《Sensors and Actuators A: Physical》：A Passive Actuation Approach for MEMS Safety and Arming Devices: Optimal Design and Application of an Energy-Storage Planar MEMS Spring
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•平面MEMS弹簧实现了无需电源的被动激活控制。•预压缩将弹簧转化为储能型MEMS执行器。•在严重载荷条件下仍保留撞击后激活功能。•在实现微型化设计的同时，抗撞击性能与驱动性能得以同步优化。•该设计消除了电、热和磁激活方式，避免了相关外部环境干扰。引言微机电系统（MEMS）是
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平面MEMS弹簧实现了无需电源的被动激活控制。
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预压缩将弹簧转化为储能型MEMS执行器。
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在严重载荷条件下仍保留撞击后激活功能。
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在实现微型化设计的同时，抗撞击性能与驱动性能得以同步优化。
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该设计消除了电、热和磁激活方式，避免了相关外部环境干扰。
引言
微机电系统（MEMS）是毫米至微米级别的系统，由微型执行器和微机械结构等基本元件组成[1]、[2]、[3]。凭借其微型化、高集成度和高性能[4]，MEMS器件已被广泛应用于多个领域，包括消费电子[5]、医疗器械[6]、航空航天工程[7]、光学工程[8]以及国防系统[9]。在保险与激活（S&A）器件设计中的应用有望减小器件尺寸、提高集成度并确保系统安全性和可靠性，从而具有广阔的应用前景。
在高旋速弹药飞行过程中，离心力作为一种强环境力，使MEMS S&A器件能够实现激活。相比之下，在低旋速/非旋速弹药飞行或无人空中作战平台巡航过程中，离心力作为一种弱环境力，不足以驱动MEMS S&A器件实现激活。因此，需要采用主动激活方式。迄今为止，已提出多种适用于MEMS S&A器件的主动激活方式。Yang等人[10]提出了一种适用于低旋速/非旋速弹药的电磁激活MEMS S&A器件，其中微型电磁执行器驱动保险器以对准传爆序列。其建模、仿真和实验结果验证了磁芯结构改进了激活性能。Wang等人[11]开发了一种集成点火器和双层屏障的电热激活MEMS S&A器件，其中V形电热执行器驱动四个半圆形屏障在保险状态和激活状态之间切换。点火测试进一步证实了该器件确保保险中断和可靠传爆的能力。Cao等人[12]基于力偶旋转原理提出了一种用于MEMS S&A器件的形状记忆合金执行器；该执行器具有高空间利用率，可将小输入位移转换为大输出位移。尽管电磁、电热和形状记忆合金等主动激活方式能够满足MEMS S&A器件的激活要求，但它们对外部电源的强依赖性引发了安全隐患。各种环境干扰，包括降水静电、电磁干扰和热串扰，可能导致微执行器故障，从而可能引发MEMS S&A器件的意外提前激活或功能失效。由于MEMS S&A器件在保险传爆序列和确保引信系统安全性方面起着关键作用，任何意外激活都可能导致严重后果。因此，亟需开发一种不依赖外部电源且能有效抵御复杂环境干扰的新型激活方式，从而克服现有主动激活方式的安全局限性。
传统S&A器件通常采用储能压缩螺旋弹簧来实现激活[13]。此类弹簧不依赖外部电、热或磁能量输入，因此在抵御环境干扰方面具有显著优势。然而，由于制造工艺和空间占用的限制，它们难以与MEMS S&A器件集成。相比之下，平面MEMS弹簧可以在微米级平面结构内实现弹性变形、储能和位移输出，为将储能机械激活应用于MEMS S&A器件提供了可行途径。因此，本文重点研究平面MEMS弹簧的储能特性。
本文以具有优于其他平面弹簧抗撞击性能的菱形结构为基础[14]，通过比较分析最大等效应力和最大应变能密度，选择了预压缩储能模式，并推导出储能弹簧的激活理论。此外，建立了弹簧抗撞击性能和驱动性能的有限元法（FEM）模型和响应面法（RSM）模型，并评估了模型的预测精度。基于预测结果，进行敏感性分析以研究结构参数对抗撞击性能和驱动性能的影响，从而识别敏感参数。随后，采用精英非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行多目标优化，获得了高冲击载荷下优化弹簧抗撞击性能和驱动性能的改进情况。最后，通过仿真和实验对优化弹簧的综合机械性能进行了全面验证。
小节点选
储能模式比较
弹簧储能模式的选择对其机械性能至关重要。本质上，弹簧的储能模式对应于其内部材料在载荷下的变形模式，可分为三种基本类型：弯曲储能、扭转储能和拉伸/压缩储能[15]、[16]。由于MEMS S&A器件的空间限制，弯曲和扭转储能模式被排除，因为它们通常需要相对较大的
储能弹簧有限元模型的开发
在平面弹簧的优化过程中，准确评估其在应用环境下的机械性能至关重要。尽管理论模型可以提供初步解析解，但弹簧的冲击响应可能涉及复杂的非线性行为，如大变形引起的几何非线性和材料非线性，这使得难以通过解析方法获得准确解。此外，由于预压缩弹簧必须首先
MEMS S&A器件的微加工与集成
所有原型部件均采用飞秒激光微加工技术由TC4钛合金制造。微加工、后处理、尺寸检测和MEMS S&A器件原型装配工作流程如图4(a)所示。与传统的硅基MEMS结构相比，金属MEMS结构通常表现出更高的断裂韧性和损伤容限。TC4钛合金还提供了高比强度和良好的机械稳定性，使其
结论
为了解决低旋速/非旋速环境下离心力不足导致MEMS S&A器件激活困难的问题，本文提出了一种基于储能平面MEMS弹簧的被动激活方式。进行了储能模式比较分析、激活理论分析、多目标优化设计和一系列实验。主要结论如下：
CRediT作者贡献声明
Pei Fei：写作–审阅与编辑、验证、软件、方法论、形式分析。Cao Yun：写作–审阅与编辑、写作–原创草稿、可视化、验证、软件、方法论、资金获取、概念构思。Xi Zhanwen：监督、资源。Wang Jiali：方法论、概念构思。Qian Kangshen：写作–审阅与编辑、软件、方法论、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。
致谢
本文工作得到了国家自然科学基金（批准号：52475062）的支持。该资助提供的资金用于开展实验。
Cao Yun于2017年从中国科学院南京理工大学获得机械工程博士学位。他目前是南京理工大学机械工程学院的副教授。他的当前研究兴趣包括MEMS器件的设计、仿真、制造和实验。
Yun Cao|Fei Pei|Kangshen Qian|Jiali Wang|Zhanwen Xi
