郝永平，王鎖成，劉雙杰

(沈陽(yáng)理工大學(xué)，CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，遼寧沈陽(yáng) 110159)

0 引言

微驅(qū)動(dòng)器是MEMS器件中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)［1］，是微機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分之一?；竟ぷ髟硎菍⑵渌问降哪苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，使器件能夠完成所需要的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理不同，可將驅(qū)動(dòng)器分為靜電式、壓電式、電磁式、電熱式等。其中電熱驅(qū)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)電壓低、驅(qū)動(dòng)力大、驅(qū)動(dòng)位移大，不依賴于電極間距離的變化而變化等優(yōu)點(diǎn)［2－3］。常見(jiàn)的電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)有U型折疊梁驅(qū)動(dòng)、V型梁驅(qū)動(dòng)、雙金屬膜面外驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)。由于U型折疊梁能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)驅(qū)動(dòng)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于加工，所以本文介紹的驅(qū)動(dòng)器采用典型的U型折疊梁結(jié)構(gòu)作為提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)源部分。

1 微驅(qū)動(dòng)器工作原理

圖1為本文所設(shè)計(jì)的電熱微驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器為單刀雙擲型，左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱。其中驅(qū)動(dòng)部分采用的是兩個(gè)對(duì)稱放置的U型折疊梁，對(duì)稱結(jié)構(gòu)能夠使隔離部分受力均勻，使驅(qū)動(dòng)器能夠保持直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器左端U型梁施加電壓，右端接地時(shí)，左端U型梁受熱變形，推動(dòng)右端的接觸電極向右端信號(hào)電極運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，接觸電極會(huì)與信號(hào)電極接觸閉合，進(jìn)而輸出信號(hào);斷開(kāi)電源時(shí)，驅(qū)動(dòng)器緩慢回到起始位置，接觸端斷開(kāi)，信號(hào)停止輸出。同樣在右端施加電壓，左端接地，左端的電極會(huì)閉合，斷電時(shí)電極會(huì)斷開(kāi)。這樣交替閉合、斷開(kāi)電源，兩邊的熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠交替起作用，使信號(hào)在兩條不同信號(hào)線上交替出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)單刀雙擲功能。

這樣一系列動(dòng)作的完成，動(dòng)力源即U型折疊梁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。因此，下文著重對(duì)U型折疊梁材料的選擇、尺寸的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

圖1 微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2 U型折疊梁分析

圖2為U型折疊梁二維圖，單位為μm。該結(jié)構(gòu)為較典型的基于材料熱膨脹效應(yīng)的冷－熱臂電熱結(jié)構(gòu)。由于在任意導(dǎo)電的彈性連續(xù)體上施加電壓，導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，所以在固定錨區(qū)上施加電壓，并保持恒定的溫度，使冷臂和熱臂在電流作用下受熱膨脹。由于熱壁的橫截面積較小，電阻較大，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，發(fā)熱量遠(yuǎn)大于冷壁，熱臂的變形量遠(yuǎn)大于冷臂的變形量，進(jìn)而熱臂能夠推動(dòng)冷臂運(yùn)動(dòng)。

圖2 折疊梁二維圖

在一般的應(yīng)用中，材料的熱膨脹系數(shù)和溫度變化成正比，即滿足以下條件:

式中:α為材料的熱膨脹系數(shù);L0為材料的長(zhǎng)度;ΔL為材料熱膨脹量;ΔT為材料的溫升。

不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，熱膨脹系數(shù)越大，梁受熱變形越大。所以合理控制溫度的變化，選擇合適的材料，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用［4］。不同材料的各項(xiàng)物理性質(zhì)如表1 所示［5］。

表1 材料的物理性質(zhì)

由于熱臂自由端變形量D與梁彈性剛度成反比，與兩臂間的溫度差成正比［6］，故

式中:D為熱臂自由端變形量;E為材料的楊氏模量;P為熱臂消耗的功率;L為熱臂的長(zhǎng)度;A為熱臂橫截面積;α為熱膨脹系數(shù);K為熱導(dǎo)率。

假設(shè)材料的各參數(shù)不隨溫度變化而變化，功率P和熱驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)方向固定，則熱臂變形量D與α/(KE)成正比，由于冷臂是剛性結(jié)構(gòu)，自身變形很小可以忽略，冷臂的位移近似等于熱臂的位移。所以整個(gè)折疊梁的位移近似等于熱臂末端的位移。由表1中各材料的性質(zhì)計(jì)算可得:鎳材料的α/(KE)值比多晶硅的值大39%，比銅的值大72%。即產(chǎn)生相同的形變量多晶硅消耗的功率要比鎳消耗的高39%，銅消耗的功率比鎳消耗的高72%。另外鎳材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被氧化，耐酸堿腐蝕性高，楊氏模量較高，機(jī)械性能較好，易加工。所以本文選擇鎳作為驅(qū)動(dòng)器的主要材料［7］。

