平面微弹簧的模拟、加工制备和力学性能表征研究

微弹簧是一种重要的MEMS器件 ,可为微传感器和微执行器提供弹性力。我们设计并用UV LIGA技术制备了数种不同形状的平面微弹簧 ,并用ANSYS对其力学性能如刚度、断裂强度等进行了模拟。由于制备出的平面微弹簧体积很小 ,无法用常规的测试仪器进行测试 ,我们为此设计并制备了一台平面微弹簧力学性能测试仪 ,其位移分辨率为 1μm ,力分辨率为 1mN。模拟得出的结果与测量结果一致性较好 ,与闭环平面微弹簧相比 ,S型平面微弹簧具有较大的位移和较小的刚度 ,弹簧的刚度随着弹簧厚度的增加而增加。铜微弹簧的屈服强度和屈服位移仅为镍平面微弹簧的 5 % 7%。     

平面微弹簧的模拟、加工制备和力学性能表征研究

微弹簧是一种重要的MEMS器件,可为微传感器和微执行器提供弹性力。我们设计并用UV-LIGA技术制备了数种不同形状的平面微弹簧,并用ANSYS对其力学性能如刚度、断裂强度等进行了模拟。由于制备出的平面微弹簧体积很小,无法用常规的测试仪器进行测试,我们为此设计并制备了一台平面微弹簧力学性能测试仪,其位移分辨率为1μm,力分辨率为1mN。模拟得出的结果与测量结果一致性较好,与闭环平面微弹簧相比,S型平面微弹簧具有较大的位移和较小的刚度,弹簧的刚度随着弹簧厚度的增加而增加。铜微弹簧的屈服强度和屈服位移仅为镍平面微弹簧的5％-7％。     

MEMS平面微弹簧刚度分析

对一种UV-LIGA工艺制备的封闭环“B型”微机电系统(MEMS)平面微弹簧建立了力学分析模型,运用能量法的卡氏第二定理,推导出了其在线性范围内的弹性常数计算公式。运用类似方法,推导出了开口“S型”MEMS平面微弹簧在线性范围内的弹性常数计算公式。在相同尺寸和材料特性条件下,对这两种平面微弹簧的刚度进行了对比研究,结果表明,闭环结构比开口结构的微弹簧刚度大。从力学的角度分析了其原因。对这两种平面微弹簧进行了力学拉伸实验,实验结果与公式计算结果相吻合。     

负载刚度对电热微执行器输出性能的影响分析

针对微机电系统中电热微执行器和位移放大机构都具有柔性的事实,从理论上分析了作为负载系统的柔性位移放大机构对微执行器输出位移的影响,并用有限元方法对二者的工作性能进行了仿真.结果表明,电热微执行器外接负载的刚度和执行器本身刚度的比值是影响整个组合器件性能的重要因素.最后用深层反应离子刻蚀技术(DRIE)在硅隔离衬底(SOI)上加工了电热微执行器和柔性位移放大机构,并对其进行了测试,测试结果与有限元分析结果符合得很好.     

负载刚度对电热微执行器输出性能的影响分析

针对微机电系统中电热微执行器和位移放大机构都具有柔性的事实,从理论上分析了作为负载系统的柔性位移放大机构对微执行器输出位移的影响,并用有限元方法对二者的工作性能进行了仿真.结果表明,电热微执行器外接负载的刚度和执行器本身刚度的比值是影响整个组合器件性能的重要因素.最后用深层反应离子刻蚀技术(DRIE)在硅隔离衬底(SOI)上加工了电热微执行器和柔性位移放大机构,并对其进行了测试,测试结果与有限元分析结果符合得很好.     

MEMS镍平面弹簧非线性力学性能仿真及研究

工程应用中,平面微弹簧存在弹性系数的非线性现象且难以被忽略,弹簧结构的几何非线性是引起这种现象的主要原因。针对特定形状的弹簧运用Ansys软件进行了非线性有限元静力学仿真,计算出弹簧弹性力F与弹性形变x之间的对应关系,并与采用MEMS微细加工技术制得弹簧样品实测实验结果比较,相对误差低于3.2%,验证了分析模型的可靠性。而后设计了5种不同平面形状的微弹簧,仿真计算它们的力学性能曲线,以及改变弹簧臂宽度厚度后的力学性能曲线,分别进行比较以讨论影响非线性的主要因素,为弹簧的设计工作提供参考依据。     

MEMS平面S型锥形弹簧的特性分析研究

针对MEMS平面S型等直梁弹簧压杆稳定性及抗共振性能较差等问题,提出了一种MEMS平面S型锥形弹簧,推导出平面锥形弹簧y向刚度系数公式,并通过仿真实验对理论公式进行验证,发现在集中力作用下,弹簧刚度系数的理论值与仿真值的平均误差小于1.58%。进一步分析了各结构参数对弹簧刚度系数的影响。结果表明,锥形弹簧刚度系数随着弹簧线宽B及弹簧高度H的增加而增加,随着弹簧弯半径R、段数n、弹簧直梁增量λ,以及弹簧首段直梁长度L1的增加而减小。通过对两种S型弹簧的性能对比,得到锥形弹簧在相同刚度下,轴向空间利用率、压杆稳定性以及抗共振性能方面均优于等直梁弹簧。     

一种新型微机械硅弹簧的设计与制作

介绍了一种新型的微机械硅弹簧的设计和制作,运用能量方法推导出了弹性常数的计算公式,并用有限元模拟分析方法求出了其固有频率。有限元模拟工具ANSYS模拟的结果验证了弹性常数的计算公式,理论分析和实际加工表明设计方案是可行的。     

