CN112287488B - 一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构及约束方法 - Google Patents

一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构及约束方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构及约束方法，包括如下部件：若干固定体和一梁长约束体；若干直梁，若干所述直梁的第一端分别与若干所述固定体一一对应连接，若干所述直梁的第二端分别与所述梁长约束体连接；当所述直梁与所述梁长约束体连接的端点发生位移时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。本发明的非线性弹性约束结构与线性弹性约束结构相比，在相同的外力冲击下，可以减小可动部分的位移，避免可动部分与保护挡块碰撞，或减小碰撞时的撞击力，更好地保护器件微结构。

Description

一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构及约束方法
技术领域
本发明涉及一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构及约束方法，属于微机电传感器与执行器、微机电系统技术领域。
背景技术
很多类型的微机电传感器、执行器，如微加速度计、微陀螺和微镜，其微结构中都需要有可动的部分。一般会设计各种形式的梁为结构提供弹性支承，从而允许部分结构能够在一定范围内实现线位移或角位移。在某些条件下，比如器件在承受大加速度的情况下，其可动结构会发生大的位移，因此可能与结构中固定的部分发生接触甚至碰撞。可动部分与固定部分的接触和碰撞会导致电极间短路甚至结构损坏，因此需要器件在外界冲击或大驱动力作用下防止可动部分发生大位移，从而具备自保护功能。
一种常用的实现器件自保护功能的设计是使用挡块，或称止挡。这种方式是在离开器件可动结构一定距离处设置挡块，可动结构的位移增大时会受限于挡块。挡块和可动部分通常会设计处于同一电位，这样即使它们发生接触也不会造成短路。但是这种方式的缺点是，如果外部冲击力过大，可动结构与挡块会以碰撞的形式发生接触，仍可能损坏结构或在撞击后对器件的性能造成一定程度的影响。
发明内容
针对上述突出问题，本发明提供一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构及约束方法，该结构是具有非线性的力-位移关系的弹性约束结构，此种结构在器件可动部分发生大位移的情况下比在小位移下具有更高的刚度，在相同位移下可以比线性弹性约束结构承受更高的作用力，大幅度地提高结构可动部分和固定部分发生接触的外力阈值。因而这种非线性弹性约束结构能够提高微结构的抗冲击能力，更好地实现器件自保护功能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明第一方面涉及一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构，包括如下部件：
若干固定体和一梁长约束体；
若干直梁，若干所述直梁的第一端分别与若干所述固定体一一对应连接，若干所述直梁的第二端分别与所述梁长约束体连接；
当所述直梁与所述梁长约束体连接的端点发生位移时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。
所述的非线性弹性约束结构，优选地，所述固定体的数量为二，所述直梁的数量为四，所述梁长约束体为工字型结构，包括支撑部以及设置在所述支撑部两端的四个固定部，四个所述直梁的第一端分别与两个所述固定体的两端一一对应连接，四个所述直梁的第二端分别与四个所述固定部一一对应连接，当所述直梁与所述固定部连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。
