平面S型与平面W型MEMS弹簧性能比较研究

S型与W型是平面MEMS弹簧中两种典型的结构形式,各自结构特点导致了它们具有不同的力学性能。通过理论分析、仿真计算和实验验证方法对平面镍质S型与平面W型MEMS弹簧性能进行了比较研究,得出了在同样的外廓尺寸及相同的线宽、厚度和梁间距情况下,平面S型微弹簧的刚度大于平面W型微弹簧的刚度的结论,为MEMS弹簧的进一步优化设计提供理论参考。     

应用于电磁驱动器的非线性平面微弹簧及其集成制造工艺研究

平面微弹簧是MEMS器件(如微驱动器、开关等)中一种常用的微结构。目前,平面非线性微弹簧的设计、制造与应用正日益成为关注的焦点。本文针对微机械电磁驱动器的需求,研制了一种变形量在100 μm左右,弹性变形力在5 mN附近的非线性变刚度微弹簧。研究包括通过仿真分析确定了弹簧的结构方案和影响因素,提出了配套的原位集成制造微加工工艺,并测试了所研制“V型”平面微弹簧的非线性特性,验证了所提出方案的可行性。为非线性弹簧的进一步设计和应用提供参考。     

MEMS微弹簧应用模式分析

根据微弹簧在微机电系统(MEMS)中使用模式的不同,将微弹簧分为三种应用模式进行分析.应用LIGA加工工艺,设计加工了一种“L型“MEMS微弹簧,应用宏观理论的能量法,推导出了“L型“微弹簧在三种应用模式下的弹性系数计算公式,并用有限元仿真计算验证了理论公式推导的正确性.利用Tytron250微小力拉伸实验机对“L型“微弹簧进行了拉伸实验,实验结果与公式计算结果吻合.在此基础上,分析总结了微弹簧在不同应用模式下的弹性系数变化规律.     

低g值微惯性开关中阿基米德平面螺旋梁的设计

针对低g值微惯性开关对微弹簧的系统刚度达到(0.1~10)N/m数量级的要求,设计了一种阿基米德平面螺旋梁结构的微惯性开关。根据材料力学中的卡氏定理和线弹性理论,推导了阿基米德平面螺旋梁的弹性系数计算公式,并与ANSYS有限元仿真分析结果进行了对比。基于推导的弹性系数计算公式设计了一种三根阿基米德平面螺旋梁支撑的动作阈值5.5 gn 的微惯性开关,并采用SOI硅片以及玻璃－硅－玻璃键合技术进行了加工,在离心转台上对开关实际动作阈值进行测试,并将测试值与设计值进行对比。结果表明,采用推导到的阿基米德平面螺旋梁弹性系数计算公式计算结果与ANSYS仿真结果相近,基于推导的弹性系数计算公式设计的三根阿基米德平面螺旋梁支撑的微惯性开关动作阈值设计值与实测值相近,单根阿基米德平面螺旋梁弹性系数约0.8 N/m,能够满足低g值微惯性开关低刚度的要求,推导的弹性系数计算公式能够用于基于阿基米德平面螺旋梁的低g值微惯性开关的设计。     

基于MEMS技术的低g值微惯性开关的设计与制作

惯性开关是一种感受惯性加速度,执行开关机械动作的精密惯性装置.选用典型的"弹簧-质量-阻尼"结构,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值(1gn～30gn)微惯性开关.惯性敏感单元由一个方形质量块和支撑它的两根螺旋梁组成,采用ANSYS有限元软件对其进行了仿真分析.采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH腐蚀...     

MT-2型缓冲器弹簧座结构强度分析

建立了MT-2型缓冲器弹簧座有限元模型,通过商业有限元分析软件ANSYS对其进行前、后处理和计算,分析得到弹簧座在车辆最大发生最大纵向力条件下的应力分布云图,并校核其强度。经对结果的分析,弹簧座在缓冲器最大压缩状态时满足强度设计的要求。     

基于MEMS技术的异平面空心金属微针

MEMS微针的一个重要应用是透皮给药.文中提出了一种基于MEMS技术的异平面空心金属微针.该微针首先利用硅(100)面刻蚀技术在硅片上刻蚀出深度为330μm的倒四棱锥,然后采用电镀技术电镀出壁厚为50μm的空心金属倒四棱锥.从背面开出微流道并去除残余硅,就得到了倾斜角度为70.6°的异平面金属空心微针.最后采用ANSYS有限元仿真软件建立微针模型,验证了微针具有足够的强度.     

台面结构硅基法珀型光纤MEMS压力传感器的研究

提出了一种新的光纤压力传感器的设计,该传感器敏感膜采用了台面结构而非传统的平面结构.用法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉理论阐述了传感器的工作原理,提出了敏感膜的力学模型.基于Fabry-Perot干涉理论推导出光纤MEMS压力传感器中台面敏感膜受到的压力与干涉光强的关系表达式,通过ANSYS有限元软件分析了台面膜型的力学性能,结果表明台面敏感膜在平行度上优于平面膜.通过数值模拟分析了传感器的关键参数对其性能的影响,为光纤MEMS压力传感器的加工和制作提供了理论依据.     

