CN100542034C - 具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的mems强链 - Google Patents

Abstract

一种微机电技术领域的具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链。本发明包括弹簧片B、两个复位微电机、后滑块、上轴承B、光电传感器、光电耦合盘、下轴承B、微电机上定子、微电机转子、微电机下定子、下滑块、两个驱动微电机、反干涉码轮集B、下轴承A、反干涉码轮集A、大垫圈、上轴承A、前滑块、弹簧轴A、棘爪安装轴A、弹簧片A、棘爪A、棘轮A、棘轮安装轴A、棘轮B、棘轮安装轴B、棘爪B、棘爪安装轴B、外部壳体、弹簧轴B、信号驱动卡、四个电机驱动器。本发明具有机械密码的逐位鉴别、多次试开和具有自动复位的功能，适用于要害系统与设施的安全或信息安全系统。

Description

具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，特别是一种具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链。

背景技术

随着社会的发展，信息安全越来越成为政府、国民经济和国防等各部门关注的主题。目前存在多种信息安全技术，一般通过计算机输入密码、生物信息等方式，通过软件识别等方法来完成，通常这种方式可以多次试用，而且即使限制次数也存在软件被破解的危险。有人提出采用机械式的MEMS强链来完成能量的锁定。目前尚无多次试开的MEMS强链，公知的强链是基于“反干涉齿轮集”机构(简称反干涉齿轮集)的“强链”装置。反干涉齿轮集由一对装有齿牙的耦合“齿轮集”或“码盘集”两轴平行布局构成，是MEMS强链的密码装定/鉴别组件，与单向步进驱动装置协同实现“逐位鉴码”、“单次试开(误码锁定)”的MEMS强链核心功能，构成“强链”的另外两个组件是“能量门控机构”与“驱动机构”。反干涉齿轮集逐位鉴别密码动作的同时，能量门控机构随其中一组齿轮集动作，趋近直至到达解锁位置，最终可形成穿越MEMS强链的能量传输通道。“驱动机构”驱动反干涉齿轮集单向步进。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利6158297，公告日期是1998.6.24，名称为“Surface Micromachined Counter-meshing Gears DiscriminationDevice”中公开了一种“表面微机械加工的反干涉齿轮集鉴别器”，使用了在齿轮一周上一体装定驱动齿与鉴码齿的反干涉码轮集，其他组件包括微电机、驱动小齿轮、防反转棘爪、止挡限位、通光孔径等，采用表面微机械加工方法集成制作。但无法逐位鉴别、多次试开。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，使其以准LiGA为主要制作工艺采用三层一体化金属反干涉码轮集，两个轴向磁场单转子双定子微电机为复位微电机，可以进行自动复位，电磁驱动，具有光电、光纤等耦合方式。本发明结构简单、可靠性高，可以用于多次试开的场合，包括信息安全认证、硬盘锁定等场合。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：包括：弹簧片B、复位微电机(两个)、后滑块、上轴承B、光电传感器、光电耦合盘、下轴承B、微电机上定子、微电机转子、微电机下定子、下滑块、驱动微电机(两个)、反干涉码轮集B、下轴承A、反干涉码轮集A、大垫圈、上轴承A、前滑块、弹簧轴A、棘爪安装轴A、弹簧片A、棘爪A、棘轮A、棘轮安装轴A、棘轮B、棘轮安装轴B、棘爪B、棘爪安装轴B、外部壳体、弹簧轴B、信号驱动卡、四个电机驱动器。连接关系为：  棘轮B、上轴承B、反干涉码轮集B、耦合盘、下轴承B、微电机上定子、微电机转子、微电机下定子依次从上至下安装在棘轮安装轴B上，与外部壳体相应的安装孔定位；棘轮A、上轴承A、反干涉码轮集A、大垫圈、下轴承A、驱动微电机依次从上至下安装在棘轮安装轴A上，与外部壳体相应的安装孔定位，棘爪A、复位微电机从上至下依次安装在棘爪安装轴A上，棘爪B、复位微电机从上至下依次安装在棘爪安装轴B上，与外部壳体相应的安装孔定位。棘爪A、棘爪B分别卡在棘轮A和棘轮B上，弹簧片B安装在弹簧轴B上，弹簧片A安装在弹簧轴A上，分别由外部壳体相应的安装孔来定位，弹簧片B压在棘爪B中部至靠近棘爪B尖端的部位。光电传感器在外部壳体的左端安装孔内，与反干涉码轮集B的光电耦合盘相对应，前滑块、后滑块以及下滑块用来在MEMS强链运行时为各个机构定位，信号驱动卡的输出与四个电机驱动器相连接，它们分别驱动两个复位微电机和两个驱动微电机。