所述的非线性弹性约束结构，优选地，所述固定体和所述直梁的数量均为四，所述梁长约束体为长方体或正方体，四个所述直梁的第一端分别与四个所述固定体的一端一一对应连接，四个所述直梁的第二端分别与所述梁长约束体连接，当所述直梁与所述梁长约束体连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。
所述的非线性弹性约束结构，优选地，所述固定体和所述直梁的数量均为四，所述梁长约束体为工字型结构，包括支撑部以及设置在所述支撑部两端的四个固定部，四个所述直梁的第一端分别与四个所述固定体的一端一一对应连接，四个所述直梁的第二端分别与四个所述固定部一一对应连接，当所述直梁与所述固定部连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。
所述的非线性弹性约束结构，优选地，所述固定体的数量为一，所述直梁的数量为二，所述梁长约束体为U字型结构，包括支撑部以及设置在所述支撑部两端的两个固定部，两个所述直梁的第一端分别与所述固定体的两端对应连接，两个所述直梁的第二端分别与两个所述固定部对应连接，当所述直梁与所述固定部连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。
所述的非线性弹性约束结构，优选地，所述固定体的数量为一，所述直梁的数量为四，所述梁长约束体为中空圆柱体，四个所述直梁的第一端分别与所述固定体连接，且所述固定体位于所述梁长约束体的中心位置，四个所述直梁的第二端分别与所述梁长约束体连接，当所述直梁与所述梁长约束体连接的端点相对结构中心发生角位移转动时，所述梁长约束体和所述固定体约束所述直梁在长度方向发生变形。
本发明第二方面涉及上述非线性弹性约束结构的约束方法，当需要对线位移进行约束时，包括如下步骤：
a明确需要约束的微结构的可动部分的线位移方向；
b把所述直梁的梁长方向设置为与所述微结构的可动部分的线位移方向垂直；
c选择一个所述固定体，固定所述直梁的一端；
d设置所述梁长约束体，并使所述梁长约束体与所述直梁的另外一端固定连接；
e将所述梁长约束体与所述微结构的可动部分固定连接。
本发明第三方面涉及上述的非线性弹性约束结构的约束方法，当需要对角位移进行约束时，包括如下步骤：
a明确需要约束的微结构的可动部分的角位移的回转中心；
b在所述回转中心处设置所述固定体；
c将所述直梁的一端与所述固定体连接，把梁长方向设置为沿回转半径方向；
d设置所述梁长约束体，并使所述梁长约束体与所述直梁的另外一端固定连接；
e将所述梁长约束体与所述微结构的可动部分固定连接。
上述非线性弹性约束结构还可以与挡块同时使用。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、与线性弹性约束结构相比，使用非线性弹性约束的微结构，在可动部分发生相同位移的情况下能够比线性弹性约束结构吸收更多的能量，使器件能够承受更大的冲击力。
2、与线性弹性约束结构相比，在相同的外力冲击下，可以减小可动部分的位移，避免可动部分与保护挡块碰撞，或减小碰撞时的撞击力，更好地保护器件微结构。
附图说明
图1是本发明中对线位移具有非线性弹性约束结构的示意图；
图2是本发明中对线位移具有非线性弹性约束结构的另外一种示意图；
图3是本发明中对角位移具有非线性弹性约束结构的示意图；
图4是本发明中具有非线性弹性约束结构的力-位移关系示意图；
图5是本发明中具有非线性弹性约束结构与线性弹性约束结构的力-位移关系对比示意图；
图6是图1中减小梁长约束体的宽度对线位移具有非线性弹性约束结构的示意图；
图7是图2中梁长约束体采用弯曲结构对线位移具有非线性弹性约束结构的另外一种示意图；
图中各附图标记如下：
1-固定体；2-直梁；3-梁长约束体，301-支撑部，302-固定部。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种对线位移具有非线性弹性约束结构，包括：固定体1、直梁2和梁长约束体3，固定体1的数量为二，直梁2的数量为四，梁长约束体3为工字型结构，包括支撑部301以及设置在支撑部301两端的四个固定部302，四个直梁2的第一端分别与两个固定体1的两端一一对应连接，四个直梁2的第二端分别与四个固定部302一一对应连接，当直梁2与固定部302连接的端点发生左右方向的位移时，梁长约束体3和固定体1约束直梁2在长度方向发生变形。
