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微弹簧是一种重要的 MEMS 器件,在微机电系统中，往往需要一些元件具有传 递能量和力的功能，而微弹簧则刚好具有这种功能。因此微弹簧被广泛应用于微 陀螺仪、微驱动器等 MEMS 系统中。在设计与加工平面微弹簧的过程中，弹性常 数是首先要考虑的。用各种微机械加工技术加工的各种平面微弹簧, 形状结构和 材料各异。不同的平面微弹簧，其制备材料不同，结构形状也不尽相同，这也意 味着其加工方法的不同。图 1-1 为典型的几种 MEMS 微弹簧。68573
图 1-1 几种典型的 MEMS 微弹簧[1]
平面微弹簧大致分为“Z 型”“封闭环 B 型”以及“S 型 ，如图 1-2。
（a）B 型 （b）S 型 （c）Z 型
图 1-2 三种平面微弹簧[2]
国内最早开展引信 MEMS 弹簧研究的是北京理工大学的何光年教授，研究了 W 型和 S 型微弹簧的公式[2]。而对于其他形式的微型弹簧的刚度计算公式，李华
[3-4]等人对其开展了深入的研究。在对平面微弹簧在 MEMS 引信安全系统中的作用、 性能等特点进行介绍之后，石庚辰[5]课题组采用能量法的力学原理，推导出“Z” 型平面微弹簧的弹性系数，利用软件进行弹性系数仿真后，公式计算结果与仿真 计算结果的一致，验证了公式的正确性。电子科技大学吴鹏飞[9]建立了封闭 O 型 MEMS 平面微弹簧弹性系数的计算公式,并用 ANSYS 进行有限元仿真,并研究了各 种结构参数对弹性系数的影响规律，其研究结果为其他封闭结构的 MEMS 平面微 弹簧的分析和设计提供了一定的借鉴。论文网上海交通大学的隋灵禾[10]教授等人认为弹 簧结构的几何非线性会引起平面微弹簧弹性系数的非线性，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。Saotome[11]等人采用不同的电镀方法提高 UV-LIGA 法制备 的镍基弹簧，弹簧高 0.95mm，宽 0.85mm，厚 0.05mm，并采用有限元预测了弹簧 的参数，弹性模量达到 150GPa，但不如块体材料，其中块体镍弹性模量达到 196 GPa，断裂疲劳实验时循环频率为 20Hz，结果表明疲劳性能与静态抗拉强度密切 相关，静态拉伸强度越高，抗疲劳性越高，疲劳极限大概为静态抗拉强度的 0.3 倍。Lishchynska M.[12]和 Fukushige T. [13]等人研究了静电力对直梁型弹簧和锥 形弹簧的结构形貌参数的影响。Williams K.L.[14]等人在强度为 200-700 mW 的激 光和压强 400-900 mbar 的乙烯压力下使用 LCVD 成形碳基微弹簧，测量得到弹性 系数为 0.0294-0.0604mN/μm,推导出剪切模量 13.6-733.5MPa,当泊松比为 0.3 时，弹性模量为 0.0353-1.9071MPa.