反干涉码轮集的两组码轮集A、B分别由两个驱动微电机驱动，实现解锁意图码(二元符号A、B的组合序列)的逐位鉴别；驱动微电机每次步进22.5°；反干涉码轮集的两组码轮集A、B上分别附加一套由准LiGA技术制造的棘轮-棘爪机构，以防止码轮集A、B的反转，获得单向运动；两个棘爪定位轴分别由两个复位微电机驱动，实现棘爪的抬起，使已经发生干涉的反干涉码轮集自动复位。计算机输出信号给信号驱动卡，信号驱动卡再输出信号驱动电机来带动反干涉码轮集运转，实现解码意图；驱动微电机的转动带动其上的光电耦合盘转动，光电传感器作为能量门控组件，当光电耦合盘随反干涉码轮集A逐步前进到解锁位置后，触发光电传感器，即MEMS强链隔断的能量得以穿越。

当在解码阶段反干涉码轮集的两组发生干涉时，MEMS强链将进行自动复位，发生干涉的反干涉码轮集上的定位棘爪将在复位微电机驱动下自动抬起，发生干涉的反干涉码轮集在驱动微电机驱动下反向逆转，退回22.5°，发生干涉的反干涉码轮集解除干涉，抬起的定位棘爪在复位微电机驱动下回复原来的位置，卡住已经退回22.5°的棘轮，从而进入正常运行状态。这时候专用M1、M2再驱动反干涉码轮集A、B按照既定密码转动达到特定的位置，即能量门应该打开的位置，但由于系统采取“与”门方式，必须正确密码驱动驱动微电机旋转至特定位置的时候，能量门控组件才允许打开。这样一来，通过输入正确的复位密码序列，驱动微电机将驱动反干涉码轮集A、B运行至初始运行位置(零位)，整个复位过程结束。对于非法入侵者，由于没有正确的复位密码序列，MEMS强链的反干涉码轮集A、B将停滞不动，使其回不到初始位置，无法再次输入密码。

MEMS强链是用微机械技术制造的专有鉴码机构，采用准LIGA工艺加工，加工精度高，适宜批量生产，其上集成有轴向磁场单转子双定子微电机、壳体、反干涉码轮集、光电耦合盘、光电传感器，采用二十四位或三十二位密码加密，破解率可达一千六百万分之一。采用轴向磁场单转子双定子微电机直接驱动，输出力矩大，减少中间变速环节；采用光电能量耦合。

反干涉码轮集为三层一体化金属码轮集合，由三层码轮组成，每两层码轮之间由一定厚度的间隙轮间隔，使之成为三层码轮，五层结构的一体化金属码轮集。

两个复位微电机和两个驱动微电机，为轴向磁场单转子双定子微电机，是一种可微细加工的电磁式电机，均由上下两个定子和一个转子构成，而定子为多相绕组。上、下两个定子中间夹置一个转子，定、转子面积大致相等；转子为平面内多个磁极交错分布的高磁能积、高矫顽力永磁体；多相定子绕组为多层平面线圈，线圈中嵌有高磁导率的NiFe铁芯；通过信号驱动卡的输出控制定子多相绕组中的励磁电流按一定规律换向，合成一定步距角单向旋转的磁场。

光电耦合盘边缘处开有通光孔，光电传感器缺口置于光电耦合盘两侧，与通光孔距离电机主轴同一位置，由此只有当密码正确，轴向磁场单转子双定子微电机带动光电耦合盘到特定位置使光电耦合盘的通光孔处于光电传感器中间，从而使光电传感器打开，实现能量/电路的导通。

本发明的目的是提供一种具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，具有逐位鉴别、多次试开并具有自动复位功能。

本发明中，“逐位鉴别”是指：解锁意图码可统一表示为长度有限的二元符号“A”、“B”的任意组合，组合序列中的每一符号都将驱动具有自动复位系统的逐位鉴别多次试开MEMS强链执行一步鉴码，每步鉴别结果只有两种，即“本步鉴别正确，可进入下步鉴别”或“本步鉴别为误码，下一步MEMS强链锁定”。

