基于液晶彈性體驅動MEMS開關的有限元分析

山西中北大學機電工程學院 和曉杰 周雪麗 李世中

1 引言

MEMS（Micro Electro-Mechanical System）是指在集成電路工藝基礎上發(fā)展起來的，集微傳感器、微型機構、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件于一體的能完成某種特定功能的機械裝置或系統(tǒng)[1,2]。目前，MEMS技術因其具有微型化、集成化、多樣化、智能化等特點，已廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、通信等領域，并正在逐步向更小型化發(fā)展。微驅動器（Micro Actuator）是MEMS的核心部件，是一種可實現(xiàn)輸出諸如力、力矩、位移等物理量的微器件，其可根據控制信號，將光、電、熱等多種形式的能量轉化為機械能輸出[3,4]?，F(xiàn)階段，微驅動器按能量轉換形式可分為電熱驅動、電磁驅動器、壓電驅動、形狀記憶合金驅動等形式。目前，微驅動器普遍存在驅動電壓高、驅動位移小、響應時間長等問題。針對這一問題，本文提出了一種基于光致形變液晶彈性體的新型微驅動器。光致形變液晶彈性體材料是一種新型智能材料，其可通過非接觸光照能量完成自身形狀及尺寸的改變。將光致形變聚合物材料應用到MEMS微驅動器上具有良好的遠程可控性，且結構簡單，體積小，驅動電壓較低，不易受電磁、熱等外界干擾影響，能更好地實現(xiàn)微驅動器微型化、智能化的要求。

2 基于光致形變液晶高彈體的二維自由梁模型仿真

光致形變聚合物材料是一種含有偶氮苯的液晶彈性體，將偶氮苯等光致變色分子引入到液晶體系中，通過光致變色分子的光化學反應引發(fā)液晶的相轉變。液晶分子具有各向異性排列和協(xié)同運動的特點，在360nm的紫外光的照射下，會產生液晶相到各向同性相的轉變，即光化學相轉變，分子的排列也因此出現(xiàn)“有序—無序”的變化。經過光異構化反應產生的順式偶氮苯是彎曲結構，使整個液晶體系發(fā)生取向紊亂。偶氮苯單元具有吸光性，但99%左右的入射光只能被小于1um的表面區(qū)域吸收。由于光致形變薄膜的厚度遠大于入射光在材料內部的衰減距離，因此，偶氮苯的光異構化反應只在材料表面發(fā)生。這種由液晶分子的相變引發(fā)的液晶彈性體的宏觀收縮表現(xiàn)為材料尺寸和形狀的改變[5]。

由于聚合物材料對光的吸收，入射紫外光光強在材料內部呈指數衰減，

其中，i(y)為材料表面的光照強度，d為入射光在材料內部的衰減距離。

現(xiàn)建立如圖1所示的二維梁模型[6,7]：

圖1 光致形變液晶高彈體二維自由梁模型

其中，對二維自由梁施加自下而上的均勻光照，光致形變液晶高彈體本構模型由ABAQUS二次開發(fā)子程序編寫。分別取i0=0.1,0.75,1,1.5,2,2.5，d/h=1,L/h=10，在ABAQUS中仿真其在不同光照下的變形，經數據擬合得到光致形變液晶高彈體二維自由梁下表面的變形曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，二維梁下表面的彎曲度隨著i0增大而增大，當i0增大到一定值時，變形量反而減小，當i0=0.75時，下表面達到最大形變。

圖2 不同光照強度下二維梁下表面撓度曲線

圖3 i0=0.75時二維梁Y方向上的位移云圖

圖4 不同L/h時二維梁下表面撓度曲線

光致形變液晶彈性體自由梁在光照下發(fā)生長度方向的縮短，由于梁的整體體積不變，所以，在厚度方向上發(fā)生膨脹，如圖3所示，梁的一端在Y方向上的變形位移U2大于零，即發(fā)生了局部體積膨脹。圖4為i0=0.75，不同L/h值時，自由梁下表面變形位移曲線，可知L/h值越大，在相同光照下的形變量也越大。

3 基于光致形變液晶彈性體的引信MEMS開關設計

圖5 引信自毀裝置結構局部示意圖

本文以美國M234/M235子彈引信為原型，將光致形變液晶高彈體材料應用于子彈藥引信的自毀機構中，設計基于該材料的引信MEMS開關。圖5為所設計的引信自毀裝置結構局部示意圖。若子彈藥引信在滑塊解除保險后沒有以機械方式作用，子彈下落過程中，尼龍穩(wěn)定帶展開，螺旋保險桿1隨尼龍穩(wěn)定帶被旋出，解開螺旋鎖定機構，釋放電池激活裝置，使電池激活。光致形變液晶彈性體薄梁3的下端貼合在引信絕緣底座上，其一端與導電塊固定，另一端與導電桿4接觸。在無光照情況下光致形變液晶彈性體與電雷管兩極接觸將使電雷管兩極短路，電雷管不作用。電池被激活后，待延時時間結束后，點亮紫外光光源，在紫外光照射下，光致形變液晶彈性體薄梁與導電桿4接觸端產生彎曲形變，與電雷管的一極斷開接觸，使電雷管短路解除。此時，電雷管的一極、導電塊、導電殼、導電桿、電雷管另一極構成閉合回路，此時電雷管通電作用，電子自毀使彈藥作用。

4 引信MEMS開關微驅動器有限元分析

4.1 建立引信MEMS開關微驅動器模型

根據引信微驅動器的尺寸要求，MEMS開關設計為長4mm、寬3mm、厚0.4mm的液晶彈性體薄梁，采用與上述自由梁模型相同的材料本構模型。為增強MEMS開關的導電性，薄梁表面鍍銅，厚度為0.04mm，鍍層彈性模量為1.19e5MPa，泊松比為0.326。

圖6 MEMS開關二維梁模型示意圖

為簡化采用自定義本構模型在ABAQUS中的分析難度，仍采用二維梁模型，如圖6所示，對模型施加自底向上的均勻光照，取d/h=1，L/h=10，固定模型最左邊的剛性位移。

4.2 MEMS開關微驅動器的有限元仿真分析

在ABAQUS建立上述有限元模型，進入后處理，記錄不同光照強度下，模型上表面一些節(jié)點Y方向的變形位移，用MATLAB擬合曲線。圖7即為光照強度為0.1,0.75,1,2時，上表面即鍍層面的彎度曲線。對比曲線可知，初始光照強度越大，經過光的衰減，傳到彈性體上表面的光強越強，從而帶動鍍層彎曲的程度也越大。如圖8所示，在彈性體及鍍層變形過程中，在鍍層和彈性體接觸面上出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，但鍍層部分的最大應力遠小于銅的屈服強度200MPa，因此出現(xiàn)鍍層斷裂現(xiàn)象的可能性將會大大減小。對比二維自由梁光照仿真結果，由于MEMS開關驅動一端面完全固定，上端面與鍍層緊密貼合，因此在模型上端面未出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，即上端面沒有出現(xiàn)ΔV大于零的點。為保證模型體積不變，在其下端面發(fā)生Y向膨脹。

圖7 不同光照強度下MEMS開關上表面撓度曲線

圖8 i0=2時MEMS開關應力分布云圖

5 結論

本文重點研究了光致形變聚合物材料在作為MEMS開關微驅動器上應用的技術途徑。通過有限元軟件ABAQUS對光致形變高彈體二維梁建模仿真，驗證了該材料的變形機理及光照和長度對變形的影響。以引信MEMS開關為載體，設計其微驅動器整體結構，并通過ABAQUS對引信MEMS開關微驅動器的結構做有限元分析，在理論上確定了變形程度與光照強度的關系。目前，光致形變聚合物材料作為新型智能材料，在流體控制系統(tǒng)及微馬達等領域也已經得到一定應用。但是，基于光致形變聚合物材料的MEMS微驅動器的研究還需解決以下關鍵問題：在高沖擊等惡劣工作環(huán)境下，光驅動器能否順利完成相應彎曲動作；光致形變薄板的變形時間能否達到完成相應動作所需的精度要求等。

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