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微型弹簧的发展研究现状
随着MEMS的飞速发展,微
系统
和微器件的应用也越来越广泛[27]。微型弹簧是微机电系统中一种极为重要的弹性元件。与传统的弹簧相比,MEMS微型弹簧结构形式比较多,使用方式也更加灵活。MEMS微型弹簧在微
机械
中主要用于运动控制[2]。微弹簧应用模式分析在微传感器、微执行器中,微弹簧是一种非常重要的器件,能量和弹性力的传递可以借助微弹簧的弹性作用。因此,微弹簧的弹性作用是所设计器件是否发挥正常作用的关键。另外,微弹簧作为微小型武器零件,可以提高武器装备的隐蔽性,提高机动能力,灵活执行各类作战任务。23352
从材质来看,微弹簧分为硅质和非硅质。美军对标准及紫外光LIGA加工镍、硅深反应离子刻蚀(DRIE)、电
化学
制造 (EFAB)、塑料压制工艺、高压
电子
束制版和激光显微机械加工等进行了评估,证明只有DRIE和LIGA可以提供微机电安全与解除保险装置所需的技术性能。Charles H Robinson,Amiller Raanan,Yazdi N,John Rasmussen等人采用准LIGA技术加工了的硅平面微型弹簧[28]。 澳大利亚的W. Brenner课题组通过化学刻蚀法成功制备了250μm的硅基微弹簧。
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硅质微弹簧不适宜在冲击环境下应用。如,美军采用DRIE工艺制作了100μm厚的弹簧、滑块等微型零件,并进行了离心机和空气炮实验,实验发现硅零件在冲击环境下容易发生破碎。而金属具备良好的机械强度、延展性、抗疲劳性能及抗冲击性能等,与硅相比,更适合在冲击环境中使用。美国已将铜作为微电铸安全与解除保险机构的主要
材料
。
南京理工大学朱继南选择微电铸工艺来制造镍微弹簧,但拉伸实验及滑块弹簧拉力测试实验表明镍微弹簧在多次拉伸之后发生塑性变形不能恢复原状,这些零件的实际力学特性与理想状态差距较大,不能满足引信使用要求。分析其原因在于微电铸件的机械性能还不能和常规金属零件相比,微电铸件由于是电化学沉积所得,尚未热处理过,其材料性能在很大程度上取决于电铸过程中溶液的浓度、PH值、温度、电流和溶液的搅拌等。由此看来电铸的关键问题在于如何使电铸沉积层厚度一致、使沉积层内金属成分分布均匀、无内部应力,安全与解除保险机构零件的机械性能和加工成品率取决于这些因素[29]。从材料角度来看,纯镍的弹性、抗拉强度和伸长率等性能指标并不优越,这些都给安全与解除保险机构弹性元件的设计和加工带来了困难。美国已将铜作为微电铸安全与解除保险机构的主要材料,铜的力学性能要好于镍,但电铸100μm以上的铜器件难度也较大,此方面中国尚未研发出成熟的工艺。只有中国的LIGA电铸工艺和微电铸后热处理工艺进一步的发展,微电铸器件的材料性能达到引信环境的应用标准才有可能实现。
微型弹簧是微机电系统隔爆机构中非常重要的一个部件,它可以作为解除保险和隔爆的作用,南京理工大学聂伟荣对可用于MEMS引信的“L”型、"S”型、“Z”型和“B”型等微型弹簧结构进行了刚度计算公式推导,分析,选择了适用于隔爆机构的“S”型微弹簧,并分析了各参数对“S”型微弹簧刚度的影响。采用UV-LIGA技术(微电铸)成功制备镍质“S”型微弹簧,不过还是存在弹簧在多次拉伸之后发生塑性变形不能恢复原状等问题[30]。
另外,部分弹簧采用传统的 LIGA 技术,它们的材料采用的是紫外光固化的 SU-8胶,这种工艺很简单,而且SU-8胶可以提供类似于玻璃的力学性能,例如已经报道的气动驱动微控制器[31]、 微阀门[32]。但是在弹性力需求较大的情况下,金属的力学性能比SU - 8 胶要好很多[33]。
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