基于硅隔离衬底的高深宽比微型杠杆机构研究

　　微执行器是微机电系统(MEMS)中的一类重要器件,它和微传感器、微处理器共同构成具有感知识别、分析判断以及动作执行等功能的集成智能微系统[1].但是,由于尺度的限制,微执行器的输出位移一般都比较小[2],因此往往需要通过位移放大机构对位移进行放大.

　　受尺度效应的影响和MEMS加工方法的制约,MEMS中可用的放大机构形式远远少于宏观尺度中能用的机构形式.常见的放大机构形式有齿轮机构[3]、直线电机[4]和冲击驱动结构[5]等,但在一些对响应速度要求较高的场合,这种以牺牲时间来换取位移增大的方法不能满足使用需要.柔性放大机构[6, 7,8]是一种对微执行器的微位移进行放大的解决方法,柔性放大机构分为全柔性机构[9]和柔性铰链或微杠杆机构[6,7,10],具有无摩擦、不需润滑、无迟滞、不需要维护等优点[8],因此适合用MEMS技术进行加工,而且容易集成,并有望成为解决微观驱动和宏观负载之间匹配关系的一种关键器件.但是,由于受到尺度定律和制造工艺的限制,微型柔性放大机构在微机电系统中还远没有得到广泛的应用,因此还需要进一步对这种机构进行深入研究.

　　1　微型杠杆机构的设计

　　1·1　微杠杆理论分析

　　微杠杆是一种柔性机构,它依靠结构中柔性梁的弹性变形来传递位移和力.这种机构的结构形式适合用MEMS尺度来对力和位移进行必要的调整,以使它满足输出系统的需要,但是相关的设计理论还比较缺乏[7].因此,对用于位移放大的微杠杆机构进行解析分析有助于了解其工作原理和影响性能的因素等信息.

　　把本文设计的微型杠杆机构用于放大微执行器的位移,机构由2级放大机构和负载系统组成,如图1所示.当在输入端施加一定的位移和作用力时,推动第2级的杠杆臂和作为支点的柔性梁发生弹性变形,通过第1、2级杠杆之间的连接梁,拉动第1级微杠杆,从而带动负载向下运动(见图中方向).图2a给出了2级微型杠杆机构的变形图.

　　整个机构用一层单晶硅材料制作,固定支座的底部通过一层二氧化硅与衬底相连,单晶硅的线弹性区远远大于一般金属[11],因此微杠杆机构在正常工作范围内可以认为是完全弹性变形.由于设计的杠杆臂宽度是柔性梁宽度的20倍,因此可以假设它为理想刚体[12].

　　单级杠杆机构是组成多级放大机构的基本单元.在杠杆机构中,一般将与输出端相连的一级称为第1级,与第1级相连的为第2级,并依次类推[6].以图2a所示的第1级微杠杆为例,其简化的物理模型如图2b所示.设输出系统不受外力作用,第1级位移放大微杠杆机构的放大倍数是输出位移do与输入位移d1之比,因此第1级微杠杆机构(见图2a)的放大倍数为