基于柔性铰链支撑的热驱动微夹钳性能研究

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完整的微机电系统(MEMS)是由微传感器、微执行器、信号处理与控制电路、通讯接口和电源等部件组成的机电一体化微型器件系统。微执行器直接面对其应用对象,故它的机械性能对整个MEMS有着关键影响。所以研制和开发不同原理和结构的微夹持器,已成为近年来国内外微机械领域研究的热点。本文针对基于柔性铰链支撑的热驱动微夹钳进行了相关机械性能的研究,主要内容有: 从整体上对热驱动微夹钳进行了设计,分别考虑了材料的选用、硅微加工工艺、热致动器的形式、柔性铰链在微夹钳中的应用以及设计、制造与工艺间的关系等几方面问题,给出了热驱动微夹钳的整体设计方案。 建立了V型梁热致动器和微夹钳的静态力学模型,分别求解出了微夹钳的静态输入和输出表达式,并以此为基础推导出V型梁热致动器的驱动力与输出位移间成反比关系,进而从理论上探讨了直圆式柔性铰链切割半径对微夹钳机械性能的影响。 通过对微夹钳有限元仿真分析,探讨在柔性铰链最小宽度不变情况下,柔性铰链的形状曲线对微夹钳机械性能的影响,发现柔性铰链的切割半径越大,传动性能越好;由不同厚度微夹钳的有限元仿真分析可知,微夹钳厚度对其影响非常微小。通过对微夹钳实验所得数据的分析可知,V型梁热驱动微夹钳钳口处的输出位移与输入电压成正比例关系。微夹钳钳口的张合范围为9.33~10.47μm。考虑到具有不同结构特征的热致动器对微夹钳性能的影响不同,本文还针对变截面V型梁热致动器进行了实验分析,以考察具有不同结构特征的V型梁热致动器的机械性能,为以后的微夹钳设计提供设计参考。
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