微悬臂梁

微悬臂梁（精选4篇）

微悬臂梁 篇1

摘要：将基底与微悬臂梁间的接触简化为一理想平面基底与微悬臂梁粗糙面间的接触,在考虑微悬臂梁的弹性恢复、两接触体的弹塑性变形以及粗糙面微凸体间相互粘着作用的基础上,运用ABAQUS大型有限元软件实现了微悬臂梁与基底的接触-分离动态分析。结果表明,该撞击过程实际上是一个复杂的多次弹塑性撞击过程,一般存在2个以上的明显撞击区,每个撞击区包含了形式多样的复杂的次生撞击过程,并且每次撞击力较静态接触力大很多,因此造成的影响很大。其对今后的材料摩擦磨损具有一定的理论指导意义。

关键词：微悬臂梁,弹塑性变形,分形粗糙面,接触-分离

0 引言

研究和实践证明,表面间的接触问题成了微机械系统(MEMS)最主要的运动障碍和失效方式[1]。在微悬臂梁在与基底表面间不断发生接触-分离的过程中,由实际不连续的微小接触点变形所构成的真实接触面积的大小和分布将发生变化,这很大程度上决定了微机械系统工作的可靠性[2]。因此,有必要对其基底与梁粗糙面间的接触-分离进行动态分析。

虽然MEMS器件本身价格便宜,但其失效造成的损失非常巨大,目前因微驱动器与微动作机构联结及其相关试验技术问题,尚无对微机械性能影响的全面定量分析方法,迄今为止,针对这种柔性结构多次弹塑性撞击问题的研究却不多见。对于多次弹塑性撞击的问题,撞击和分离过程交替出现,相邻撞击的时间间隔又很短。一系列的撞击加载和分离卸载依次激发的瞬态弹性波与瞬态塑性波,在柔性结构内传播、反射和相互干涉,产生了复杂的弹塑性变形响应,理论分析很困难,只能借助于数值手段进行分析。YANG等[3]应用ANSYS有限元软件对用于MEMS惯性开关的微弹簧进行实体建模和动力学模拟分析,得到其在动载荷下的应力分布情况和端部位移响应曲线,并比较静动载荷下结构参数对微弹簧水平和垂直方向上弹性常数的影响规律。朱斌等[4]也利用ANSYS有限元软件对器件进行模态和动力学碰撞仿真分析,并对该微机械惯性开关进行落锤冲击试验,从而得出冲击力和接触时间的有限值,将有利于其应用系统随后的信号处理。ZHAO等[5]建立了多力耦合作用下微机械惯性开关系统的动力学模型,并运用数值方法对含有椭圆积分的强非线性系统进行动态仿真分析,得出气膜阻尼力和触点接触力对系统性能的影响,充分证实了屈曲梁结构应用于惯性微感应器件设计的可行性。Benjamin等[6]对微机电开关进行了仿真模拟,在考虑金镍合金微凸体相互作用的基础上,建立了金镍合金的微凸体接触面与不同镍合金基底的接触分析模型,得出了合金中的镍含量对接触面积的影响较大,并且获得合理的合金含量,有利于微机电开关综合性能的发挥。刘媛等人[7]对纳米级动态粘着接触过程进行仿真,是为了研究微纳米尺度的机电系统(如MEMS)中所存在的纳米级表面接触和摩擦,从而对系统进行减粘附设计。文献[8]利用仿真软件对微加速度开关在不同加速度的情况下进行了动态特性分析,并且通过重锤实验测试,从而得出与仿真相一致的结论。Chen等[9,10]根据之前的研究还专门设计了一个基于原子力显微镜的接触测试平台,利用AFM的光学系统来测量悬臂梁末端的转角,经过校准以后,能够给出加载和卸载过程中的力,包括接触打开时的粘着力。这样的仿真设计在微机械系统应用方面能够迅速有效的模拟原型材料和微型结构,并对其进行实时的模拟仿真分析,研究结果对于进一步的实验研究具有一定的指导意义。

以上这些动态法向接触建立的模型大多忽略了微凸体相互作用以及实际构件结构的影响(如微悬臂梁反弹力对接触的影响),无法考虑多次接触和分离时实际接触表面变化的影响,其结果很难对实际接触面重复接触-分离的动态接触特性作出合理解释。文中利用ABAQUS有限元软件建立了微机械系统的悬臂梁与基底的接触-分离的模型,并充分考虑重复接触过程中由于材料变形和粘着分离后接触表面的变化,以及微悬臂梁反弹力影响等,是研究实际微悬臂梁与基底多次接触-分离的动态接触特性一个很好的方法。

