基于液晶弹性体驱动MEMS开关的有限元分析

山西中北大学机电工程学院 和晓杰 周雪丽 李世中

1 引言

MEMS（Micro Electro-Mechanical System）是指在集成电路工艺基础上发展起来的，集微传感器、微型机构、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件于一体的能完成某种特定功能的机械装置或系统[1,2]。目前，MEMS技术因其具有微型化、集成化、多样化、智能化等特点，已广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医疗、通信等领域，并正在逐步向更小型化发展。微驱动器（Micro Actuator）是MEMS的核心部件，是一种可实现输出诸如力、力矩、位移等物理量的微器件，其可根据控制信号，将光、电、热等多种形式的能量转化为机械能输出[3,4]。现阶段，微驱动器按能量转换形式可分为电热驱动、电磁驱动器、压电驱动、形状记忆合金驱动等形式。目前，微驱动器普遍存在驱动电压高、驱动位移小、响应时间长等问题。针对这一问题，本文提出了一种基于光致形变液晶弹性体的新型微驱动器。光致形变液晶弹性体材料是一种新型智能材料，其可通过非接触光照能量完成自身形状及尺寸的改变。将光致形变聚合物材料应用到MEMS微驱动器上具有良好的远程可控性，且结构简单，体积小，驱动电压较低，不易受电磁、热等外界干扰影响，能更好地实现微驱动器微型化、智能化的要求。

2 基于光致形变液晶高弹体的二维自由梁模型仿真

光致形变聚合物材料是一种含有偶氮苯的液晶弹性体，将偶氮苯等光致变色分子引入到液晶体系中，通过光致变色分子的光化学反应引发液晶的相转变。液晶分子具有各向异性排列和协同运动的特点，在360nm的紫外光的照射下，会产生液晶相到各向同性相的转变，即光化学相转变，分子的排列也因此出现“有序—无序”的变化。经过光异构化反应产生的顺式偶氮苯是弯曲结构，使整个液晶体系发生取向紊乱。偶氮苯单元具有吸光性，但99%左右的入射光只能被小于1um的表面区域吸收。由于光致形变薄膜的厚度远大于入射光在材料内部的衰减距离，因此，偶氮苯的光异构化反应只在材料表面发生。这种由液晶分子的相变引发的液晶弹性体的宏观收缩表现为材料尺寸和形状的改变[5]。

由于聚合物材料对光的吸收，入射紫外光光强在材料内部呈指数衰减，

其中，i(y)为材料表面的光照强度，d为入射光在材料内部的衰减距离。

现建立如图1所示的二维梁模型[6,7]：

图1 光致形变液晶高弹体二维自由梁模型

其中，对二维自由梁施加自下而上的均匀光照，光致形变液晶高弹体本构模型由ABAQUS二次开发子程序编写。分别取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变形，经数据拟合得到光致形变液晶高弹体二维自由梁下表面的变形曲线，如图2所示。由图2可以看出，二维梁下表面的弯曲度随着i0增大而增大，当i0增大到一定值时，变形量反而减小，当i0=0.75时，下表面达到最大形变。

图2 不同光照强度下二维梁下表面挠度曲线

图3 i0=0.75时二维梁Y方向上的位移云图

图4 不同L/h时二维梁下表面挠度曲线

光致形变液晶弹性体自由梁在光照下发生长度方向的缩短，由于梁的整体体积不变，所以，在厚度方向上发生膨胀，如图3所示，梁的一端在Y方向上的变形位移U2大于零，即发生了局部体积膨胀。图4为i0=0.75，不同L/h值时，自由梁下表面变形位移曲线，可知L/h值越大，在相同光照下的形变量也越大。

