CN117486161A - 一种弯扭结合的mems微梁结构 - Google Patents

一种弯扭结合的mems微梁结构 Download PDF

Info

Publication number
CN117486161A
CN117486161A CN202311452752.7A CN202311452752A CN117486161A CN 117486161 A CN117486161 A CN 117486161A CN 202311452752 A CN202311452752 A CN 202311452752A CN 117486161 A CN117486161 A CN 117486161A
Authority
CN
China
Prior art keywords
auxiliary
main
main beam
bending
beams
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311452752.7A
Other languages
English (en)
Inventor
黎永前
丁嘉谦
张超凡
乔大勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202311452752.7A priority Critical patent/CN117486161A/zh
Publication of CN117486161A publication Critical patent/CN117486161A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0072—For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，包括主梁，主梁上设置受力平台，主梁远离受力平台的端部连接辅助梁，辅助梁分布在主梁的两侧，辅助梁的下端连接支撑柱；主梁从两端到中部的宽度不相等。辅助梁与主梁的连接处形成过渡角，使辅助梁与主梁之间形成弯曲的弧角，且只在辅助梁的下端设置有支撑柱。主梁从辅助梁到受力平台之间的宽度不相等。本发明提出的MEMS微梁结构减少了辅助梁与主梁弯曲连接处的应力集中，降低了后期出现断裂的风险，延长了微梁的疲劳寿命；同时减小微梁结构的刚度和MEMS系统的响应时间。