1 计算模型的建立

1.1 粗糙表面及接触模型建立

由试验测得摩擦副上试样表面轮廓,并通过功率谱变换,分析可确定试样粗糙表面对应的分形维数D=2.5,采用连续且具有自仿射分形特性的Weierstrass-Mandelbrot(简称W-M)分形函数[11]模拟粗糙表面,基于表面平整度和频率分布密度的考虑,确定分形函数中的相关参数:γ=1.5,G=3μm,取样长度L=Ls×(N-1)=1.5×(64-1)=94.5μm(其中N为脊线数量)。

通过编写程序并利用MATLAB软件对粗糙表面进行模拟,获得分形粗糙表面。计算得到该模拟粗糙表面的微观不平度十点平均高度Rz=4.037 4μm,与试验测量的数值Rz=4.503 2μm较为接近。将此分形粗糙表面导入Pro/e软件,建立具有分形特征的粗糙表面实体模型,如图1所示。

图1 粗糙表面实体模型

为简化计算,在考虑上下接触体的弹塑性变形、微悬臂梁的弹性恢复力以及粗糙面微凸体间相互粘着作用基础上,将基底与微悬臂梁间的接触简化为理想平面基底与微悬臂梁粗糙面间的接触,在ABAQUS中进行传统接触计算分析时,接触选项设置中并没有关于接触表面间吸引力作用的相关设置。通过ABAQUS二次开发功能,采用非线性弹簧连接两接触表面,实现了在有限元接触模型中计入接触面分离时表面间的相互吸引作用,如图2所示。

图2 接触几何模型的建立

其中:A1、B1分别表示接触副的工作表面,A1为下接触体(基底)的平整表面,B1为上接触体(微悬臂梁)末端的分形粗糙表面,A2、B2、A3、B3、A4、B4、A5、B5、A6、B6分别表示摩擦副的非工作表面(图中括号里的面为可见面的正对面),C1、C2分别为悬臂梁的上下两个表面,C3、C4、C5、C6为侧面,其中C3为悬臂梁的固定端面。

1.2 结构边界条件的确定

为了分析方便,将悬臂梁分成两段,其前端(自由端)部分包含与基底接触的粗糙面。悬臂梁C约束其固定端(C3面)的x、y、z三个方向位移,并在其前端施加一均布的线性变化的载荷P;而将基底(接触体A)固定不动,底面约束x、y、z方向位移。具体如下:

悬臂梁C:

下接触实体A:

2 算例参数选择

2.1 摩擦副材料属性

铜(Cu)具有耐蚀性、质量轻、易加工成形性、导电导热性能好等特点,它常用于军事上的MEMS器件,被列为重要的战略物资,对其摩擦磨损性能进行分析具有重要意义。因此接触体A、B的材料为铜,而铝(Al)也具有耐蚀性和质量轻等优点,通常应用于悬臂梁材料,根据文献[12]得知铜(Cu)的屈服强度为60 MPa,其具体性能参数见表1。

表1 接触材料的力学性能参数

2.2 结构参数确定

根据分形粗糙表面微凸体的分布状况和边界条件的限制,通过分析比较得到微机械中的尺寸对接触的不同影响,其影响较大的有微悬臂梁的长度、厚度和微悬臂梁与基底之间的间隙,而与微悬臂梁的宽度无关。根据文献[13]初步确定初始间隙为2.7μm,截取的模型几何参数如表2所示。

表2 模型部件的几何参数

μm

2.3 工况条件

在悬臂梁前端施加载荷P=1/6 MPa,载荷在加载阶段(1-10μs)线性增加,在卸载阶段(10-20μs)线性衰减,其他边界条件不改变,采用ABAQUS/Explicit模拟仿真该工况下的动态接触情况。

3 结果分析

3.1 接触过程的响应分析

图3显示了在一次加载和卸载过程中接触冲击力随时间的响应曲线。发现在微悬臂梁的弹性恢复力作用及其接触微凸体粗糙面的法向和切向滑动相互作用下,微悬臂梁与基底接触过程是个复杂的多次弹塑性撞击过程。在加载(0-10μs)过程中,存在多个的明显撞击区段,每个撞击区又包含了形式多样的复杂的次生撞击过程,这与悬臂梁的弹性恢复、接触体的弹塑性变形有关,可从接触凸点的位移变化、接触体的应力应变图更明显看出。