3 基于光致形变液晶弹性体的引信MEMS开关设计

图5 引信自毁装置结构局部示意图

本文以美国M234/M235子弹引信为原型，将光致形变液晶高弹体材料应用于子弹药引信的自毁机构中，设计基于该材料的引信MEMS开关。图5为所设计的引信自毁装置结构局部示意图。若子弹药引信在滑块解除保险后没有以机械方式作用，子弹下落过程中，尼龙稳定带展开，螺旋保险杆1随尼龙稳定带被旋出，解开螺旋锁定机构，释放电池激活装置，使电池激活。光致形变液晶弹性体薄梁3的下端贴合在引信绝缘底座上，其一端与导电块固定，另一端与导电杆4接触。在无光照情况下光致形变液晶弹性体与电雷管两极接触将使电雷管两极短路，电雷管不作用。电池被激活后，待延时时间结束后，点亮紫外光光源，在紫外光照射下，光致形变液晶弹性体薄梁与导电杆4接触端产生弯曲形变，与电雷管的一极断开接触，使电雷管短路解除。此时，电雷管的一极、导电块、导电壳、导电杆、电雷管另一极构成闭合回路，此时电雷管通电作用，电子自毁使弹药作用。

4 引信MEMS开关微驱动器有限元分析

4.1 建立引信MEMS开关微驱动器模型

根据引信微驱动器的尺寸要求，MEMS开关设计为长4mm、宽3mm、厚0.4mm的液晶弹性体薄梁，采用与上述自由梁模型相同的材料本构模型。为增强MEMS开关的导电性，薄梁表面镀铜，厚度为0.04mm，镀层弹性模量为1.19e5MPa，泊松比为0.326。

图6 MEMS开关二维梁模型示意图

为简化采用自定义本构模型在ABAQUS中的分析难度，仍采用二维梁模型，如图6所示，对模型施加自底向上的均匀光照，取d/h=1，L/h=10，固定模型最左边的刚性位移。

4.2 MEMS开关微驱动器的有限元仿真分析

在ABAQUS建立上述有限元模型，进入后处理，记录不同光照强度下，模型上表面一些节点Y方向的变形位移，用MATLAB拟合曲线。图7即为光照强度为0.1,0.75,1,2时，上表面即镀层面的弯度曲线。对比曲线可知，初始光照强度越大，经过光的衰减，传到弹性体上表面的光强越强，从而带动镀层弯曲的程度也越大。如图8所示，在弹性体及镀层变形过程中，在镀层和弹性体接触面上出现应力集中的现象，但镀层部分的最大应力远小于铜的屈服强度200MPa，因此出现镀层断裂现象的可能性将会大大减小。对比二维自由梁光照仿真结果，由于MEMS开关驱动一端面完全固定，上端面与镀层紧密贴合，因此在模型上端面未出现膨胀现象，即上端面没有出现ΔV大于零的点。为保证模型体积不变，在其下端面发生Y向膨胀。

图7 不同光照强度下MEMS开关上表面挠度曲线

图8 i0=2时MEMS开关应力分布云图

5 结论

本文重点研究了光致形变聚合物材料在作为MEMS开关微驱动器上应用的技术途径。通过有限元软件ABAQUS对光致形变高弹体二维梁建模仿真，验证了该材料的变形机理及光照和长度对变形的影响。以引信MEMS开关为载体，设计其微驱动器整体结构，并通过ABAQUS对引信MEMS开关微驱动器的结构做有限元分析，在理论上确定了变形程度与光照强度的关系。目前，光致形变聚合物材料作为新型智能材料，在流体控制系统及微马达等领域也已经得到一定应用。但是，基于光致形变聚合物材料的MEMS微驱动器的研究还需解决以下关键问题：在高冲击等恶劣工作环境下，光驱动器能否顺利完成相应弯曲动作；光致形变薄板的变形时间能否达到完成相应动作所需的精度要求等。

[1]山磊.硅基微驱动器的建模与分析[D].西安：西安电子科技大学,2013.

[2]李宏.新型压电微驱动器在光学微机电系统中的应用研究[D].四川：四川师范大学,2012.

[3]阮红芳.基于纵横弯曲的微驱动器分析设计[D].西安：西安电子科技大学,2012.

[4]李雪梅.屈曲型微驱动器的设计与分析[D].西安：西安电子科技大学,2011.

[5]俞燕蕾，刘玉云.光致形变液晶弹性体的研究进展[J].自然杂志,2012,35(2):127—128.

[6]金丽华.光敏液晶高弹体的本构特性及光致弯曲行为研究[D].上海：复旦大学,2009.

[7]林茵.光敏液晶高弹体二维梁光力耦合有限元模型及光致弯曲特性分析[D].上海：复旦大学,2012.