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4.1 判断微弹簧成型效果的方法 23
4.2 微弹簧成型质量分析 24
4.2.1 平均值、标准差分析 24
4.2.2 实验结果直观分析 25
4.3 本章小结 27
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1．引言
MEMS 技术是继微电子技术后又一项重要的新兴技术, 自上世纪80年代MEMS概念被提出以来,MEMS 技术在汽车工业、生物医学、航空航天等领域得到了越来越广泛的应用[1-3]。微机电系统是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动、控制与处理集成电路( integrated circuit, IC) 为一体的微型系统。现在几乎所有汽车都配备的安全气囊系统就是MEMS技术最显著的应用成就之一，因此国内外都对MEMS技术展开了大量研究。MEMS 具备以下特点[4]:
微型化: 体积极小, 重量轻, 耗能低。
批量生产性: 在同一基片上可同时制造出大量的MEMS, 大大降低了生产成本。
材料: 主要为具有优良微加工性能的半导体材料。最通用的材料是硅。因为硅具有良好的机械性能和加工工艺性, 而且可以实现电子电路与MEMS的集成。
多学科交叉: MEMS技术是典型的多学科交叉技术, 涉及电子学、机械学、力学、材料科学、化学、控制学等多门学科。
1.1 平面微型弹簧的应用模式及制备工艺
微机械弹簧作为微型执行器、微型加速度传感器以及其它微惯性器件的重要组成部分,利用其弹性作用, 可以使设计者实现弹性力和能量的传递[5-6]，因此,平面微弹簧的弹性作用对于所设计器件能否正常发挥作用非常重要。由于微型弹簧加工技术的特点, 微型弹簧是一种平面结构[7-8], 而且结构形状也是多种多样, 如图1.1所示为采用基于MEMS的准LIGA 技术加工的几种微型弹簧。因此, 对于设计MEMS用微型平面弹簧, 研究结构形状与其刚度系数之间的关系就成为能否满足MEMS要求的首要条件。
图1.1 三种平面微弹簧[7-8]
1.1.1平面微弹簧的应用模式
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[9]:
I)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。
II)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。
III)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。