图3 接触过程的冲击力随时间的响应曲线

图4为接触面最先接触节点1 670和28 710位移随时间的响应曲线,图5为不同时刻接触体A、B的von Mises等效应力分布图,其中显示的最大值变化处是微凸体最高接触节点1 670、9 132以及基底的最先接触节点28710和92 763,图6为接触体A(基底)表面不同时刻的三维等效应变图。由图3看出第1次明显冲击接触过程为3.85-4.75μs,其中在4μs处的冲击力[14]达到最大值646.051μN,比加载力大很多。此时接触节点1 670的位移随载荷增大迅速增大,通过计算得出此时上接触粗糙面的压入量为0.002μm,而基底上节点28 710的压入量为0.043μm(图4)。这是因为梁末端实际接触微凸体的接触面积很小,基底承受了较大压力,其接触部分的最大应力值达到116.011 MPa(图5(b)),发生塑性变形,并出现相应压痕,实际接触面积增大,随后接触力下降,其数值在43.34-250.32μN之间波动;在撞击的初期,悬臂梁的上接触体部分区域的应力就已达到了屈服应力,其最大的应力值达到94.573 MPa(图5(a)),超过了材料的屈服极限,因此接触面的微凸体已经产生了塑性变形。仔细验算后续的撞击过程,可以发现,在两接触体上均有部分区域出现了塑性屈服(图5(b-d))。这表明,虽然并非每次的撞击过程都能造成局部接触区域发生塑性变形,但是,自第1次撞击过程发生以后,弹塑性的扰动始终在两接触体中传播。由于微悬臂梁的弹性恢复力,使得微悬臂梁末端压下量比基底的残余压痕深度来得小,致使微悬臂梁与基底间出现第1次分离(t=4.75-6.35μs),这个分离区在位移(挠度)响应中可以很明显看出(图4)。随着外载荷的不断增加,第2个明显冲击接触过程发生在6.35-6.75μs,在这个过程中6.5μs时的最大冲击力达到581.795μN,此时的节点9 132最大应力值达到120.916 MPa(图5(c)),发生接触的微凸体数目增多,接触微凸体接触中心的等效应力超过了材料的屈服极限,发生了塑性变形,初始屈服点发生在最高微凸体的表面下,其主要原因是摩擦副表面微凸体高低不平,实际接触只发生在少数微凸体上,其中几个较高的微凸体在外载荷的作用下发生较大的挤压变形,产生较高的接触压力,而且发现各个微凸体之间的相互影响开始加强,另外基底的接触应力也有所提高,最大值达到121.945 MPa(图5(d)),影响区域也明显增大;随后发生的次冲击区的接触力有所下降,其数值在4.2-219μN之间波动;第2次分离过程为6.75-7.05μs。根据图6(a)显示在4.0μs时发生接触的点最大等效应变值达到0.187,其他两个节点的等效应变值也比较大,而在6.5μs时的接触点的最大等效应力值达到0.234(图6(b)),较之前时刻的值大,这个也能很好的解释冲击响应的过程,与冲击力和应力的变化都有很大的关系。而第3个撞击区的过程为7.05-7.8μs,在这个过程中达到整个冲击过程的最大接触力值为715.16μN,相当于第1次撞击力的1.12倍,其等效应力值也有所提高,因为此时的外载荷逐渐增大,使得悬臂梁在还没有完全反弹结束又一次加载进行冲击接触;随后也产生了不少间断性的冲击接触,因此不能忽视后续撞击对其产生的影响。在卸载过程中(10-20μs),随着载荷的线性减少,微悬臂梁的弹性恢复力使得微悬臂梁末端与基底发生间歇性的接触,另外接触面产生的弹性形变的恢复导致多次局部接触,从而会产生波动的冲击力,平均冲击力达到100μN,直到外载荷减小到一定数值,弹性恢复力使梁末端与基底在16.35μs时完全发生分离。因此不可忽视微悬臂梁的弹性恢复力对微接触的影响,多个撞击区和多次撞击过程将对梁的接触体和基底的撞击物理行为产生重要影响,其等效应力分布也与冲击响应有很大的关系。