Description

一种弯扭结合的MEMS微梁结构
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，涉及一种弯扭结合的MEMS微梁结构。
背景技术
微梁是MEMS器件中最常使用的连接装置之一，其结构形式及特征尺寸决定了工作过程的力学参数，如应力分布、刚度、弯曲、扭转应变等。这些力学参数直接影响微梁的疲劳寿命、静态特性和动态特性，其中应力集中严重的结构寿命较低，在工作过程中易发生断裂。根据运动时微梁的形变方式，可分为弯曲梁、扭转梁、弯扭结合梁三种。
弯曲梁是通过力作用在梁上产生弯曲形变来工作的微梁结构。MEMS开关梁和数字微镜的铰链均涉及弯曲梁结构。弯曲梁形变区域一般集中在梁的局部，这导致弯曲梁容易产生应力集中。为了降低应力集中，通常采用增加弯曲梁体积和增加弯曲梁数量的方法。采用环形或蝴蝶型结构，能够增加弯曲梁的体积，从而减小应力集中，提高疲劳寿命。这种结构的改进虽然减小应力集中，但是会降低整体梁的固有频率，更易产生屈曲形变。另一种数字微镜的铰链部分采用三个弯曲梁，增加了弯曲梁数量，从而减小应力集中，提高疲劳寿命。这种结构的改进虽然减小应力集中，但是会提高整体梁的固有频率，增加响应时间。
扭转梁是通过力矩作用在梁上产生扭转形变来工作的微梁结构。MEMS扫描镜和数字微镜的铰链均涉及扭转梁结构。扭转梁的形变区域分布在整个梁上，在扭转梁的固定连接处存在局部应力集中。为了降低应力集中，通常采用增加扭转梁数量的方法。一种MEMS扫描镜的连接结构和一种数字微镜的铰链部分均采用两根扭转梁串联的结构，其中一根梁连接可动镜面，另一根梁连接固定元件。这两种结构的镜面转角位移产生的扭转形变分布到两根扭转梁中，减小了扭转梁与固定元件连接处的应力集中。此方法等效于增加扭转梁的体积，从而减小应力集中，提高疲劳寿命，但是用此方法减小应力集中会降低整体梁的固有频率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中连接微梁在工作中由于应力集中，梁的疲劳寿命低，容易出现断裂的问题，提供一种弯扭结合的MEMS微梁结构。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种弯扭结合的MEMS微梁结构，包括受力平台、主梁、辅助梁和支撑柱；
所述主梁连接受力平台，所述主梁远离受力平台的端部连接辅助梁，所述辅助梁分布在主梁的两侧，所述辅助梁的下端连接支撑柱；
所述辅助梁与主梁的连接处形成过渡角。
本发明的进一步改进在于：
所述主梁从两端到中部的宽度不相等。
所述主梁的宽度从两端到中部逐渐变小。
所述主梁的一端设置有过渡部，所述过渡部能够使主梁与辅助梁的连接处形成过渡角。
所述过渡部包括主梁连接段，所述主梁连接段的两侧对称分布圆弧段，圆弧段用于连接辅助梁，所述圆弧段两侧的端面结构为弧形。
所述两侧圆弧段的连接处形成M型结构。
所述受力平台固定在主梁的一端，辅助梁设置在主梁的另一端。
所述主梁对称设置在受力平台的两侧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，包括在主梁的两侧分布辅助梁，辅助梁与主梁的连接处形成过渡角，使辅助梁与主梁之间形成弯曲的弧角。当微梁结构受力发生形变时，主梁的形变方式为扭转，辅助梁的形变方式为弯曲。通过主梁和辅助梁的配合，将弯曲和扭转运动分解在微梁结构的不同部分，能够在减少应力集中的同时提高结构的最大形变量。这种弯扭结合梁既增加了微梁形变产生的位移，又减少了应力集中。且只在辅助梁的下端设置有支撑柱，减少了辅助梁与主梁弯曲连接处的应力集中，降低了微梁与固定元件连接处的应力集中现象，延长了微梁的疲劳寿命。本发明公开的结构，可以在主梁产生扭转形变时，减小微梁结构的应力集中，降低出现断裂的风险，同时降低了MEMS系统的响应时间。
进一步的，本发明中，主梁的宽度从两端到中部逐渐变小，能够将应力分布在主梁内部，减小应力集中，还能够减小微梁结构的刚度，降低了MEMS系统的响应时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的微梁结构应用结构图；
图2为本发明的实施例中第一种微梁结构整体结构图；
图3为本发明的实施例中第一种微梁结构整体结构分解图；
图4为本发明的实施例中第二种微梁结构整体结构图；
图5为本发明的实施例中第二种微梁结构的分解图；
图6为本发明的实施例中实施例4的微梁结构整体结构图；
图7为本发明的实施例中实施例4的微梁结构的分解图；
图8为本发明的实施例中实施例4的微梁结构施加不同方向力的示意图。
图9为本发明的实施例中第一种微梁结构过渡角示意图；
图10为本发明的实施例中第二种微梁结构的渡角示意图。
其中：1-受力平台；2-主梁；3-辅助梁；4-基底；5-镜面；6-支撑柱；7-镜面支撑柱；
221-主梁连接段；222-圆弧段。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，作用于MEMS工作元件与基底4之间，负责连接和约束工作元件。工作元件与受力平台1连接，在工作时会产生位移，从而对受力平台1施加力或力矩；受力平台1与主梁2连接，主梁2的梁宽度由两端向中间递减；主梁2与辅助梁3通过过渡部22连接，所述过渡部22的一端与主梁2连接，另一端与辅助梁3连接，使得主梁2与辅助梁3之间形成的过渡角θ，过渡角θ在0～180°之间；辅助梁3与基底4连接，基底4负责约束整个微梁结构。本发明能够通过改变所述主梁2的形状、尺寸和过渡部22的过渡角，以及过渡部22和辅助梁3的个数，减小MEMS微梁结构的应力集中和刚度，从而减小工作元件的响应时间，提高疲劳寿命。
具体包括以下结构：
实施例1
参见图2至图3，本实施例中公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，包括主梁2，主梁2上设置受力平台1，所述主梁2远离受力平台1的端部连接辅助梁3，所述辅助梁3分布在主梁2的两侧，所述辅助梁3的下端连接支撑柱6；所述辅助梁3与主梁2的连接处形成过渡角；所述主梁2从两端到中部的宽度不相等。
本实施例中，过渡角使主梁2与辅助梁3之间形成一个弯曲的角度，减少了应力的集中，通过弯扭结合的运动形式增大形变部分，分散应力。
本实施例中，过渡角的范围为0°≤θ≤180°。
实施例2
本实施例中公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，包括主梁2，所述主梁2上设置受力平台1，所述主梁2远离受力平台1的端部连接辅助梁3，所述辅助梁3分布在主梁2的两侧，所述辅助梁3的下端连接支撑柱6；所述辅助梁3与主梁1的连接处形成过渡角；所述主梁2从两端到中部的宽度不相等，所述主梁2的一端设置有过渡部22，所述过渡部22能够使主梁2与辅助梁3的连接处形成过渡角。
进一步的，本实施例中，过渡部22包括主梁连接段221，所述主梁连接段221的两侧对称分布圆弧段222，圆弧段222用于连接辅助梁3，所述圆弧段222两侧的端面结构为弧形。
进一步的，本实施例中过渡部22为“M”型梁结构。
进一步的，本实施例中，受力平台1的两侧对称分布主梁2，辅助梁3对称分布在主梁2的两端，每一端分布有两个辅助梁3，两个辅助梁3沿主梁2的两侧对称分布。
进一步的，受力平台1的横截面为正方形，与工作元件连接。
进一步的，主梁2从两端向中间宽度逐渐减小，横截面为不等宽四边形。
进一步的，本发明实施例中，受力平台1、主梁2、过渡部22和辅助梁3为一体结构。
