活设计,而且结构简单,易于加工,因此在MEMS定位机构的设计中得到了广泛的应用[1-4].在MEMS系统中,悬臂梁式定位机构多与弹簧-质量系统结合起来设计,实现微小位移运动的启动条件判断、触点连接以及定位等功能[5-6].基于系统的要求和MEMS工艺的特点,悬臂梁式定位机构可设计成不同的模式.Greywall等[7]将悬臂梁设计在MEMS系统的基座上,运动件上则加工出锯齿状的结构,通过悬臂梁卡在锯齿状结构之间实现定位功能.Robinson等[8]将悬臂梁设计在运动件上,利用悬臂梁和基座上锯齿状结构的配合实现MEMS机构运动的定位.在一种终止位置定位机构的设计中,悬臂梁设计在基座上,运动件上加工出浅槽,通过运动件和悬臂梁的碰撞挤压变形使悬臂梁卡入浅槽实现定位[9].

　　笔者基于悬臂梁式定位机构的特点和MEMS系统的设计要求,设计了一种新型的初始位置定位机构.对初始位置定位机构进行了力学分析,建立了运动模型,为MEMS定位机构设计提供了理论基础.

　　1　MEM S初始位置定位机构原理和力学分析

　　MEMS初始位置定位机构的作用原理如图1所示[10].图1(a)中基座固定不动.平时质量块卡在悬臂梁中间,使滑块不能向上运动,实现初始定位功能;当MEMS系统满足一定条件(如质量块受到向下的力作用)时,使质量块向下运动,解除对悬臂梁的约束,如图1(b)所示;滑块在向上力的作用下向上运动,悬臂梁受基座的挤压发生弯曲变形,克服基座的约束阻力,从基座中拔出,如图1(c)所示,从而解除对滑块的初始定位.

　　要求出将悬臂梁拉出基座所需要的力,首先要求出悬臂梁与基座接触点的挠度计算公式.由于悬臂梁两边对称,因此只分析一边的受力变形情况即可,如图2所示.图中t1和h1为变截面梁的长度和高度;t2和h0为等截面梁的长度和高度.悬臂梁在与基座接触变形过程中,受到与基座面AB垂直的压力P和沿基座面的摩擦力f作用,摩擦系数为μ.在这两个力的作用下,悬臂梁产生弯曲变形.