图4 接触面最先接触节点位移的响应曲线

图5 不同时刻接触体A、B的von Mises等效应力分布

图6 接触体A(基底)表面不同时刻的三维等效应变图

3.2 无量纲接触面积的变化

图7显示了无量纲接触面积随时间的变化过程(A为真实接触面积,A0为名义接触面积)。可以看出,无量纲接触面积的变化与冲击接触力的变化相一致,说明了冲击接触力与接触面积有直接的关系;整个接触分离过程,实际接触面积只占名义面积的极小一部分,这也与工程实际相符合。在加载初期还未接触,直到3.85μs时第1次发生接触,此时只有较高微凸体顶端接触,因而接触面积较小,随着载荷的不断加大,接触面积也随之迅速增大,到4μs达到第一次接触时的无量纲面积最大值(2.5%),随着接触力的变化,接触面积也随之产生变化;在加载阶段的无量纲接触面积最大在第2次冲击接触过程产生,最大值达到2.7%,由于弹性恢复力的作用使得悬臂梁带动接触体B与A进行多次接触,因而接触面积也不断发生变化,因为载荷的不断加大,更多的微凸体接入接触,塑形变形的产生也使得接触面积有所增加。在卸载阶段的载荷不断减小,但是仍然会有一部分接触体发生间断的接触,因此接触面积会发生波动,直到16.35μs时完全分离。

图7 无量纲接触面积与时间的变化曲线

4 结语

1)充分考虑重复接触过程中由于材料变形和粘着分离后接触表面的变化,以及微悬臂梁反弹力影响等,建立了一理想平面基底与微悬臂梁粗糙面间的动态接触模型,并得到其应力应变适时的变化情况。

2)由于微悬臂梁的弹性恢复及接触体的弹塑性变形影响,微悬臂梁粗糙面与平面基底的撞击过程实际上是一个复杂的多次弹塑性撞击过程,一般存在2个以上的明显撞击区,每个撞击区包含了形式多样的复杂的次生撞击过程。

3)无量纲接触面积的变化与冲击接触力的变化相一致,真实接触面积只占名义面积的一小部分,最大只占名义接触面积的2.7%。

微悬臂梁 篇2

1 微悬臂梁的力学分析模型

多晶铜微梁如图1所示,其长度为L,厚度为h,宽度为b。

对于多晶铜微梁,其有效弹性模量与平均弹性模量的关系[7]为

h———多晶铜微梁的厚度;

v———多晶铜微梁的泊松比,取0.3;

E'———多晶铜微梁的有效弹性模量;

E———多晶铜微梁的平均弹性模量;

l—铜多晶体材料的特征尺寸即内禀尺度[8],取0.2μm。

对于立方的铜多晶体,有弹性常数[9]C11=176GPa,C12=124GPa,C44=80GPa其平均弹性模量[10]为

通过以上这些计算结果得到如图2所示的关系图。

2 运用有限元软件分析应力与厚度的关系

本文建立五种模型,微悬臂梁全长L=200μm,矩形截面宽度b=3μm,高度h分别取:0.1μm、0.2μm、0.4μm、0.6μm、1μm,上下两驱动电极之间的距离d0=3μm,微悬臂梁材料的弹性模量E',泊松比v=0.32,特征长度l=0.2μm,密度dens=8.9e-15kg/μm,真空中的介电常数ε0:8.854e-6pF/μm,电压值U=50V(未达到吸合电压)。典型的微悬臂梁结构如图1所示,上电极和下电极之间形成一个可变电容,在静电力作用下,上极板(悬臂梁)发生向下的弹性形变,造成两极板的间隙减小,电容值增大,使静电力增大,从而又影响了悬臂梁的弹性形变。在此运用AN-SYS有限元软件,用TRANS126换能器单元的直接耦合静电结构耦合分析,对这五种模型求解得到固定端Y方向的最大应力。

由图3的ANSYS有限元分析得到结果为:

当h=1μm时,σXmax=15.633MPa;

当h=0.6μm时,σXmax=15.545MPa;

当h=0.4μm时,σXmax=15.471MPa;

当h=0.2μm时,σXmax=15.415MPa;

当h=0.1μm时,σXmax=15.39MPa。

由图4可知,固定端应力的突变是在厚度为0.6μm附近,并且固定端的应力随着微梁厚度的增加而增加。因为存在尺度效应,所以在0.6μm处发生突变,但是与微梁的特征尺寸0.2μm存在一定的误差。

3 由力学解析式计算固定端应力与厚度的关系

从图5不难得出微梁固定端的应力随着厚度的增加而减小。

4 结论

由图4和图5可见解析式得到的结果与有限元分析的结果是完全相反的,主要是因为存在机电耦合效应,所以很难直接计算得到准确的应力值,同时说明了弹性模量E在微梁变形中起着至关重要的作用,E是决定微观材料性能的重要因素。