进一步的，所述受力平台1的边长为500nm；主梁2的长度为3500nm，宽度由两端向中心递减，两端宽度为700nm，中心宽度为500nm；过渡部22与辅助梁3的宽度均为500nm，参见图9，过渡角为45°。
进一步的，辅助梁3的梁长度为1800nm，宽度为500nm，下方支撑柱6的截面为正方形，边长为500nm，支撑柱6高度为1000nm，除支撑柱6外，整个结构的厚度处处相等，均为40nm。
实施例3
参见图4至图5，本实施例公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，与实施例3的区别在于，本实施例中，受力平台1固定在主梁2的一端，辅助梁3设置在主梁2的另一端，且过渡部22为远离主梁2的一侧形成V型结构，
参见图10，辅助梁3与主梁2之间的过渡角为135°。
受力平台1的边长为750nm；所述主梁2的长度为5000nm，宽度由两端向中心递减，两端宽度为1100nm，中心宽度为500nm；过渡部22与辅助梁3的宽度均为500nm，辅助梁3与主梁2之间的过渡角为135°；所述辅助梁3的梁长度为1800nm，宽度为500nm，下方支撑柱6截面为正方形，边长为500nm，支撑柱6高度为1000nm。除支撑柱6外，所述装置的厚度处处相等，均为40nm。
当过渡部22与辅助梁3仅位于主梁2的单侧时，微梁形变量增加，自由度更高。弯曲与扭转形变分别产生在主梁2和辅助梁3部分，不会产生应力集中现象，提高结构的疲劳寿命。
本发明公开的几个实施例中，对不等宽梁即主梁2施加如图2所示扭矩，不等宽梁产生扭转形变，梁的截面处产生切应力和正应力，同时产生应变能。切应力公式为：∫AAτdA＝T；
式中，A为不等宽梁截面面积，τ为截面切应力，T为施加的扭矩；
正应力公式为：σ＝M/Wz；
式中，M为截面上的弯矩，Wz为截面抗弯系数；
不等宽梁宽度定义为两端最大宽度，过渡部22宽度定义为与辅助梁3连接部分的宽度。
当不等宽梁的梁宽(或者厚度)增加，即不等宽梁的截面面积增加，导致其截面切应力和正应力减小；根据公式τ＝Gγ，式中G为切变模量(常量)，γ为截面切应变，当截面切应力减小，截面切应变减小，过渡部22与不等宽梁一体连接，导致过渡部22的弯曲形变减小，弯曲应力减小。
当不等宽梁的梁长增加，根据切应力公式可知，梁截面的切应力不变，梁截面上的弯矩增大导致其正应力增大，过渡部22与不等宽梁一体连接，导致过渡部22的弯曲形变增大，弯曲应力增大。
当过渡部22的梁宽(或者厚度)增加，其弯曲形变减小，弯曲应力减小，而不等宽梁形变和应力不受影响；
当过渡部22的梁长增加，其弯曲形变增加，弯曲应力增加，而不等宽梁形变和应力不受影响。
实施例4
参见图6至图7，本实施例公开了一种弯扭结合的MEMS微梁结构，与实施例1的区别在于，本实施例中，辅助梁3与主梁2之间的过渡角为90°。
受力平台1的边长为800nm，主梁2的长度为5500nm，宽度由两端向中心递减，两端宽度为700nm，中心宽度为600nm；过渡部22与辅助梁3的宽度均为600nm，辅助梁3与主梁2之间的过渡角为90°；辅助梁3的梁长度为2100nm，宽度为500nm，下方支撑柱6的截面为正方形，边长为500nm，支撑柱6高度为1000nm。除支撑柱6外，所述装置的厚度处处相等，均为50nm。
本实施例中，微梁结构受力的种类如图所示。
参见图8，当受到的力为F1时，受力平台1产生平移，进一步主梁2产生弯曲形变，辅助梁3和过渡部22发生扭转形变。当受到的力为F2时，受力平台1产生转动，进一步主梁2产生弯曲形变，但两部分主梁形变方向相反，所传递给两个过渡部22的力矩也相反，所以过渡部22产生方向相反的扭转形变，同理，两个辅助梁3产生方向相反扭转形变。
当微梁结构受到外界不同方向的力或力矩时，主梁2、过渡部22和辅助梁3通过扭转和弯曲形变，将本该集中在部分区域的应力分散在微梁整体，减小了应力集中现象，提高了疲劳寿命。
参见图1，本实施例还公开了一种数字微镜单元，包括弯扭结合的MEMS微梁，弯扭结合的MEMS微梁的下端连接基底4，上端通过镜面支撑柱7连接镜面5。
将本实施例公开的MEMS微梁结构应用在数字微镜单元中只是其中一种应用，本发明公开的MEMS微梁结构能够适用于不同的MEMS致动器，用以缓解MEMS致动器中梁结构由于应力集中，容易出现断裂的现象，与MEMS致动器中大量可动元件的适配性更高，增加MEMS致动器的使用寿命。
弯扭结合梁通过力和力矩共同作用在梁上产生弯曲和扭转形变来工作。弯扭结合梁既能产生较大的形变，又能缓解应力集中。相较于弯曲梁和扭转梁，在相同或更小的结构尺寸下，弯扭结合梁具有更好的性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，包括受力平台(1)、主梁(2)、辅助梁(3)和支撑柱(6)；
所述主梁(2)连接受力平台(1)，所述主梁(2)远离受力平台(1)的端部连接辅助梁(3)，所述辅助梁(3)分布在主梁(2)的两侧，所述辅助梁(3)的下端连接支撑柱(6)；
所述辅助梁(3)与主梁(2)的连接处形成过渡角。
2.根据权利要求1所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述主梁(2)从两端到中部的宽度不相等。
3.根据权利要求2所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述主梁(2)的宽度从两端到中部逐渐变小。
4.根据权利要求1所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述主梁(2)的一端设置有过渡部(22)，所述过渡部(22)能够使主梁(2)与辅助梁(3)的连接处形成过渡角。
5.根据权利要求4所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述过渡部(22)包括主梁连接段(221)，所述主梁连接段(221)的两侧对称分布圆弧段(222)，圆弧段(222)用于连接辅助梁(3)，所述圆弧段(222)两侧的端面结构为弧形。
6.根据权利要求5所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述两侧圆弧段(222)的连接处形成M型结构。
7.根据权利要求1所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述受力平台(1)固定在主梁(2)的一端，辅助梁(3)设置在主梁(2)的另一端。
8.根据权利要求1所述的一种弯扭结合的MEMS微梁结构，其特征在于，所述主梁(2)对称设置在受力平台(1)的两侧。
CN202311452752.7A 2023-11-02 2023-11-02 一种弯扭结合的mems微梁结构 Pending CN117486161A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311452752.7A CN117486161A (zh) 2023-11-02 2023-11-02 一种弯扭结合的mems微梁结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311452752.7A CN117486161A (zh) 2023-11-02 2023-11-02 一种弯扭结合的mems微梁结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117486161A true CN117486161A (zh) 2024-02-02