矿用MEMS甲烷传感器硅微加热器功率优化设计

在ANSYS有限元分析软件中对矿用微机电系统(MEMS)甲烷传感器硅微加热器功率进行了优化设计。首先建立了基于已知掺杂浓度求解一定温度范围内硅电阻率的计算模型;然后根据计算结果,利用ANSYS软件对U型双悬臂梁式硅微加热器进行了以掺杂浓度、两悬臂间距、悬臂梁宽度为影响因素的正交试验,研究了不同因素对硅微加热器功率的影响。试验结果表明:悬臂梁宽度和掺杂浓度为硅微加热器功率的主要影响因素,两悬臂间距影响较小;硅微加热器功率随悬臂梁宽度的减小而减小,随掺杂浓度的升高先增大后减小;温度为600℃时,选取悬臂梁宽度为25μm、掺杂浓度为1019 cm-3、两悬臂间距为10μm可使硅微加热器功率最优。     

基于MSC Marc的空气弹簧垂向特性有限元分析

介绍不同类型的空气弹簧结构型式,利用有限元软件MSC Marc 建立空气弹簧的有限元模型,并对其进行垂向特性的分析和计算. 最后得出空气弹簧垂向刚度非线性特性的确切描述,并分析传统的弹簧与空气弹簧自振频率随载荷变化的特性.     

A study on the elastic coefficients of setback micro-springs for a MEMS safety and arming device

This paper analyzed the effects of setback micro-springs on a MEMS safety and arming (S&A) device. To make up for defects related to current methods of obtaining the elastic coefficients of micro-springs, a computational formula for the elastic coefficients of S-shaped micro-springs was developed in accordance with Castigliano’s second theorem and Hooke’s law and verified for three types of setback micro-springs with different structures through finite element simulations and a self-designed testing system for the elastic coefficients of micro-springs. The testing values and the simulation values were in good agreement with the theoretical values. The results indicate that the precise measurement and calculation of the elastic coefficients of micro-springs in the transverse, longitudinal and vertical directions can be realized with the method presented in this paper. For the S-shaped setback micro-spring, the elastic coefficient in the transverse direction is the smallest and the most prone to fracture and plastic deformation. In the design of MEMS S&A devices, priority should be given to applying the deformation of the micro-spring in the longitudinal and vertical directions.

     

悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究

具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能量。为了提高有限体积悬臂梁压电式振动发电机的发电能力,通过力学模型及有限元仿真分析了单晶片型式、双晶片并联型式和双晶片串联型式压电振动发电机的材料参数与输出电压及固有频率之间的关系。结果表明,在低频工作环境下,应优先选择PZT-4、PZT-5A、PZT-5H的压电材料和不锈钢、镍合金的基板材料。     

Electroplated nickel based micro-machined disk resonators for high frequency applications

Microelectromechanical system (MEMS) based resonators can be used for filtering and frequency synthesis applications in many subcomponents of radio frequency wireless integrated circuits due to their small size, high level of frequency selectivity, low cost batch fabrication, ease of integration with CMOS circuits. Electroplated nickel is an attractive low cost material for CMOS compatible MEMS due to their low deposition temperatures. Among the different modes of vibration, radial-contour mode resonators are preferred for high frequency applications because they offer higher effective stiffness. Two different types of electroplated nickel based radial-contour bulk-mode circular disk resonator geometries which depend on capacitive actuation and readout technique is presented in this work. Material, mechanical and electrical characterizations were performed on these structures to show their functionality.     

微机械陀螺仪模态分析

利用计算机软件对有限元法构建的微机械陀螺仪模型进行分析可以掌握其各种参数。根据静电梳状驱动结构,设计符合性能指标的陀螺仪结构,并利用有限元分析法借助ANSYS软件对陀螺仪进行模态分析,从而得出陀螺仪的驱动模态和敏感模态,为已经设计的结构提供分析和修正的参考,从而提高微机械陀螺仪设计结构的品质因数。     

灌封技术对MEMS高g加速度传感器性能影响研究

针对恶劣环境下高频信号的干扰与由封装引起的结构失效,设计了一种MEMS高g加速度传感器,通过灌封实现机械滤波,保证封装的可靠性。根据传感器封装工艺,利用ANSYS软件建立有限元模型,仿真分析了灌封技术对传感器结构和性能。结果表明：灌封技术可提高传感器的高过载能力和输出灵敏度,灌封弹性模量相对较大、密度相对较小的灌封胶可提高传感器的高过载能力和灵敏度。     

基于SABER平台的MEMS系统级模型研究

多端口组件网络方法是一种新的系统级统一建模方法,通过该方法形成的多端口三维组建库可以实现MEMS器件的快速设计与仿真.利用该方法,在SABER仿真平台上搭建了MEMS固态引信核心子系统的系统级行为模型,并进行了一系列的仿真分析,包括小信号频域仿真,时域仿真.以及灵敏度仿真,其结果接近于有限元分析结果.采用多端口组件网络方法进行MEMS器件的设计可以满足设计要求,保证精度,提高设计效率.     

流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、灵敏度高等性能特点,但是由于流体的影响,水听器微结构在空气中的共振频率与液体中不同,为此研究了流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响。首先,理论上分析了流体对共振频率的影响。然后,采用ANSYS对空气中和液体中MEMS矢量水听器的共振频率进行仿真。最后分别采用振动台和矢量水听器校准系统进行了测试。结果表明MEMS矢量水听器在水中的共振频率较空气中下降了约31.2%。     

MEMS高g加速度传感器封装热应力的研究

封装热应力是导致MEMS器件失效的主要原因之一,本文设计了一种MEMS高g加速度传感器,并仿真研究了传感器在封装过程中的热应力及影响其大小的因素。根据封装工艺,建立设计的高g加速度传感器封装的有限元模型,利用AN-SYS软件仿真传感器在不同的贴片工艺中受到的热应力及影响热应力的因素。结果显示,在封装中,与直接贴片到管壳底部相比,MEMS高g加速度传感器芯片底面键合高硼硅玻璃后再贴片到管壳底部时,封装热应力可从135MPa降低到33MPa;在贴片工艺中,基板的热膨胀系数和贴片胶的弹性模量、热膨胀系数及厚度是影响封装热应力的主要因素;在健合工艺中,基板和键合温度主要影响到热应力的大小。