MEMS微弹簧应用模式分析

　　微弹簧是微机电系统中一种重要的弹性元件.相比于传统的弹簧, MEMS 微弹簧结构形式更加多种多样, 使用方式更加灵活[ 1-2] , 目前还没有对微弹簧在微机电系统中的应用模式进行系统的总结和归纳, 这给微弹簧的设计、加工、优化等带来很多不便[ 3-6] . 本文通过对一种典型的/ L 型0微弹簧应用模式的分析, 利用能量法的卡氏第二定理[ 7] , 推导出其在三种模式下的弹性系数计算公式, 分析了/ L 型0微弹簧在不用应用模式下的弹性系数变化规律, 为MEMS 微弹簧的设计提供理论依据.

　　1 MEMS 微弹簧应用模式分析

　　根据微弹簧在MEMS 中使用方式的不同, 可以将微弹簧分为以下三种应用模式:

　　1. 1 MEMS微弹簧在竖直方向的拉伸( 压缩) 变形

　　这是应用最广泛的一种模式, 利用微弹簧在其运动竖直方向的变形, 在装配时一般给微弹簧一个预拉或预压量. 这种应用模式的微弹簧, 在静态加载的情况下, 每个基本单元的受力变形相同, 所受应力相同.

　　1. 2 MEMS微弹簧横向变形

　　当MEMS 微弹簧竖直方向的可用空间较小, 而在横向可利用的空间较大时, 可利用微弹簧在横向变形的模式来实现所要求的功能. 这种应用模式的微弹簧, 虽然在微弹簧竖直方向所占空间小, 但所占横向空间较大, 且其变形不均匀, 远离微弹簧力作用点的截面所受应力较大, 容易出现断裂、塑性变形等失效形式.

　　1. 3 微弹簧纵向变形

　　模式I 和模式II 两种应用模式中, 微弹簧的受力与微弹簧位于同一平面上, 若微弹簧的受力方向垂直于微弹簧平面, 则微弹簧发生纵向变形. 这种模式下的微弹簧变形既有弯曲, 又有扭转、剪切, 是这几种变形的组合, 因此受力条件比较复杂.

　　2 不同应用模式下“ L 型”微弹簧弹性系数公式的推导

　　“L 型” 微弹簧是一种应用广泛的微弹簧, 在许多MEMS 系统中都得到了应用[ 8-9] . 通过分析这种“ L 型”微弹簧在三种应用模式下的弹性系数计算公式, 可为其他微弹簧在三种应用模式下弹性系数计算公式的推导提供参考.

　　2. 1 “L 型”微弹簧竖直方向变形的弹性系数计算

　　“L 型”微弹簧由n 节结构完全相同的基本单元组成, 在分析过程中, 可以取出其中一个基本单元进行分析. 假设将一节微弹簧的上端固定, 下端沿- y方向施加一竖直向下的力作用, 如图1 所示. 图中b为弹簧线宽, d 为间距, h 为弹簧厚度, l 为宽度, 将一节“L 型” 微弹簧分成¹ º » ¼½ ¾六个部分进行分析. 由于结构的对称性, ¹ º » 与¼½ ¾是完全对称的两部分, 只分析其中¹ º » 部分即可, 应用卡氏定理进行分析.