Family

ID=89673856

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311452752.7A Pending CN117486161A (zh) 2023-11-02 2023-11-02 一种弯扭结合的mems微梁结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117486161A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2201421B1 (en) Mems scanning micromirror with reduced dynamic deformation
US6672732B1 (en) Micromechanical oscillating device
US8056298B2 (en) Support for elevated mass
US6864618B2 (en) Method for operating a microelectromechanical system using a stiff coupling
US6650806B2 (en) Compliant push/pull connector microstructure
EP2786193B1 (en) Mems scanning micromirror
US8526089B2 (en) MEMS scanning micromirror
CN101827983B (zh) 铸造的结构屈服熔丝
US20040160118A1 (en) Actuator apparatus and method for improved deflection characteristics
EP2706393B1 (en) Optical deflector including narrow piezoelectric sensor element between torsion bar and piezoelectric actuator
CN106320561B (zh) 一种四边形转动摩擦阻尼器
US20060144948A1 (en) MEMS scanning mirror with distributed hinges and multiple support attachments
CN109863442A (zh) 可动反射元件
US7014115B2 (en) MEMS scanning mirror with distributed hinges and multiple support attachments
CN117486161A (zh) 一种弯扭结合的mems微梁结构
US6844657B2 (en) Microelectromechanical system and method for producing displacement multiplication
EP1336206B1 (en) Strain/electrical potential transducer
JP5926096B2 (ja) トルクロッド
CN1166873C (zh) 一种摆动装置
JP3323623B2 (ja) 偏心ブレースダンパーによる建築物の制振装置
JPH10227061A (ja) 偏心型引張ブレース構造
JP6646203B2 (ja) 杭基礎
CN218292327U (zh) 一种位移型阻尼器
JP3543004B2 (ja) 免震装置
JP2001311321A (ja) 分離架構の連結制振装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination