全柔性微位移放大机构性能与参数关系

　　在微机电系统领域中,有静电式、电磁式等各种类型的致动器作为动力源.某些致动器的设计中,虽然有很好的精度,但是其可以驱动的距离却较短,所以使用这些致动器时通常要用到微位移放大机构来实现大的距离驱动^[1] .柔性铰链结构因其弹性构件的变形可实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙和运动灵敏度高的特点,在微型机械中常作为位移放大器使用,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域^[2] .

　　由柔性铰链可以组成多种位移放大机构,如多级杠杆机构^[3--4] 、差动杠杆放大机构^[5] 、多连杆机构、三角放大机构^[6]和桥式放大机构^{[1, 7--8]} .目前,微位移放大机构研究中多采用短臂柔性铰链连接各构件,有关短臂柔性铰链切口形状和计算方法方面的研究较多^[9--11] .本文参考三角放大机构及桥式放大机构结构形式,基于长柔性杆变形,设计了一种全柔性微位移放大机构,通过运用Bernoulli-Euler假设^[12]和悬臂梁弹性变形模型进行了理论分析,得到了力与输入、输出位移关系及放大比计算公式,通过一组实例的理论与仿真分析,得到放大机构实例的结构参数与输入输出位移、放大比等性能的关系,并对理论计算结果与仿真结果的误差产生原因进行了分析,为放大机构的进一步优化设计奠定了理论基础.

　　1　全柔性微位移放大机构设计

　　根据“北京大学微电子学研究院国家级微米/纳米加工重点实验室”的“多用户MEMS体硅标准工艺流程与设计规则v20060825”设计完成的全柔性微位移放大机构版图如图1所示.机构尺寸为:微位移放大机构的玻璃基底和结构之间的间距固定为4μm,全柔性机构的厚度一致,固定为75μm,即b=75μm,长柔性杆长度l₁=l₂=411·5μm,极板长度l₃=360μm,角度α=π/4,β=π/4,宽度h₁=h₂=12·7μm,各参数具体意义如图2所示.材料为单晶硅,硅为各向异性材料,考虑到该机构为一体化加工,因此各柔性杆的弹性模量、泊松比、屈服应力等均取相同值,其具体基本性能参数取为:弹性模量E=129·5GPa,泊松比μ=0·28,屈服应力σs=2600MPa.

　　该机构为单一构件设计,参考加工工艺,选择由静电方式驱动,与压电、压阻、热膨胀和电磁等驱动方式相比,静电作用虽然驱动力比较小,但其工艺兼容好,可以用体硅加工和表面微机械加工,便于实现系统集成.静电驱动方式可以分为两类:平行板电容结构和静电梳状结构.平行板电容结构一般为垂直驱动,驱动力较大,本文采用此种驱动方式.图1(a)中,上、下端有间隙,即为平行板电容结构,左、右端无间隙,为固定结构;图1(a)中框线部分局部放大图及极板间隙如图1(b)所示.