微型弹簧微纳米加工技术研究(3)
艺就不适用于经过大塑性变形之后的金属蚀刻。因此，需要开展相关研究，以掌
握核心技术。
1.3 微弹簧的研究现状
微弹簧是一种重要的 MEMS器件,在微机电系统中， 往往需要一些元件具有传
递能量和力的功能，而微弹簧则刚好具有这种功能。因此微弹簧被广泛应用于微
陀螺仪、微驱动器等 MEMS 系统中。在设计与加工平面微弹簧的过程中，弹性常
数是首先要考虑的。 用各种微机械加工技术加工的各种平面微弹簧, 形状结构和
材料各异。不同的平面微弹簧，其制备材料不同，结构形状也不尽相同，这也意
着其加工方法的不同。图1-1为典型的几种 MEMS微弹簧。
国内最早开展引信 MEMS弹簧研究的是北京理工大学的何光年教授，研究了
W 型和 S 型微弹簧的公式[2]
。而对于其他形式的微型弹簧的刚度计算公式，李华
[3-4]
等人对其开展了深入的研究。 在对平面微弹簧在MEMS引信安全系统中的作用、
性能等特点进行介绍之后，石庚辰[5]
课题组采用能量法的力学原理，推导出“Z”
型平面微弹簧的弹性系数，利用软件进行弹性系数仿真后，公式计算结果与仿真
计算结果的一致，验证了公式的正确性。电子科技大学吴鹏飞[9]
建立了封闭 O型
MEMS 平面微弹簧弹性系数的计算公式,并用 ANSYS 进行有限元仿真,并研究了各
种结构参数对弹性系数的影响规律，其研究结果为其他封闭结构的 MEMS 平面微
弹簧的分析和设计提供了一定的借鉴。上海交通大学的隋灵禾[10]
教授等人认为弹
簧结构的几何非线性会引起平面微弹簧弹性系数的非线性， 而后设计了5 种不同
平面形状的微弹簧, 仿真计算它们的力学性能曲线, 以及改变弹簧臂宽度厚度
后的力学性能曲线, 分别进行比较以讨论影响非线性的主要因素, 为弹簧的设
计工作提供参考依据。Saotome[11]
等人采用不同的电镀方法提高 UV-LIGA 法制备
的镍基弹簧，弹簧高 0.95mm，宽0.85mm，厚 0.05mm，并采用有限元预测了弹簧
的参数，弹性模量达到 150GPa，但不如块体材料，其中块体镍弹性模量达到 196
GPa，断裂疲劳实验时循环频率为 20Hz，结果表明疲劳性能与静态抗拉强度密切
相关，静态拉伸强度越高，抗疲劳性越高，疲劳极限大概为静态抗拉强度的 0.3
倍。Lishchynska M.[12]
和 Fukushige T. [13]
等人研究了静电力对直梁型弹簧和锥
形弹簧的结构形貌参数的影响。Williams K.L.[14]
等人在强度为200-700 mW 的激
光和压强400-900 mbar 的乙烯压力下使用LCVD 成形碳基微弹簧，测量得到弹性
系数为 0.0294-0.0604mN/μm,推导出剪切模量 13.6-733.5MPa,当泊松比为 0.3
时，弹性模量为0.0353-1.9071MPa. 1.4 精密蚀刻
蚀刻[15]
通常所指的是光化学蚀刻（photochemical etching），试样表面经过
曝光显影后，再将需要刻蚀区域的保护膜洗去，放入腐蚀液中腐蚀后形成所需要
的成形效果。由于不受加工工具尺寸的限制，被广泛应用于加工精密的微型零件
精密蚀刻主要包括金属蚀刻加光刻是微纳米加工技术的一种。
1.4.1 金属蚀刻
金属蚀刻[16]
是一种化学切削加工的方式， 实质就是用化合物液体对金属或金
属化合物按一定工艺要求进行腐蚀。金属在蚀刻液中的蚀刻过程，最先在金属零
件表面发生晶粒的溶解，接着晶界上也发生溶解，由于在晶界和晶粒上的溶解速
度不同，大多数金属以及合金中的多晶体结构中，每个晶体几乎都有多个取向。
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