第21卷 第2期传感技术学报 年2月&W-formMicro-SpringsBasedonMEMS*HEGuang*,SHIGeng-chen(NationalKeyLaboratoryofElectromechanicalEngineeringandControl,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)Abstract:S-formandW-formaretwokindsoftypicalstructureofplanarmicro-springsbasedonMEMS(MicroElectro-MechanicalSystems),&W-formmicro-springsbasedonMEMSbytheoryanalysis,-formmicro-springisstrongerthanthatofW-forminthecaseofthesamesizeofoutline,feature,thicknessandclearance,:MicroElectro-MechanicalSystems(MEMS);planarspring;springconstant;finiteelementmeth-od(FEM)EEACC:2575;0290T૫Sა૫WMEMSߞྟିбࢠ࣮*何 光*,石庚辰(Кࣘ۽ն࿐ࠏ۽ӱა॥ᇅݓࡅࠩᇗׄൌဒ൩,Кࣘ100081)ᅋ ေ:SაW൞૫MEMSߞᇏਆᇕׅ֥ࢲܒྙൔ,۲ሱࢲܒหׄ֝ᇁਔૌऎႵ҂֥৯࿐ྟିb๙ݖંٳ༅aٟᆇ࠹ෘބൌဒဒᆣٚمؓ૫ᇉSა૫WMEMSߞྟିࣉྛਔбࢠ࣮,֤ԛਔᄝဢ֥ຓকԄժࠣཌྷ֥ཌॺaި؇ބਃࡗए౦ঃ༯,૫Sັߞ֥ې؇նႿ૫Wັߞ֥ې؇֥ࢲં,ູMEMSߞ֥ࣉ၂҄Ⴊ߄ഡ࠹ิ܂ંҕॉbܱՍ:ັࠏ༢;૫ߞ;ې؇༢ඔ;Ⴕཋჭٚمᇏٳোݼ:TH702 ໓ངѓ്:A ໓ᅣщݼ:1004-1699(2008)02-0288-04 ັߞ൞၂ᇕ٤ӈᇗေׅ֥MEMS(M-iࠏ༢ਬa҆ࡱࢲܒԄժ߶൳֞٢ᇂॢࡗ֥ཋcroElectro-MechanicalSystems)ఖࡱ,൞ັԮۋᇅ,ၹՎ,ᄝࣉྛັߞऎุഡ࠹ൈ,ҐႨଧᇕࢲܒఖaັᆳྛఖބັຄ၎֥֩ᇗေቆӮ҆ٳ,҂ࣇྙൔࢠކൡࣼӮູఃႪ߄ഡ࠹֥൮ေ໙ีbॖູఃิ܂ྟ৯,طିܔԮ־ିਈ[1-2]bၹՎ,ັߞ֥ྟିؓఃఖࡱିڎοᅶഡ࠹ေᆞӈؿߨቔႨఏሢᇀܱᇗေ֥ቔႨbႮႿ൳ັࠏྀࡆ۽۽ၜห֥ׄཋᇅ,ଢభႮMEMSࡆ۽ඌᇅᄯԛট֥ັߞն؟൞૫ࢲܒ,ఃᇏSބW൞ਆᇕׅ֥ັߞ,ೂ1෮ൕ,ࢲܒ֥҂֝ᇁਔૌऎႵ҂֥৯࿐ྟି,ѩᄝหק֥ັࠏ༢ᇏఏܱ֞ቔႨ[3]bႮႿັ图1 S型和W型平面微弹簧ࠎࣁཛଢ:ᇏݓದࢳ٢फሹልС҆ఖልСყࠎࣁཛଢሧᇹ(51405040205BQ0101)൬۠ರ௹:2007-09-30 ྩڿರ௹:2007-12-29