本发明中，“多次试开”是指：只有正确无误地输入解锁密码序列才可以打开MEMS强链，但当输入错误的解锁密码后，MEMS强链反干涉码轮集A、B发生干涉，强链发生锁定，鉴码失败，MEMS强链系统自动复位，达到特定的位置，然后输入正确的复位密码序列，使MEMS强链运行至初始运行位置，可以重新输入解锁密码序列进行开启。但当MEMS强链自动复位至特定位置时，输入错误的复位密码序列反干涉码轮集将停滞不动，不能回复到初始运行位置，从而防止非法入侵者的再次开启。

本发明中，“自动复位系统”是指：当输入了错误密码后，反干涉码轮集发生干涉，机构锁死，此时MEMS强链将在轴向磁场单转子双定子微电机驱动下自动回退，运行至特定的位置，为输入正确的复位密码序列做好准备。

本发明的优点是：提供了机械形式的具有自动复位系统的逐位鉴别多次试开MEMS强链；机械式具有自动复位系统的逐位鉴别多次试开MEMS强链采用反干涉码轮集机构机械编码，使用轴向磁场单转子双定子微电机、棘轮-棘爪机构实现反干涉码轮集两个码轮的独立单向精密步进，通过反干涉码轮集的齿牙装定设计与误码时的机械干涉实现逐位机械鉴码与多次试开功能，同时当解码发生错误的时候，输入正确的密码则可以使反干涉码轮集自动复位，输入正确的复位密码序列后能够并返回至初始状态：本发明提供的具有自动复位系统的逐位鉴别多次试开MEMS强链，具有安全性高的特点，可用于要害系统(如弹药引信)或设施(如武器库)的安全与信息安全(计算机的开启)系统。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明原理图

图中，弹簧片B1、复位微电机(两个)2、后滑块3、上轴承B4、光电传感器5、光电耦合盘6、下轴承B7、微电机上定子8、微电机转子9、微电机下定子10、下滑块11、驱动微电机(两个)12、反干涉码轮集B13、下轴承A14、反干涉码轮集A15、大垫圈16、上轴承A17、前滑块18、弹簧轴A19、棘爪安装轴A20、弹簧片A21、棘爪A22、棘轮A23、棘轮安装轴A24、棘轮B25、棘轮安装轴B26、棘爪B27、棘爪安装轴B28、外部壳体29、弹簧轴B30、信号驱动卡31、四个电机驱动器32、33、34、35。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括：弹簧片B1、复位微电机2、后滑块3、上轴承B4、光电传感器5、光电耦合盘6、下轴承B7、微电机上定子8、微电机转子9、微电机下定子10、下滑块11、驱动微电机12、反干涉码轮集B13、下轴承A14、反干涉码轮集A15、大垫圈16、上轴承A17、前滑块18、弹簧轴A19、棘爪安装轴A20、弹簧片A21、棘爪A22、棘轮A23、棘轮安装轴A24、棘轮B25、棘轮安装轴B26、棘爪B27、棘爪安装轴B28、外部壳体29、弹簧轴B30、信号驱动卡31、四个电机驱动器32、33、34、35。所述的复位微电机2有结构相同的两个，第一复位微电机2设置在棘爪安装轴A20上，第二复位微电机2设置在棘爪安装轴B28上；所述的驱动微电机12有结构相同的两个，棘轮安装轴A24和棘轮安装轴B26各安装一个，微电机上定子8、微电机转子9、微电机下定子10分别构成了第一、第二驱动微电机12；连接关系为：棘轮B25、上轴承B4、反干涉码轮集B13、光电耦合盘6、下轴承B7、微电机上定子8、微电机转子9、微电机下定子10依次从上至下安装在棘轮安装轴B26上，与外部壳体29相应的安装孔定位；棘轮A23、上轴承A17、反干涉码轮集A15、大垫圈16、下轴承A14、第一驱动微电机12依次从上至下安装在棘轮安装轴A24上，与外部壳体29相应的安装孔定位，棘爪A22、第一复位微电机2从上至下依次安装在棘爪安装轴A20上，棘爪B27、第二复位微电机2从上至下依次安装在棘爪安装轴B28上，与外部壳体29相应的安装孔定位。棘爪A22、棘爪B27分别卡在棘轮A23和棘轮B25上，弹簧片B1安装在弹簧轴B30上，弹簧片A21安装在弹簧轴A19上，分别由外部壳体29相应的安装孔来定位，弹簧片B1压在棘爪B27中部至靠近棘爪B27尖端的部位。光电传感器5在外部壳体29的左端安装孔内，与反干涉码轮集B13的光电耦合盘6相对应，前滑块18、后滑块3以及下滑块11用来在MEMS强链运行时为各个机构定位，信号驱动卡31的输出与四个电机驱动器32、33、34、35相连接，它们分别驱动两个复位微电机2和两个驱动微电机12。