本文的计算模型结果有助于准确地分析微梁的静态特性和吸合特性,有利于微梁的优化设计和应用,具有一定的实用意义,本文的结果对于静电力驱动的其它MEMS器件也有一定的参考价值。

参考文献

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微悬臂梁 篇3

关键词：ANSYS,有限元分析,微硬盘悬臂梁,模态分析

0 前言

随着便携式笔记本电脑的发展,越来越多的笔记本电脑已经走进日常生活。但是笔记本电脑硬盘的抗振性能严重影响着硬盘的小型化、高密度、高存储、高速度的发展,其中硬盘悬臂梁的振动是关键因素,它会使悬臂梁上的磁头偏离预定轨道,出现读写错误,严重时会损坏盘片、磁头。因此,研究振动对硬盘坚固性的影响成为硬盘发展的一个焦点[1,2]。

而利用三维有限元方法解决多种多样的工程技术问题是工程设计分析活动中不可缺少的重要环节,也是计算机辅助设计领域的重要拓展方向之一。ANSYS软件是以求解算法率高、应用类型广泛而闻名的有限元分析软件,但是存在着前处理过程烦琐、修改困难等缺点,特别是建立微硬盘悬臂梁这样复杂的三维实体模型,需要耗费大量的时间和精力。SolidWorks是基于 Windows/NT平 台的主流三维设计软件,他的三维造型功能强大,操作简单,与其他的设计、分析以及制造软件的数据交换能力很强。采用 SolidWorks建立微硬盘悬臂梁的三维实体模型,导入 ANSYS有限元分析软件,生成所需的有限元模型后,再进行有限元分析,可大大提高建立实体模型的效率,减少建模错误 ,对整体的结构分析和优化设计具有积极的意义[3]。本论文利用SolidWorks2006 三维制图软件,建立4.57cm(1.8英寸)笔记本硬盘悬臂梁的三维实体模型。采用有限元分析软件ANSYS对模型优化设计,并通过分析研究,确定影响微硬盘悬臂梁的固有频率与振动函数,从而为微硬盘悬臂梁的优化设计提供参考。

1 SolidWorks对微硬盘悬臂梁实体建模

当今,硬盘的读写驱动系统采用回旋驱动方式,即伺服机构(Servo System)驱动磁头沿磁盘的径向寻道和定位,并等待主轴电机将需要读写的磁盘扇区带至磁头下方,实现磁头对该扇区的数据读写。为了保证磁头对盘面数据信号的敏感性,磁头与盘面的间隙很小,现在头盘间隙已经达到(5-10)nm。当硬盘处于稳定工作状态时,头盘间隙保持在一个相对稳定的范围内;而当硬盘受到振动或冲击时,磁盘、浮动块、悬臂、传动臂等机械部件都会发生不同程度的振颤,引起气膜性能的改变,造成磁头与磁盘的碰撞和损坏。

因此,通过实体建模软件SolidWorks2006,依据自顶向下的实体特征参数的曲线曲面建模方法,建立微硬盘的实体模型,为有限元仿真做好准备。

如图1所示,微硬盘磁头悬臂梁主要由包括滑行磁头在内的4个零件组装而成。这些零部件包括:加载梁、传动臂、磁头、软线盖板。图1中给出了4.57cm(1.8英寸)微硬盘悬臂梁实体模型的上下两个面,厚度方向上未给出(此实体模型为合作单位应用于4.57cm微硬盘上的悬臂梁)。而对于微硬盘磁头弹性臂加载梁、弯曲梁和柔性电线安装板三个零件,由于它们在微硬盘磁头弹性臂结构中的作用比较重要,其特性也主要由他们决定,因此,将利用这三个零件的详细视图、主要尺寸以及焊点的精确位置,作为建立微硬盘磁头弹性臂简化实体模型的根据和参考。

2Solidworks模型导入ANSYS接口

将在SolidWorks中建立好的模型保存为Parasolid(*.X_t) 类型文件,以便

ANSYS软件接口能正确读入,接着从ANSYS中导入SolidWorks模型,在 ANSYS中点击 FiIe→Import→PAR,在弹出的对话框中选择后缀为.x_t的 Parasolid文件,然后在Geometry Type中默认 Solids Only,表示输入实体模型。将模型的几何结构输入 ANSYS后,就可以开始进行 ANSYS的前处理分析了。分析过程中,导人模型与直接在ANSYS中所建模型没有区别[4]。