第2期何 光,石庚辰等:平面S型与平面W型MEMS弹簧性能比较研究289ࠎႿഈඍჰၹ,Ч໓ՖMEMSቋࠎЧ֥ေჵ϶ູࣥR2+H)b)))ॢࡗԄժႵཋᆃ၂่ࡱԛؿ,ᄝડቀັࠏྀࡆ۽ඌ่֥ࡱ༯,࣮ਔᄝဢ֥ຓকԄժࠣཌྷ2 MEMSߞې؇༢ඔ࠹ෘ܄ൔ֝ԛ֥ࢲܒหᆘԄժ(ೂཌॺaި؇ބਃࡗए)౦ঃ༯, Sັߞې؇༢ඔ࠹ෘ܄ൔ֝ԛᇉ૫Sა૫WMEMSߞې؇ྟିܱ2ᇏ֥aabacadae҆ٳࢲܒູࠧ၂ࢫັ༢,ၛՎູMEMSߞ֥Ⴊ߄ഡ࠹ิ܂ંഈ֥ᆷߞ,ႮႿఃࢲܒऎႵؓӫ,ྟ౼ఃඹٳᆭ၂ࣉྛ֝b࣮bഡᄝఃָ҆؊૫֥ྙྏ(aׄ)ቔႨ၂ࠢᇏ৯P,აັߞ֥ᇠཌᇗކٚཟཟ༯,ೂ4෮ൕb1 ਆᇕMEMSߞࢲܒྙൔࠣҕඔ Sັߞ০ႨLIGAࠇUV-LIGA֩MEMS۽ၜࡆ۽Ӯ֥૫Sັߞ֥૫ࢲܒྙൔࠣࢲܒҕඔೂ2෮ൕb图4 四分之一节平面S型微弹簧横截面及受力示意图ັߞޘࢩ૫ഈ֥ᇠ৯ބࡧ৯෮ႄఏ֥эྙޓཬ,ॖޭ҂࠹,ᆺॉ੮ຕइႄఏ֥эྙbᄵھ؍ັߞ֥ሹႋэି:ູnVM2i(x)E=Edx(1)i=1Ql2EIఃᇏ,laMi(x)aEaIٳљֻູi؍ۆࡱ֥Ӊ؇(ࠧaoބob֥Ӊ؇)aຕइaҋਘ֥ྟଆਈބࢩ૫֥ܸྟ图2 S型平面微弹簧结构形式及参数ᇏ:W-ັߞᆰਃॺ؇;H-ັߞཌॺइ,I=DH3bᄵᄝཌྟٓຶଽ,Ⴎव൦ֻؽק;12Q-ັߞᆰਃࡗए;r-ଽຕ϶ࣥ(r=Q/2);R-ຓ[4]֤ັߞᄝaׄԩခ৯PٚཟӁള໊֥၍Sຕ϶ࣥ(Q/2+H);D-ັߞި؇;n-ࢫඔbູ: Wັߞ9VE০ႨS=L9P(2)IGAࠇUV-LIGA֩MEMS۽ၜࡆ۽Ӯ֥૫Wັߞ֥૫ࢲܒྙൔࠣࢲܒҕඔ۴ऌޱक़ק,ੰnࢫັߞᄝࠢᇏ৯Pٚཟഈೂ3෮ൕb֥ې؇༢ඔkॖіൕູ:k=P(3)4nSࣜ࠹ෘ֤֞૫SMEMSߞ֥ې؇༢ඔ֥࠹ෘ܄ൔ:ູk=2EDH3/n[4W3+6P(Q+H)W2+24(Q+H2)W3+3P(Q+H)](4)图3 W型平面微弹簧结构形式及参数 Sັߞې؇༢ඔ࠹ෘ܄ൔဒᆣᇏ:H-ཌॺ;Q-ਃࡗए;L-ֆჭਃӉ؇;H-ຕਃࡃ࢘ ൌဒဒᆣ(0<H<P);R1-ߞᇏ҆ຕਃଽҧჵ϶ࣥ;R2-ߞ؊҆ຕਃଽҧჵ϶ࣥႮUV-LIGA۽ၜᇅቔ֥ঘഥൌဒႨᇉ૫S(R2<Q/2)bັߞ(ೂ5෮ൕ)֥ࢲܒҕඔູ:W=ૄ၂ࢫັߞ൞Ⴎި؇नູD֥ᆰਃބຕਃQ====7b৵ࢤطӮᄝ၂۱૫ଽ,ఃޘࢩ૫ູइྙbᆰਃЇওֆჭਃ5۱(ૄ۱Ӊ؇ູL)a϶۱ֆჭਃ6۱(ૄ۱Ӊ؇ູL/2)a2۱؊҆༻ࢤᆰਃL1[L1=(Q+H)ctg(H/2)]ބ2۱ߞ؊҆ᆰਃL2(L2=Q-2R2);ຕਃЇও8۱ߞᇏ҆৵ࢤᆰਃ֥ຕਃ(ఃຓҧჵ϶ູࣥR1+H)ބߞ؊֥҆4۱ሇཟຕਃ(ఃຓҧ图5 镍质平面S型微弹簧电镜照片