2 m级望远镜主动调节侧向支撑机构设计与优化

基于某2 m轻量化SiC主镜,设计了一种新型主动调节侧支撑机构。先分析常用的侧向支撑机构的结构形式和特点;再设计由位移促动器、柔性铰链结构和嵌入杠杆系统等部件组成的主动调节支撑机构;最后,对机构的支撑力和移动量进行有限元分析,并且搭建实验平台,对其进行刚度和调节能力测试。试验结果表明:当支撑力为562.55 N时,杠杆结构中位移促动器承受的力为97.57 N,大大降低了位移促动器的刚度、强度要求;位移促动器行程为0.065 mm,是支撑杆中的22倍,大大降低了位移促动器分辨率要求;试验测得刚度为1 225 N/mm,达到了设计要求,表明这种柔性杠杆支撑系统具有很好的工程应用能力。     

微进给刀架中位移放大机构的优化设计

基于压电陶瓷驱动的刀具微进给机构是满足精密加工的重要途径,为进一步增加微进给刀架驱动位移,在微进给刀架中增加一种柔性铰链微位移放大机构,增加压电陶瓷驱动器输出位移。该文设计了4种微位移放大机构,理论计算了静态刚度,利用ANSYS软件对4种微位移放大机构进行了建模和有限元数值仿真分析,对比了不同类型的微位移放大机构的放大倍数、负载能力和应力情况等静态特性,为优化设计刀具微进给机构打下良好基础。     

负载刚度对压电元件输出特性影响的研究

压电元件在驱动微操作系统时,其输出位移要小于空载状态下的输出位移,针对众多引起压电元件输出位移减小的原因,重点分析了压电陶瓷输出位移与负载刚度之间的关系,并进行了压电陶瓷驱动弹性负载的实验。实验结果表明,压电元件的输出位移随着负载刚度的增加而减少。此结果为设计微操作系统时选用压电元件提供了理论依据。     

压电作动器在微力微位移装置中的应用

在微力微位移装置中采用闭环控制压电作动器实现微位移进给和微力加载，设计了加载机构，建立加载机构的压电作动器输入电压、加载装置输位移和输出力之间的关系。通过电容测位移仪检测输出位移，实验得到加载系统刚度，根据压电作动器输入电压、加载装置刚度，计算出加载力大小。该方法为微机械力学性能测试仪打下了基础。     

提高输出推力的蠕动式微进给定位机构

蠕动式压电／电致伸缩微进给机构具有在保持高位移分辨率的同时实现大位移行程的特点,但迄今进给刚度和推力较小,以及不连续进给运动的不足之处制约了蠕动机构的实际应用。本文作者研究通过采用柔性铰链构成的周向分布式杠杆箝位机构的设计,研制出一种提高轴向刚度和输出推力的蠕动式压电／电致伸缩微进给机构,并进行了机构性能的初步测试,探讨了连续运动控制和超精密定位控制方法     

C型MEMS平面微弹簧弹性系数研究

设计了一种新型的C型微机电系统(MEMS)平面微弹簧,用卡氏第二定律和胡克定律推导出这种平面微弹簧在3个方向(即x,y和z方向)上的弹性系数计算公式,用ANSYS进行有限元仿真,结果验证了公式推导的正确性。在公式计算和仿真的基础上,研究了各种结构参数对其弹性系数的影响规律。     

一种用于微拉伸系统的MEMS弹簧设计与制作

针对微拉伸测试系统支撑梁因塑性变形带来的误差,采用UV-LIGA技术制备出S型支撑弹簧来代替刚性梁,这样即可测量大变形薄膜的力学性能.实验结果表明,用UV-LIGA工艺制备的Ni金属S形弹簧具有良好的均匀性,在较大的变形范围内有很好的线弹性.     

大行程无寄生位移柔性压电微夹钳结构设计

该文设计了一种两级放大的新型柔性微夹钳结构,对其位移放大比等特性进行了研究。首先,设计了微夹钳的整体结构,第一级放大机构采用杠杆机构,第二级采用半桥式放大机构。随后,利用刚度矩阵法对微夹钳柔性机构进行建模分析,并建立了平面三自由度的振动微分方程,根据所得方程计算出了微夹钳的位移放大比等特性。最后分别利用有限元和实验方法对模型分析得到的位移放大比进行了验证。结果表明,模型分析、有限元分析及实验的结果较吻合,证明了此微夹钳柔性机构以及建模方法的可行性和有效性。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。     

激光高阶回馈微位移测量系统设计及误差分析

设计了一套基于激光高阶回馈效应的微位移测量系统,介绍了其工作原理,给出了系统中光学单元、机械单元和信号处理及细分单元的设计方法及关键参数。对设计完成的测量系统与PI位移台进行了比对测试,实验结果表明系统的分辨率达到0.7 nm,并对测量系统进行了误差分析。激光高阶回馈微位移测量系统不但分辨率高,而且还具有结构简单和性价比高等优点,在精密位移测量中具有广泛的应用前景。     

利用差分共焦显微术测定压电陶瓷的逆压电伸缩效应

在光纤共焦扫描显微镜(FOCSM)的基础上,利用其轴向响应曲线的线性部分,给出了一种测定物体微位移的新方法.并用该方法精确测量了压电陶瓷微小的逆压电伸缩效应,分辨率可以达到纳米量级.     

无线通讯用硅基微小天线的设计与制作

采角微电子工艺在高电阻率硅片上设计和制备了一种新颖紧凑共平面波导馈电天线,并对其进行了仿真和测试,模拟和测试结果比较吻合,经过实验测试得到天线为水平和垂直双向辐射,天线的增益约为2.5 dB,谐振频率约为3 GHz,此天线有利于天线集成和与CMOS工艺等的兼容,并且对于无人驾驶飞机、卫星等飞行器的雷达和通讯等天线系统的设计具有参考价值.