压电多层膜悬臂梁受力的有限元仿真

李苏洋，夏鸿建，张晓伟，陈显锋

（1.广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006；2.佛山市卓膜科技有限公司，广东 佛山 528200）

1 引言

锆钛酸铅（PZT）是MEMS领域应用最广泛的压电材料，因压电系数高、制造工艺相对成熟，可与MEMS结构良好兼容，成形工艺好，价格低等，而得到越来越广泛的应用。悬臂梁是MEMS器件中最常用的微执行机构，具有结构简单、结构尺寸小、灵敏度高、低功耗等特点。对于表面镀有压电薄膜的悬臂梁，由于压电材料具有压电效应，使压电悬臂梁同时具有驱动和传感的特点，其应用前景广阔，成为目前的一个研究热点[1-3]。

在实际设计和加工中压电悬臂梁一般都采用多层复合结构，国内外很多学者建立了微悬臂梁的力学模型[4]，但很少对微梁的变形应力进行研究，特别是固定端的应力。应力是影响MEMS器件疲劳寿命的重要因素，因此对固定端的应力分析很重要[5-6]。现有文献大多是对多层结构薄膜的残余应力进行研究，鲜有文献研究集中载荷对微悬臂梁的固定端应力的影响以及与曲率半径的关系。

以锆钛酸铅（PZT）作为压电薄膜材料，建立了一个多层膜悬臂梁结构，并对其自由端在受到外力F作用下发生的弯曲变形进行了仿真模拟。悬臂梁自由端受到外力后发生弯曲变形，运用ABAQUS有限元软件及梁的力学理论分析梁固定端的应力情况。设曲率半径为ρ，可采用梁理论进行分析，分析微悬臂梁在受不同载荷和薄膜厚度的条件下对曲率半径和固定端应力的影响。……