290传 感 技 术 学 报2008年6ູൌဒႨMTSTytronັཬ৯ҩ൫༢,8ູھັߞᄝ500mNঘ৯ቔႨ༯֥ଆࢲݔ,ఃቋཬീࡆᄛހູతٳᆭ၂ؘ,ഥӉٳя৯ղఃഥӉਈູ图6 MTSTytron250微小力测试系统ঘഥൌဒ֤֞ັߞ֥৯࿐ྟି౷ཌ,ࠎЧູཌྟ,ೂ7෮ൕbࣜቋཬؽӰمԩ,ު֤֞ఃঘ图8 ANSYS拉伸模拟结果ഥҩ൫ې؇ູ453N/mbࡼၛഈਆᇕٚمބႮൔ(4)֤֥֞ࢲݔਙӮі1bՖіᇏॖၛुԛଆ֤֥֞ې؇a܄ൔ࠹ෘ֤֥֞ې؇აҩ൫֤֥֞ې؇ཌྷб༂ҵᄝ5%ٓຶଽbॖ,ᄝັߞྟٓຶଽٟᆇଆބ܄ൔ࠹ෘ֥ࢲݔनაҩ൫ࢲݔ໖ކࢠݺbі1 ັߞې؇ࢲݔбࢠߞোҩ൫ې؇ଆې؇࠹ෘې؇图7 镍质平面S型微弹簧拉力)伸长曲线૫S453N/m441N/m445N/ ٟᆇဒᆣ Wັߞې؇༢ඔ࠹ෘ܄ൔ֝ԛൈ,০ႨႵཋჭଆ۽ऎ)))ANSYSؓھ֝ԛٚمSັߞ,ऎุݖӱҕ໓ངັߞࣉྛਔঘഥଆ࠹ෘၛყҩఃې؇หྟbჭ[5]bᄝՎᆺ۳ԛࢲݔ,ࠧWັߞې؇༢ඔ࠹ଆҐႨPLANE82ֆჭބSOLID95ֆჭbෘ܄ൔ:ູ222L[16(A+C)+A(2A+C)]+R11(P-H)[10(A+C)+R211]-2ABR113+1P[2(4A+4C+A21)+2(4A+4C+C21-A1)+R222+A21+B21]R228+8[(4A+4C+C1-A1)(A1+B1)-(4A+4C+A1)(A1-B1)] k=EI4n(5)1+L2{[4(A+C)+A1+B1][4(A+C)+A1+B1+C12]+C22}23+1L1[48(A+C2)+C1(12A+12C+C1)]6ൔᇏR11=R1+HaR22=R2+HaA=RHH11cosaB=R11sinHaC=LsinaA1=RH22cosa2222222BH1=R22sinaL1=(QH+H)ctgaCH1=L1sinaL2=Q-2RH2aC2=L2cos22223 ਆᇕMEMૌ֥؊҆ຕਃࢲܒཌྷරbၹՎ,౼ᇏࡗਃ؍ѩఃԼSߞྟିбࢠٳ༅ᆰ႕Ӊ؇ཌྷ,֩ࠧOA=OBc=l,0<H<90b,ѩᄝ؊૫SაWMEMSߞ֥ࢲܒหׄथק҆ീࡆ৯Pটٳ༅ૌ֥ې؇նཬ,ೂ9෮ൕbਔૌ৯࿐ྟି֥ҵၳb༯૫ၛဢ֥ຓকԄժࠣཌྷ֥ཌॺaਃࡗएaި؇ູభิ่ࡱ,๙ݖקྟބקਈਆ۱ٚ૫ؓૌ֥ې؇หྟࣉྛٳ༅ קྟٳ༅๙ݖSაWັߞ֥ࢲܒקၬॖᆩ,ؓې؇႕ཙࢠն֥҆ٳᇶေᄝᇏࡗਃ؍,ؽᆀࢲܒ֥ҵၳ္ᇶေᄝᇏࡗਃ؍,S൞ᆰਃ图9 垂直投影长度相等的直梁和弯梁结构受力示意图,W൞ຕਃbط