驱动信号从计算机发出，通过信号驱动卡分别传输到两个复位微电机2和两个驱动微电机12，按照既定的编码规则驱动驱动微电机12，再带动反干涉码轮集A15或B13转动。反干涉码轮集A15、B13分别由两个驱动微电机12驱动，实现解锁意图码(二元符号A、B的组合序列)的逐位鉴别，即在正常运行的情况下，驱动微电机12分别带动反干涉码轮集A15和B13，按照外部输入的解锁码序列，逐位解锁；反干涉码轮集A15和B13上分别附加一套棘轮A23，B25-棘爪A22和B27，两个棘爪定位轴A20、B28分别由复位微电机2驱动，在正常运行过程中，以防止反干涉码轮集B13、A15的反转，获得单向运动；反干涉码轮集的两组机构B13、A15发生干涉时，复位微电机2驱动相应的棘爪A22或B27，实现相应棘爪的抬起，使已经发生干涉的反干涉码轮集B13或A15后退一步，解除干涉状态；相应的棘爪机构A22或B27在复位微电机2驱动下，回复到原来的位置，即，相应的棘轮A23、B25上。然后反干涉码轮集的两组机构B13、A15按照特定的序列，运行至特定的位置，为输入正确复位密码序列做好准备。复位微电机2和驱动电机12每步步进22.5°；驱动微电机12(B安装轴)带动其上的光电耦合盘6转动，光电传感器5作为能量门控组件，随反干涉码轮集B13逐步前进到解锁位置后，光电耦合盘6转动到一定位置，可使光电传感器5导通，即MEMS强链隔断的能量得以穿越。

复位微电机2和驱动微电机12，结构完全相同，是一种可微细加工的电磁式电机，由上下两个定子和一个转子构成，而定子为多相绕组，上、下两个定子中间夹置一个转子，定、转子面积大致相等；转子为平面内多个磁极交错分布的高磁能积、高矫顽力永磁体；定子的多相绕组为多层平面线圈，线圈中嵌有高磁导率的NiFe铁芯；通过信号驱动卡31的输出控制定子多相绕组中的励磁电流按一定规律换向，合成一定步距角单向旋转的磁场。

光电传感器5、光电耦合盘6共同组成信号返回系统，光电耦合盘6边缘处开有通光孔，光电传感器5缺口置于光电耦合盘6两侧，与通光孔距离复位微电机2(B轴)主轴同一位置，由此只有当密码正确，复位微电机2带动光电耦合盘6到特定位置使光电耦合盘6的通光孔处于光电传感器5中间，从而使光电传感器5打开，实现能量/电路的导通。

在解锁码正确的情况下，光电耦合盘6使光电传感器5导通，使光能量穿越能量门；或者在反干涉码轮集A15和B13发生干涉的情况下，复位微电机2使相应的棘爪抬起，反干涉码轮集A15和B13在驱动微电机12的反向驱动下运动，解除干涉状态，然后棘爪回复到相应的棘轮上。反干涉码轮集在微电机12正向驱动下运行到特定的位置，通过输入复位密码达到零位置，等待新的解码锁的输入。

本发明中的四个微电机为轴向磁场单转子双定子微电机，依靠电磁能量交换驱动。为“双定子、单转子夹层结构”。“双定子、单转子夹层结构的优点是：双定子使绕组数倍增，工作电流增加，提高了电机的输出力矩，转子设置在两个定子的中间位置，输出转距，转子磁极产生的磁通，经过上、下定子的导磁层实现磁路闭合；理想情况下，上、下定子对转子的静磁作用相互抵消，使静磁作用导致的摩擦力显著减少，电机转速得以提高；双定子背对背结构兼具封装作用。

