微机电系统( MEMS) 是一个新兴的多学科交叉的学科领域, 涉及精密机械、微电子材料科学、微细加工、系统与控制等技术和物理、化学、力学、生物学等基础学科[ 1] . 尽管最理想的微机械系统是采用整体结构, 但是由于各组件基于不同加工工艺因而缺乏兼容性, 又由于微加工技术的限制, 往往此目标不能实现.因此, 要完成微机械系统的整体制作, 必须进行其构件的组装装配, 而器件集成和装配技术必将直接影响整个系统的可靠性和功能. 微执行器直接面对其应用对象, 其机械性能对整个微机械系统有着关键影响.所以研制和开发不同原理、结构的微夹持器, 已成为近年来国内外微机械领域研究的热点.
微执行器需要满足定位精度高、稳定性好、响应速度快和控制方便的要求. 柔性铰链以其特殊的性能广泛应用于操作执行器的设计应用中. 在一些需要小位移、小转角的应用中, 柔性机构有很多刚性机构所不具备的优点, 主要可归纳为以下几点[ 2-3] : ①柔性机构中, 构件之间可以没有传统运动副, 甚至可以将整个柔性机构做成单片, 大大减少了构件数目,从而也就减少了装配; ② 柔性构件之间没有连接,无间隙, 可提高机构的运动精度; ③ 无摩擦磨损, 可提高机构的寿命; ④ 振动和噪音小, 无需润滑, 可减少污染; ⑤ 易于小型化和大批量生产; ⑥ 可存储能量, 自身具有回程反力; ⑦ 易于和其它非机械动力相匹配.
本文研究的对象是基于柔性铰链的热驱动微夹钳, 其结构如图1 所示, 其中与微夹钳相连的电热微致动器单元为一悬在硅基片上且两端由锚点固定在基底上的V 字型梁, 微夹钳则通过柔性铰链连接在固定的锚点上.
1 微夹钳的加工工艺和驱动力的确定
1. 1 微夹钳的加工流程
目前, 常用的制作微机械器件的技术主要有三种. 第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段, 即利用大机器制造小机器, 再利用小机器制造微机器的方法; 第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工, 形成硅基MEMS 器件; 第三种是以德国为代表的LIGA 技术. 本文研究中所用的试样制造材料选用了N 型轻掺杂单晶硅, 通过体硅制造工艺加工而成, 由此流片得到的电热硅微致动器梁的电阻值适合于低于5 V的驱动电压, 该电压可与集成电路供电电压相兼容,其基本工艺过程如图2 所示. 首先在单晶硅硅晶片表面上经过光刻、刻蚀后形成微机构的基本形状( 图2( a) ) , 再对玻璃基地光刻、溅射导电金属, 剥离形成金属连线和金属电极( 如图2( b) ) , 然后将硅片和玻璃在一定温度、压力和电压下进行键合( 如图2( c) ) , 最后经过对硅片减薄、刻蚀和释放后得到设计的微机构. 由于此加工工艺的限制, 我们取微结构最小尺寸为3 um, 厚度为75 um, 属于中深宽比的微机构.
1. 2 微夹钳驱动力的确定[ 4-7]
由参考文献[ 4-6] 中对电热驱动器建立的理论模型及参考文献[ 7] 中的计算方法, 可知通过将空载时V 型热驱动器定点处最大输出位移y max 及其驱动微夹钳时的工作位移y 代入公式( 1) 即可求得作用在微夹钳上的驱动力.
2 实验及仿真
2. 1 实 验
整个实验系统主要由CCD 成像系统、光学显微镜、实验台、信号发生器和示波器等组成. 环境温度保持在26 ℃ 由于材料的限制, 在实验过程中, 微系统的输入电压为不大于5 V 的直流电. 通过测量可得出微夹钳端部输出位移的平均值与输入电压的关系如图4 所示.
从图4 中可以看出, 微夹钳钳口处偏移量与输入电压的大小基本呈线性变化, 即微夹钳钳口处张合量与输入电压也呈线性关系. 通过测量可知, 微夹钳处于自由状态( V = 0) 时, 钳口处的张开量为9um, 当输入电压为5 V 时, 钳口处的最小张开量为7. 3 um, 即钳口的张合范围为7. 3~ 9 um 当输入电压为5 V 时, V 型热臂梁顶端施加于微夹钳的偏移量平均约为0. 79 um, 微夹钳钳口处的偏移量平均约为1. 42 um, 将V 型梁所给的输入位移放大了1.8 倍. 当电压加到5 V 时, 可以看到V 型热臂梁上迅速出现烧斑( 如图5 所示) , 实验结束后, 可测得驱动器电阻数倍于实验前电阻, 由此可见, 当电压大于5V 时, 热臂梁容易失效.