第2期何 光,石庚辰等:平面S型与平面W型MEMS弹簧性能比较研究291۴ऌव൦ֻؽק,9(a)ᇏᆰਃ֥Լᆰ໊၍і3 Sັߞࢲܒҕඔֆ໊:mmaࢫູWQHDnSᆰ= ॖ,Kᆰ>Kຕ,ႮՎᄜՑඪૼ,ᄝဢ֥ຓকKԄժࠣཌྷ֥ཌॺaਃࡗएaި؇౦ঃ༯,૫Sᆰ=3EI3(7)lັߞ֥ې؇նႿ૫Wັߞ֥ې؇b9(b)ᇏຕਃ֥Լᆰ໊၍ູSຕ=F3l3EIsinH,ః4 ࢲંې؇ູЧ໓๙ݖંٳ༅aٟᆇ࠹ෘބൌဒဒᆣٚمKຕ=3EIsinH3(8)ؓ૫ᇉSა૫WMEMSߞې؇หྟlၹູᆰਃაຕਃ֥ཌॺࠣި؇नཌྷ,֩ࠧൔࣉྛਔбࢠ࣮,֤ԛਔᄝဢ֥ຓকԄժࠣཌྷ(7)ބൔ֥ཌॺaި؇ބਃࡗए౦ঃ༯,૫Sັߞ֥ې(8)ᇏ֥EބIनཌྷ,֩ط,0<sinH<1(0<H<90b),෮ၛ,Kᆰ>Kຕ,ࠧᄝဢ֥ຓক؇նႿ૫Wັߞ֥ې؇֥ࢲંbԄժࠣཌྷ֥ཌॺaਃࡗएaި؇౦ঃ༯ၹՎ,ᄝഡ࠹ັߞൈ,֒༢ॢࡗႵཋطႻླ,૫Sັߞ֥ې؇նႿ૫Wັߞ֥ې؇bေࢠնې؇֥ັߞൈ,ॖႪ༵ҐႨSࢲܒ;֒ླ3ေັߞႵࢠնഥӉ,ې؇ႻࢠཬൈॖႪ༵ҐႨ קਈٳ༅קਈٳ༅൞ၛऎุඔᆴٳљսೆਆᇕັߞېࢲܒ֥૫ັߞb؇༢ඔ࠹ෘ܄ൔࣉྛ࠹ෘ,টбࢠᄝဢ֥ຓকԄҕॉ໓ང:ժࠣཌྷ֥ཌॺaਃࡗएaި؇౦ঃ༯,૫Sັߞ֥ې؇ა૫Wັߞ֥ې؇նཬ౦ঃb[1] YazdiN,AyaziF,-MachinedInertialSensors[C]//,USA:IEEEႨট࠹ෘ֥WັߞࢲܒԄժೂі2෮ൕbPress,1998,86(8):1640-1659.Ⴎൔ(5)࠹ෘ֤ఃې؇༢ඔູKຕ=260N/mb[2] RaananAMiller,-MachinedElectromag-і2 WັߞࢲܒԄժֆ໊:mmaࢫneticScanningMirrors[J].OpticalEngineering,1997,36LHQDHR1R2n(5):[3] [J]. ࣜ࠹ෘ,ఃሹӉູ,ሹॺfaceandCoatingsTechnology,1998,32(3):Ⴎ[4] ٓೳ.ҋਘ৯࿐[M].Кࣘ:ۚ֩࢝ტԛϱഠ,2000,319-ՎॖԛაఃຓকԄժሹӉaሹॺཌྷ֥֩Sັ324.ߞࢲܒԄժೂі3෮ൕb০Ⴈൔ(4)࠹ෘ֤ھS[5] ޅܻ,െ۸Ӣ.ࠎႿMEMSඌ֥૫Wັߞې؇หྟັߞ֥ې؇༢ඔູKᆰ=࣮[J].Кࣘ۽ն࿐࿐Б,2006,(6):471-474./mbޅ ܻ(1968-),ଳ,Кࣘ۽ն࿐ࠏെ۸Ӣ(1950-),ଳ,Кࣘ۽ն࿐ࠏ۽ӱა॥ᇅݓࡅࠩᇗׄൌဒ൩ࢃഽ,Ѱ۽ӱა॥ᇅݓࡅࠩᇗׄൌဒ൩࢝൱,Ѱൖ,ᇶေՖ൙ັࠏ༢ഡ࠹აࠢӮࠣൖള֝ഽ,ᇶေՖ൙ັࠏ༢ඌaႄྐඌ࣮,heguang@.Ԯۋაҩඌ֩ٚ૫֥࣮.