3 仿真與分析

由于該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)上整體對(duì)稱，4個(gè)U型折疊梁作用完全相同。所以用Coventorware［8］軟件對(duì)其中任一個(gè)U型梁進(jìn)行有限元仿真分析，所得結(jié)果都是相同的。本文選擇左端上部的梁，有限元模型如圖3所示。

圖3 U型梁有限元模型圖

假設(shè)材料的性質(zhì)不隨溫度的變化而變化，熱傳遞方式只有傳導(dǎo)和對(duì)流，溫度為300 K時(shí)忽略熱輻射［2］。當(dāng)電壓和溫度分別保持在3 V、300 K，熱臂寬度為2 μm，冷臂的基本寬度為20 μm，接觸電極和信號(hào)電極之間的距離設(shè)定在10～15 μm，此時(shí)對(duì)冷臂的寬度進(jìn)行縮放。即:

式中:K 為寬度系數(shù)，為無(wú)量綱的變量，分別取 0.5，1，1.5，2;Ld0為冷臂的基本寬度。

得出固定端受力隨冷臂寬度變化而變化的關(guān)系圖和梁在Y方向位移變化隨冷臂寬度變化而變化的關(guān)系圖如圖4、圖5所示。其中:v_in_F(x)為驅(qū)動(dòng)器輸入端在x方向的受力;Node Y displacement_minmum為驅(qū)動(dòng)器在Y方向的位移變化情況。

圖4 冷臂寬度與固定端受力關(guān)系圖

由圖4可以看出，當(dāng)寬度系數(shù)小于1時(shí)，固定端受力和寬度系數(shù)成線性增加關(guān)系;當(dāng)系數(shù)大于1時(shí)，力增加的幅度逐漸變緩。由圖5可以看出冷臂的寬度系數(shù)小于1時(shí)，驅(qū)動(dòng)位移在Y負(fù)方向逐漸增加;當(dāng)系數(shù)大于1時(shí)，位移會(huì)逐漸變小。所以驅(qū)動(dòng)位移在寬度系數(shù)為1即寬臂長(zhǎng)度為20 μm時(shí)最大。綜合這兩項(xiàng)分析和加工工藝方面的限制，將冷臂的寬度定為20 μm。此時(shí)熱臂寬度為2 μm，溫度為300 K，電壓為3 V，能夠得到驅(qū)動(dòng)位移為22 μm，固定端受力為180 N。驅(qū)動(dòng)器整體是在兩個(gè)對(duì)稱的U型梁共同作用下，使接觸電極向信號(hào)電極運(yùn)動(dòng)，在此條件下驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)大于接觸電極和信號(hào)電極之間的距離。由于信號(hào)電極固定、電壓穩(wěn)定，兩電極能夠穩(wěn)定接觸，所以驅(qū)動(dòng)器有穩(wěn)定持續(xù)信號(hào)輸出。此時(shí)梁的應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5 冷臂寬度與Y方向位移關(guān)系圖

圖6 電壓3 V時(shí)的應(yīng)力圖

由圖6可知，梁最大應(yīng)力發(fā)生在錨區(qū)固定端，只要滿足這部分應(yīng)力小于鎳的許用應(yīng)力，折疊梁就不會(huì)失效。鎳材料的許用應(yīng)力為

式中n為安全系數(shù)，一般取n=4～5。

當(dāng)取σp=E/100，楊氏模量E=210×103MPa時(shí)，由式(4)可計(jì)算出［σ］=420～525 MPa。由圖6可以看出梁的最大應(yīng)力為120 MPa，遠(yuǎn)小于鎳材料的許用應(yīng)力，不會(huì)發(fā)生失效，保證了折疊梁的工作可靠性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用鎳作為主要結(jié)構(gòu)材料、電熱作為驅(qū)動(dòng)方式，具有驅(qū)動(dòng)電壓低，驅(qū)動(dòng)力大，驅(qū)動(dòng)位移大的特點(diǎn)。本文著重分析了提供動(dòng)力的U型折疊梁。通過(guò)Coventorware軟件中的有限元模塊仿真分析得出熱臂寬度為2 μm，電壓為3 V，溫度為300 K時(shí)，冷臂寬度變化與驅(qū)動(dòng)位移、固定端受力的關(guān)系曲線圖。最終確定冷臂的寬度為20 μm，驅(qū)動(dòng)器在兩個(gè)對(duì)稱折疊梁的共同作用下能夠使電極接觸，輸出信號(hào)。最后驗(yàn)證此時(shí)的最大應(yīng)力為120 MPa，小于鎳的許用應(yīng)力，可見(jiàn)設(shè)計(jì)的U型梁有較高的可靠性。

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