3 微硬盘悬臂梁有限元模型的建立

有限元建模是有限元分析过程的关键,在有限元分析过程中为前处理,其主要任务是对结构的离散、结构模型的建立、单元类型和数量的选择、单元特征定义、单元质量检查以及模型边界条件的定义,这些任务即定义模型的几何、材料、载荷及约束等各方面的特性[5]。

3.1 设置单元类型并划分网格

网格划分是建模中非常重要的一个环节,网格划分的好坏将直接影响计算结果的准确性和计算进度,甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。根据微硬盘悬臂梁的结构特点以及分析需要,如图2所示,对1.8英寸微硬盘悬臂梁的传动臂的一面采用PLANE42单元类型,设定单元边长为0.25mm,通过自由网格划分方法,生成比较规则的网格,为映射网格生成做准备。如图3所示,将为硬盘悬臂梁的传动臂,采用SOLID45单元,通过映射、拖拉先前生成的面网格。如图4所示,将加载梁和软线盖板采用SHELL181壳单元,设定其单元边长为0.1mm,通过自由网格划分网格方法,对其进行网格划分。

3.2 模型优化

由于微硬盘悬臂梁结构和受力状态十分复杂,考虑所有的因素的影响是十分

困难的。为了便于分析和计算,在建立几何模型时,不可能完全照搬实际模型,要根据如边界条件等一些因素来对实际模型进行必要的处理、简化,以提高计算精度。降维处理即将三维问题简化为二维问题来处理,因为在平面上划分网格比在空间内划分要容易得多,单元数量也少得多,所以分析要相对简单。本论文将硬盘悬臂梁的前端的加载梁和软线盖板,进行简化去壳。简化网格大小、单元阶次以及减少计算量[6]。

对薄板进行去壳处理,进行薄壳分析,验证其计算结果一样,并且大大减少了计算量,如图5所示为对加载梁和软线盖板优化后的实体模型。

3.3 设置材料属性

微硬盘磁头悬臂梁中的传动轴、加载梁、软线盖板的弹性模量为2.10E11Pa,泊松比取为0.3,密度为7800kg/m3;微硬盘磁头悬臂梁中的滑行块的弹性模量为4.12E12Pa,泊松比取为0.27,密度为4250kg/m3。

3.4 施加约束条件

微硬盘磁头弹性臂模型在微硬盘上的安装部位为传动轴安装孔,作为边界条件,在 ANSYS 中将整个圆面中的节点设置为全约束、且要限制滑行块的轴方向的位移。

4 微硬盘悬臂梁有限元分析

经过以上的前处理程序以后,最终把微硬盘悬臂梁的物理模型转换为有限元模型。经过检验确认无误进入求解器进行求解,利用ANSYS计算生成的结果文件进行后处理,这里采用通用后处理器查看结果数据。

4.1 模态分析

在采用上述所选的材料特征的前题下,在设置了悬臂梁的焊点耦合约束方程和需要约束的部位,并且不同部位的弹性模量、泊松比和密度,以及网格划分的优化处理和队加载梁、软线盖板的降维去壳处理,进行模态分析,如表1所示。

4.2 结果分析

为了保证微硬盘能够在各种环境下面工作,必须保证微硬盘悬臂梁特别是加载梁和软线盖板处不能产生大的弯曲和扭转,将分析每阶频率所产生的变形,在满足微硬盘的不同工作环境和工作条件下所要避免得工作频段。

如图6所示,微硬盘悬臂梁在2阶的固有频率为2849.5HZ,此时微硬盘悬臂梁中的传动臂与加载梁将会产生整体弯曲。

如图7所示,微硬盘悬臂梁在六阶的固有频率为5799HZ,此时微硬盘悬臂梁的加载梁和软线盖板发生弯曲。

如图8所示,微硬盘悬臂梁在8阶的固有频率为18854HZ,此时微硬盘悬臂梁的加载梁和软线盖板发生扭转。

如图9所示,微硬盘悬臂梁在20阶的固有频率为8603.5HZ,此时为微硬盘悬臂梁的整体大摆动。

如表2所示,给出了在2阶中梁的整体弯曲;6、8阶中加载梁和软线盖板弯曲;20阶的整体大摆动,但是每一阶频率都有一定的模态振型,但是并不是每阶模态都是我们需要考虑的,只有上述的这些都是将要考虑的频率范围,为了硬盘能够非常稳定的工作,微硬盘悬臂梁必须要避免上述几个频率段的出现。