当微构件输入交流电时, 通过CCD 成像系统可以观察到, 微夹钳输出位移随频率的增加而减小, 说明热驱动微夹钳的响应速度相对较慢.
2. 2 仿真分析
用ANSYS10. 0 对微夹钳进行仿真分析, 由于微夹钳属于对称结构, 对其取一半进行建模, 模型网格划分时选取20 个节点的Solid95 单元进行自由划分, 在柔性铰链与锚点接触平面加全约束, 在微夹钳的对称面上施加x 和z 方向的约束, 并在驱动器与微夹钳接触面上施加0. 1 mN 的力. 图6 所示为输出位移的等高线分布图, 由此可知输出位移对输入位移的放大倍数约为1. 5 倍, 与实验所得的放大倍率基本一致。
实验结果与仿真分析之间产生的误差可能由以下几个方面引起: 1) 由于实验条件的限制所引起的实验误差; 2) 测算工具精确度对测算结果的影响; 3)仿真模型与实际构件间误差; 4) 微尺度效应的影响.
3 柔性铰链对微夹钳性能的影响
如前所述, 柔性铰链的使用减少了整个微夹钳结构的复杂性, 减少了机构装配, 使微机构结构更加紧凑. 在此我们通过ANSYS 仿真分析不同结构参数的柔性铰链对微夹钳机械性能的影响.
设柔性铰链锚点边缘线与微夹钳间的最小距离为固定值14 Lm, 通过改变如图7 中所示局部放大部分柔性铰链的倒角半径分别对微夹钳建模. 由于体硅加工工艺的局限性, 我们分别取倒角半径为3um, 5 um, 7 um( 直圆形倒角) 和9 um( 即为我们实验中所用得微夹钳) , 并假设驱动力为1 mN, 进行仿真分析, 模型如图6 所示, 结果如表1.
表中X 方向偏移量是指微夹钳钳口张合方向的偏移量. 通过结果对比可以发现, 当柔性铰链倒角半径为7 um 即为直圆型柔性铰链时, 微夹钳的机械性能最好, 此时倒角半径增大或减小都将降低微夹钳的机械性能, 尤其当倒角半径越小时, 增大了柔性铰链薄弱部分的跨度, 容易引起应力集中, 所以在设计过程中应适当选取结构尺寸, 以最优化微构件的机械性能.
柔性机构相对于刚性机构在小位移、小转角的应用中有着众多优势, 但是柔性机构的应用和刚性机构相比还是很少, 主要是对柔性机构的研究和其自身还存在一些不足[ 6] : 缺乏标准的、系统的设计方法和理论; 反复变形容易引起疲劳破坏; 由于存在应力集中现象, 对于具有集中柔度的柔性机构来说更为严重; 变形有限, 某些运动不能完成( 如圆周运动) ; 在传动的同时将一部份能量以变形能的形式储存起来, 传动效率比较低. 希望在以后的研究中能逐步解决此类问题.
4 结 论
通过对实验测量, 微夹钳处于自由状态( V = 0)时, 钳口处的张开量为9 Lm, 当输入电压为5 V 时,钳口处的最小张量为7. 3 um, 即钳口的张合范围为7. 3~ 9 um 当输入电压为5 V 时, V 型热臂梁顶端施加于微夹钳的偏移量平均约为0. 79 um, 微夹钳钳口处的偏移量平均约为1. 42 um, 将V 型梁所给的输入位移放大了1. 8 倍. 对微夹钳的有限元仿真分析, 可以看出实验中所得的位移放大倍率与仿真中得到的基本一致.
柔性铰链结构尺寸越小对微夹钳机械性能影响越大, 当柔性铰链的形体为直圆型时, 微夹钳的机械性能最好, 此时倒角半径增大或减小都将降低微夹钳的机械性能, 尤其当倒角半径越小时, 增大了柔性铰链薄弱部分的跨度, 容易引起应力集中, 所以在设计过程中应考虑到柔性铰链结构尺寸对微夹钳机械性能的影响.
参考文献:
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