用于MEMS惯性开关的微弹簧有限元动力学分析

　　1　引言

　　随着电子工业技术的不断发展,基于微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)的微型器件表现出越来越广的发展前景,而其中的微惯性开关因被广泛地应用于玩具、汽车及众多工业领域,已逐步成为人们研究的热点[1-3]。作 为一种非常重要且典型的MEMS器件结构,微弹簧自然也是微型惯性开关中最常用而重要的力学机构之一。因为在微型器件中微弹簧不仅可以提供弹性力,而且能 传递能量,所以它的性能对整个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,微弹簧的形状大多以平面结 构为主,弹性常数是其设计加工过程中一个非常关键的参数,直接关系到微弹簧各项性能能否正常发挥。相对于结构简单的微弹簧,许多实际应用的复杂结构微弹簧 无法用解析的方法给出其弹性系数计算公式,因而目前普遍采用有限元模拟方法进行分析。然而,以往的报道大都是对微弹簧进行静力学下的有限元分析,何光、石 庚辰[4]472-473[5]159-160和李文军[6]分别对MEMS平面W型弹簧和蛙腿型弹簧弹性系数进行了静力学下的解析建模和仿真分 析,Lishchynska M[7]和Fukushige T[8]等则分别研究了直梁型微弹簧和锥型弹簧结构形状参数对静电力作用下器件性能的影响。而实际的微器件,尤其是微型惯性器件常常要在工作环境中经受较 大的振动冲击,因此,对微弹簧结构在动态载荷下的弹性常数进行分析更具有工程实际意义。本文在设计MEMS惯性开关的基础上,应用ANSYS10.0软件 对其微弹簧机构进行有限元动力学分析,得到其端部最大位移,根据Hooke定律求得弹性常数,经过多组模拟计算得出该类型微弹簧动载荷下的刚度特性和易损 部位,为后续的微加工优化设计提供依据。

　　2　惯性开关结构设计及其微弹簧参数

　　在微机电系统(MEMS)中,依靠惯性驱动的微型电学开关常以“弹簧—质量块”模型实现其功能[4]472-474。这一“弹簧—质量块”系统可以表示为具有有限质量m的质量块和一个无质量的、弹性系数为k的弹簧,当其受到加速度¨x作用时,控制方程为

　　式中,x为弹簧端部在加速度方向上的位移,β为阻尼系数。在图1a和图1b分别表示“弹簧—质量块”系统受到水平、垂直加速度作用后的运动情 况。据此工作原理,可设计总长度约2mm的镍质微型惯性电学开关,如图2所示,其中图2a为水平方向惯性驱动,图2b为垂直方向惯性驱动。在图2a中当整 个系统受到水平方向足够大的加速度作用时,作为电极之一的质量块,将与另一挡块电极碰撞接触,随之电路被接通;同理,当图2b中系统受到垂直向下足够大的 加速度作用时,电路也将导通,两种驱动方式的惯性开关中,其质量块电极都是由相同的四根图3所示的微弹簧连接并悬空起来的,在此单根微弹簧结构中a为微弹 簧线宽,b为微弹簧直梁长度,h为微弹簧厚度,r为微弹簧半圆弯部内径。