4 结语

综上所述,将SolidWorks和 ANSYS软件结合起来,成功地对微硬盘悬臂梁进行了三维实体建模和有限元分析。通过对悬臂梁的弯曲振动的分析,进行微硬盘悬臂梁的振动模态分析,计算出每阶固有频率下的振型,根据微硬盘的实际工作要求,在微硬盘悬臂梁的设计和磁头运行控制中,将避免出现悬臂梁的大的弯曲振动和大的整体摆动。这对于实际模型的优化提供了充足的依据。

参考文献

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微悬臂梁 篇4

微型静电驱动器是微机电系统中非常重要的一部分，国外有学者设计了一种垂直方向的驱动器，这种驱动器巧妙地利用了微悬臂结构，依靠上平面的可动部分与底部固定衬底之间的静电力来实现垂直驱动[3]。虽然这种悬臂结构可以实现高达8μm的垂直位移，但需要施加高达75 V的电压。根据不同的需求，一般微悬臂结构的材料可分为:单晶硅、铝、金，等[4]。但由于这些材料的生物兼容性以及集成化方面不如有机材料，所以许多研究人员希望能够设计出一种以有机材料为结构材料的微悬臂[5]。

由于微悬臂梁体积小、敏感性好，使得其在未来集成化、智能化的发展中具有非常重要的作用。而且以微悬臂梁为主要结构的微型传感器、微型执行器也是当今的重要研究领域。为了能够适应当今需求的不断苛刻，微型传感器和执行器的特征尺寸在不断减小，微系统加工制作越来越具有挑战性。实验中以SU-8光刻胶[6,7,8]作为结构材料，通过控制紫外光刻过程中的曝光剂量[9,10,11,12]，制作了厚度不等的微悬臂结构。这些悬臂梁结构具有良好的平整度和垂直度，可以很好的应用于微型传感器和微型执行器中。具有易于集成、设计灵活和制作成本低等特点。

1 微悬臂结构设计原理及加工

1.1 微悬臂结构设计原理

SU-8是一种负胶，含有酸不稳定功能团和光生酸剂。光源的辐射会使其产生一种低浓度的强酸，这种强酸相对于一种催化剂，可以促进有机分子的交联。光照后的加热过程也能够促进酸的产生以及有机分子的交联，这有助于进一步提高光刻胶的光敏性。SU-8分子含有环氧官能团，在受辐射后，单体分子的环氧官能团打开，并与周围其他分子相互连接。如图1所示，每个单体分子都有八个活性环氧官能团，所以交联后形成的有机物具有高的交联度，这使其在具有高的机械和热稳定性，从而能够在加工过程中保证图形的精确度。

作为一种光敏有机材料，SU-8光刻胶能够吸收紫外光。由于紫外线照射时会在SU-8光刻胶内引起一系列的化学反应，这导致紫外线不断被吸收。所以当紫外线从顶部到底部穿透光刻胶时，光照强度不断减小，这种现象在厚胶中尤为明显。这导致顶部的结构过曝光，而底部结构却欠曝光，将会产生一种T形而且垂直的侧壁结构。由于SU-8光刻胶对波长短的光线吸收率大于波长较长的光线，所以这种光强分布差异会在波长较短时更明显。这也意味着长波能够更容易地从光刻胶的顶部穿透至底部。所以在对厚胶进行曝光时，常常会用到一些滤光器，以滤掉短波获得更加垂直的侧壁。但尽管大多时候SU-8光刻胶对光源不同组分吸收率不同会影响结构的质量，但也可以对这种特性加以利用，以获得更加便利的制作方法。例如在利用控制曝光剂量来制作悬臂结构时，主要是利用了这一点。

为了能够使制作出的悬臂结构更稳定并能相互之间进行对比，采用了在支柱的四周均匀分布四个悬臂，如图2所示。悬臂长度为500μm，宽度为300μm。

1.2 微悬臂结构的加工

制作悬臂结构流程为:首先，制作出一层整个结构厚度的SU8光刻胶;然后制作支柱，此时的曝光剂量应该按照足够的剂量进行;最后再大幅减少曝光的剂量，以实际只对顶部的悬臂进行曝光。工艺流程如图3所示。

具体的制作步骤如下:

(1)旋涂。在硅片上倾倒适量的SU8-2150光刻胶然后进行旋涂，旋转速度为低速750 r/min持续时间为15 s。

(2)前烘。用硅片置于烘台上，从室温开始升温，采用阶梯缓升温，65℃保持20 min,95℃保持6 h。

(3)第一次曝光。对于该厚度的SU8-2150光刻胶的曝光剂量为4 200 m J/cm[2]，为获得更好的结构质量，在对该结构进行曝光时需要使用短波滤光片。

(4)第二次曝光。对于为了实现只对上层悬臂进行曝光，所以曝光剂量依次为20 m J/cm[2],40 m J/cm[2],50 m J/cm[2],60 m J/cm[2],70 m J/cm[2],80 m J/cm[2],100 m J/cm[2],120 m J/cm[2],140 m J/cm[2],160 m J/cm[2]。通过不同的曝光剂量来研究曝光剂量对悬臂厚度的影响。

(5)后烘。用硅片置于烘台上，从室温开始升温，每升5℃保持3 min,65℃保持10 min,95℃保持30 min。

(6)显影。在SU8光刻胶显影液中浸泡约90min，用未使用的干净显影液、去离子水冲洗，以去除残余显影液，取出硅片自然风干。

2 结果分析及讨论

将制作完成的结构放置于扫描电镜下观察，如图4所示。

通过电镜观察，曝光剂量为40 m J/cm[2]、60 m J/cm[2]、80 m J/cm[2]、100 m J/cm[2]时，可分别制作完成厚度149μm,240μm,290μm,345μm的微悬臂结构，随着曝光剂量的增加，达到100μm甚至更多时，悬臂结构逐渐消失，达到结构底部完全交联的状态。其次如果增加显影的时间，悬臂结构的厚度也会逐渐的减小，而从图中也能看出悬臂的底部并不平整。这主要是由于曝光剂量的不足，导致悬臂从上到下曝光程度不同，而靠近底部的部分自然曝光少。采用该方法可制作出微悬臂结构，且随着曝光剂量发生改变，微悬臂的厚度多样化，所得的悬臂也能基本满足要求。

在通过控制曝光剂量来控制悬臂结构厚度的制作方法中，为了能够更好地研究悬臂厚度的变化，分别采用了多种曝光剂量进行实验。为了求得悬臂厚度T与曝光剂量E之间的关系，假设T=aln(b E+t)，其中a,b,t分别为该式的参数常量[12]。如图5所示为通过MATLAB软件对数据进行拟合所得的曲线，并求得参数常量a,b,t分别为146.231 1,0.264 8,-7.893 1。

在对SU-8光刻胶微悬臂结构的制作过程中，对悬臂厚度具有较大影响的另外一个因素就是显影过程。显影的时间越长，悬臂的下部会逐渐会显影掉，所以悬臂的厚度逐渐减小。而且在显影完成后，为了去除残留的显影液通常会用去离子冲洗。但在制作这种悬臂结构时，由于去离子的表面张力大于显影液，所以为了避免悬臂结构崩塌，应该在用干净的显影液浸泡后自然风干。尽管这种方式，但此时液体的表面张力对悬臂仍有很大的影响，所以在制作较薄的悬臂时会使悬臂产生弯曲甚至断裂。

3 结论

提出一种基于SU-8光刻胶材料的微悬臂结构制作方法。利用这种材料对曝光剂量的敏感性，通过控制曝光剂量制作了多种厚度的微悬臂结构，并通过分析得出了悬臂厚度与曝光剂量的关系式。通过这种方法可以轻松地制作微悬臂结构，这与传统以硅或金属材料为基础的微悬臂相比，能够更好地适应目前微型传感器的发展趋势，具有非常广阔的发展空间。

摘要：研究了一种以SU-8光刻胶为结构材料的微悬臂结构。通过控制紫外光刻过程中的曝光剂量,仅仅使光刻胶的上部分发生交联,下部分的光照强度不足以发生交联反应,制作了厚度从149μm到345μm不等的微悬臂结构,并通过分析得出了悬臂厚度与曝光剂量的关系式。结果显示,采用该方法所制作的悬臂结构具有质量轻、价格便宜、操作灵活性大等特点,为制作出复杂的三维空间悬臂结构奠定了基础。与传统以硅或金属材料为基础的微悬臂相比,能够更好地适应目前微型传感器的发展趋势,具有非常广阔的发展空间。

关键词：微悬臂梁,曝光剂量,SU-8,交联反应,紫外光刻

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