如图2所示，本发明提供另外一种对线位移具有非线性弹性约束结构，包括：固定体1、直梁2和梁长约束体3，固定体1和直梁2的数量均为四，梁长约束体3为长方体或正方体，四个直梁2的第一端分别与四个固定体1的一端一一对应连接，四个直梁2的第二端分别与梁长约束体3连接，当直梁2与梁长约束体3连接的端点发生左右方向的位移时，梁长约束体3和固定体1约束直梁2在长度方向发生变形。
如图3所示，本发明提供一种对角位移具有非线性弹性约束结构，包括：固定体1、直梁2和梁长约束体3，固定体1的数量为一，直梁2的数量为四，梁长约束体3为中空圆柱体，四个直梁2的第一端分别与固定体1连接，且固定体1位于梁长约束体3的中心位置，四个直梁2的第二端分别与梁长约束体3连接，当直梁2与梁长约束体3连接的端点相对结构中心发生角位移转动时，梁长约束体3和固定体1约束直梁2在长度方向发生变形。
本发明中的非线性弹性约束结构能够实现大位移约束的原理是：结构的位移与所施加的作用力之间为非线性关系，位移越大，结构的刚度越大，从而在大位移状态下要使结构再增大位移，需要施加比线性弹性结构更大的力。力与位移非线性关系的实现，是利用梁的轴向变形能，具体分析如下：
以图4为例分析弹性约束结构的力-位移关系，设所示的直梁2为对称结构中的一根，其左端与固定体1连接。以直梁2的左端为原点建立O-xy直角坐标系，以梁长方向为x正方向，x正方向逆时针转动90°为y正方向。直梁2右端与梁长约束体3连接，在x方向不能发生位移，只能在y方向发生位移。并由于整体弹性约束结构的对称性，图示的直梁2变形后在其右端处，变形曲线的切线平行于x轴。设直梁2通过梁长约束体3分担y方向的外力f，直梁2右端受到梁长约束体3施加的剪力F、轴向力N和弯矩M，直梁2右端的挠度为yl。
设直梁2的挠度曲线函数ω(x)为：
ω(x)＝a3x3+a2x2+a1x+a0
其中，a3,a2,a1,a0为待定系数，x为梁长方向上的坐标；
边界条件为：
ω(0)＝0,ω′(0)＝0,ω(l)＝yl,ω′(l)＝0
其中，l为直梁2的长度，yl为直梁2右端的挠度值，ω′(0)为挠度函数ω(x)的导数函数在x＝0处的值，ω′(l)为挠度函数ω(x)的导数函数在x＝l处的值。
把边界条件代入挠度曲线，可以确定a3,a2,a1,a0的值，得到挠度曲线函数ω(x)为：
Figure BDA0002764324470000061
直梁2右端在x方向的位移由两部分叠加而成，一部分为挠度曲线引起，另一部分为轴向力引起，由于直梁2的长度方向受到约束，两者之和应为0。
由挠度引起的轴向位移函数δω(x)为：
Figure BDA0002764324470000062
其中，ω即为挠度曲线函数ω(x)；
得到直梁2右端轴向位移δω(l)为：
Figure BDA0002764324470000071
则轴向力引起的轴向位移δN(x)应为：
Figure BDA0002764324470000072
由挠度函数可计算梁的弯曲变形能E1为：
Figure BDA0002764324470000073
其中，E为梁材料的弹性模量，I为梁截面对应弯矩施加方向的惯性矩；
由轴向力引起的轴向变形可计算直梁2的轴向变形能E2为：
Figure BDA0002764324470000074
/>
其中，A为直梁2端横截面积，δN即为轴向位移δN(x)。
外力势能Ep为：
Ep＝-fyl
由总势能驻值定理：
Figure BDA0002764324470000075
得到：
Figure BDA0002764324470000076
上式即为要使结构发生位移yl应施加的外力，可见由于有位移3次项的存在，所需施加的外力在大位移下会急剧增大，从而实现非线性弹性约束。
下面结合具体案例进行分析：
以梁厚6μm、梁宽20μm、梁长300μm的矩形截面直梁2为例，设材料的弹性模量为170GPa，其末端位移yl与外力f的关系，如图5所示。
由图5可见，要达到一定的位移，所需施加的外力中有位移的1次项和3次项，其中的3次项随着位移的增大而急剧增大。图中要达到10μm位移，所需外力约为其中线性项的3倍。因此这样的结构在同样的位移下比线性弹性约束结构可以抵抗更大的外力作用，使器件在更恶劣的环境条件下生存。
如图6所示，本发明还提供一种对线位移具有非线性弹性约束结构，包括：固定体1、直梁2和梁长约束体3，固定体1和直梁2的数量均为四，梁长约束体3为工字型结构，包括支撑部301以及设置在支撑部301两端的四个固定部302，四个直梁2的第一端分别与四个固定体1的一端一一对应连接，四个直梁2的第二端分别与四个固定部302一一对应连接，当直梁2与固定部302连接的端点发生左右方向的位移时，梁长约束体3和固定体1约束直梁2在长度方向发生变形。
如图7所示，本发明还提供一种对线位移具有非线性弹性约束结构，包括：固定体1、直梁2和梁长约束体3，固定体1的数量为一，直梁2的数量为二，梁长约束体3为U字型结构，包括支撑部301以及设置在支撑部301两端的两个固定部302，两个直梁2的第一端分别与固定体1的两端对应连接，两个直梁2的第二端分别与两个固定部302对应连接，当直梁2与固定部302连接的端点发生左右方向的位移时，梁长约束体3和固定体1约束直梁2在长度方向发生变形。
基于上述非线性弹性约束结构，本发明还涉及该非线性弹性约束结构的约束方法，当需要对线位移进行约束时，包括如下步骤：
a明确需要约束的微结构的可动部分的线位移方向；
b把直梁2的梁长方向设置为与微结构的可动部分的线位移方向垂直；
c选择一个固定体1，固定直梁2的一端；
d设置梁长约束体3，并使梁长约束体3与直梁2的另外一端固定连接，并且在梁长方向有较高的刚度，限制直梁2在梁长方向上发生变形；对于对称结构，梁长约束体3可同时与两根或两根以上直梁2的非固定端固连；
e将梁长约束体3与微结构的可动部分固定连接。
基于上述非线性弹性约束结构，本发明还涉及该非线性弹性约束结构的约束方法，当需要对角位移进行约束时，包括如下步骤：
a明确需要约束的微结构的可动部分的角位移的回转中心；
b在回转中心处设置固定体1；
c将直梁2的一端与固定体1连接，把梁长方向设置为沿回转半径方向；
d设置梁长约束体3，并使梁长约束体3与直梁2的另外一端固定连接，并且在梁长方向有较高的刚度，限制直梁2在梁长方向上发生变形；对于对称结构，梁长约束体3可同时与两根或两根以上直梁2的非固定端固连；
e将梁长约束体3与微结构的可动部分固定连接。
本发明中的非线性弹性约束结构可以单独使用，也可以与挡块类型的保护结构同时使用。该结构非线性度的调整方法如下：
非线性弹性约束结构的非线性程度可以通过设计直梁2的几何参数来调整，也可以通过改变梁长约束体3的刚度来调整。
设梁长约束体3为刚体，则直梁2在确定的材料和几何参数下，非线性程度为最高。减小梁长约束体3的刚度可以减小直梁2的轴向变形刚度，使得在变形过程中轴向变形能比完全刚性约束降低，从而降低弹性约束的非线性程度。
减小梁长约束体3刚度的具体措施包括减小其宽度、采用弯曲结构等。图6所示为用减小梁长约束体3宽度的方法降低梁长约束刚度；图7所示为采用弯曲结构的梁长约束体3以降低梁长约束刚度。
本发明的非线性弹性约束结构的非线性力-位移关系计算方法，具体如下：
如果采用刚性梁长约束体3，非线性弹性约束结构的力-位移特性与结构材料及几何参数的关系可以用前述的理论分析方法确定，也可以采用有限元数值分析的方法确定。
如果采用非刚性梁长约束体3，非线性弹性约束结构的力-位移特性与结构材料及几何参数的关系可以采用有限元数值分析的方法确定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于微机电器件的非线性弹性约束结构，其特征在于，包括如下部件：
若干固定体(1)和一梁长约束体(3)；
若干直梁(2)，若干所述直梁(2)的第一端分别与若干所述固定体(1)一一对应连接，若干所述直梁(2)的第二端分别与所述梁长约束体(3)连接；
当所述直梁(2)与所述梁长约束体(3)连接的端点发生位移时，所述梁长约束体(3)和所述固定体(1)约束所述直梁(2)在长度方向发生变形；
所述非线性弹性约束结构的具体结构之一为：所述固定体(1)的数量为二，所述直梁(2)的数量为四，所述梁长约束体(3)为工字型结构，包括支撑部(301)以及设置在所述支撑部(301)两端的四个固定部(302)，四个所述直梁(2)的第一端分别与两个所述固定体(1)的两端一一对应连接，四个所述直梁(2)的第二端分别与四个所述固定部(302)一一对应连接，当所述直梁(2)与所述固定部(302)连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体(3)和所述固定体(1)约束所述直梁(2)在长度方向发生变形。
2.根据权利要求1所述的非线性弹性约束结构，其特征在于，所述固定体(1)和所述直梁(2)的数量均为四，所述梁长约束体(3)为长方体或正方体，四个所述直梁(2)的第一端分别与四个所述固定体(1)的一端一一对应连接，四个所述直梁(2)的第二端分别与所述梁长约束体(3)连接，当所述直梁(2)与所述梁长约束体(3)连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体(3)和所述固定体(1)约束所述直梁(2)在长度方向发生变形。
3.根据权利要求1所述的非线性弹性约束结构，其特征在于，所述固定体(1)和所述直梁(2)的数量均为四，所述梁长约束体(3)为工字型结构，包括支撑部(301)以及设置在所述支撑部(301)两端的四个固定部(302)，四个所述直梁(2)的第一端分别与四个所述固定体(1)的一端一一对应连接，四个所述直梁(2)的第二端分别与四个所述固定部(302)一一对应连接，当所述直梁(2)与所述固定部(302)连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体(3)和所述固定体(1)约束所述直梁(2)在长度方向发生变形。
4.根据权利要求1所述的非线性弹性约束结构，其特征在于，所述固定体(1)的数量为一，所述直梁(2)的数量为二，所述梁长约束体(3)为U字型结构，包括支撑部(301)以及设置在所述支撑部(301)两端的两个固定部(302)，两个所述直梁(2)的第一端分别与所述固定体(1)的两端对应连接，两个所述直梁(2)的第二端分别与两个所述固定部(302)对应连接，当所述直梁(2)与所述固定部(302)连接的端点发生左右方向的位移时，所述梁长约束体(3)和所述固定体(1)约束所述直梁(2)在长度方向发生变形。
5.根据权利要求1所述的非线性弹性约束结构，其特征在于，所述固定体(1)的数量为一，所述直梁(2)的数量为四，所述梁长约束体(3)为中空圆柱体，四个所述直梁(2)的第一端分别与所述固定体(1)连接，且所述固定体(1)位于所述梁长约束体(3)的中心位置，四个所述直梁(2)的第二端分别与所述梁长约束体(3)连接，当所述直梁(2)与所述梁长约束体(3)连接的端点相对结构中心发生角位移转动时，所述梁长约束体(3)和所述固定体(1)约束所述直梁(2)在长度方向发生变形。
6.一种如权利要求1-4任意一项所述的非线性弹性约束结构的约束方法，当需要对线位移进行约束时，其特征在于，包括如下步骤：
a明确需要约束的微结构的可动部分的线位移方向；
b把所述直梁(2)的梁长方向设置为与所述微结构的可动部分的线位移方向垂直；
c选择一个所述固定体(1)，固定所述直梁(2)的一端；
d设置所述梁长约束体(3)，并使所述梁长约束体(3)与所述直梁(2)的另外一端固定连接；
e将所述梁长约束体(3)与所述微结构的可动部分固定连接。
7.一种如权利要求5所述的非线性弹性约束结构的约束方法，当需要对角位移进行约束时，其特征在于，包括如下步骤：
a明确需要约束的微结构的可动部分的角位移的回转中心；
b在所述回转中心处设置所述固定体(1)；
c将所述直梁(2)的一端与所述固定体(1)连接，把梁长方向设置为沿回转半径方向；
d设置所述梁长约束体(3)，并使所述梁长约束体(3)与所述直梁(2)的另外一端固定连接；
e将所述梁长约束体(3)与所述微结构的可动部分固定连接。
8.一种如权利要求1-5任意一项所述的非线性弹性约束结构的约束方法，其特征在于，将权利要求1-5任意一项所述的非线性弹性约束结构与挡块同时使用，采用权利要求6或7的约束方法。
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