轴向磁场单转子双定子微电机的定子结构，采用微细加工(光刻、溅射、电铸等)工艺、精密机械加工的混合工艺与精密装配制成。多层平面线圈的层间或线间绝缘介质可以是有机材料(如光刻胶、聚酰亚胺)，也可以是无机材料(如Al₂O₃)以适应不同的储放与绝缘等级要求。

Claims (6)

1、一种具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，包括：弹簧片B(1)、复位微电机(2)、后滑块(3)、上轴承B(4)、光电传感器(5)、光电耦合盘(6)、下轴承B(7)、微电机上定子(8)、微电机转子(9)、微电机下定子(10)、下滑块(11)、驱动微电机(12)、反干涉码轮集B(13)、下轴承A(14)、反干涉码轮集A(15)、大垫圈(16)、上轴承A(17)、前滑块(18)、弹簧轴A(19)、棘爪安装轴A(20)、弹簧片A(21)、棘爪A(22)、棘轮A(23)、棘轮安装轴A(24)、棘轮B(25)、棘轮安装轴B(26)、棘爪B(27)、棘爪安装轴B(28)、外部壳体(29)、弹簧轴B(30)、信号驱动卡(31)、四个电机驱动器(32、33、34、35)，其特征在于，所述的复位微电机(2)有结构相同的两个，第一复位微电机(2)设置在棘爪安装轴A(20)上，第二复位微电机(2)设置在棘爪安装轴B(28)上；所述的驱动微电机(12)有结构相同的两个，棘轮安装轴A(24)和棘轮安装轴B(26)各安装一个，微电机上定子(8)、微电机转子(9)、微电机下定子(10)分别构成了第一、第二驱动微电机(12)；

棘轮B(25)、上轴承B(4)、反干涉码轮集B(13)、耦合盘(6)、下轴承B(7)、微电机上定子(8)、微电机转子(9)、微电机下定子(10)依次从上至下设置在棘轮安装轴B(26)上，与外部壳体(29)相应的安装孔定位；棘轮A(23)、上轴承A(17)、反干涉码轮集A(15)、大垫圈(16)、下轴承A(14)、第一驱动微电机(12)依次从上至下设置在棘轮安装轴A(24)上，与外部壳体(29)相应的安装孔定位，棘爪A(22)、第一复位微电机(2)从上至下依次设置在棘爪安装轴A(20)上，棘爪B(27)、第二复位微电机(2)从上至下依次安装在棘爪安装轴B(28)上，与外部壳体(29)相应的安装孔定位；棘爪A(22)、棘爪B(27)分别卡在棘轮A(23)和棘轮B(25)上，弹簧片B(1)设在弹簧轴B(30)上，弹簧片A(21)设在弹簧轴A(19)上，分别由外部壳体(29)相应的安装孔来定位，弹簧片B(1)压在棘爪B(27)中部至靠近棘爪B(27)尖端的部位；光电传感器(5)在外部壳体(29)的左端安装孔内，与反干涉码轮集B(13)的光电耦合盘(6)相对应，前滑块(18)、后滑块(3)以及下滑块(11)用来在MEMS强链运行时为各个机构定位，信号驱动卡(31)的输出与四个电机驱动器(32、33、34、35)相连接，它们分别驱动两个复位微电机(2)和两个驱动微电机(12)。

2、根据权利要求1所述的具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，其特征是，反干涉码轮集A(15)、B(13)为三层一体化金属码轮集合，由三层码轮组成，每两层码轮之间由间隙轮间隔，使之成为三层码轮，五层结构的一体化金属码轮集。

3、根据权利要求1所述的具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，其特征是，复位微电机(2)和驱动微电机(12)，都是轴向磁场单转子双定子微电机，均由上下两个定子和一个转子构成，而定子为多相绕组，上、下两个定子中间夹置一个转子，定、转子面积相等；转子为平面内多个磁极交错分布的高磁能积、高矫顽力永磁体；多相定子绕组为多层平面线圈，线圈中嵌有高磁导率的NiFe铁芯；通过信号驱动卡(31)的输出控制定子多相绕组中的励磁电流按一定规律换向，合成一定步距角单向旋转的磁场。

4、根据权利要求1所述的具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，其特征是，光电传感器(5)、光电耦合盘(6)共同组成信号返回系统，光电耦合盘(6)边缘处开有通光孔，光电传感器(5)缺口置于光电耦合盘(6)两侧，与光电耦合盘(6)通光孔距离棘轮安装轴B(26)同一位置，当密码正确，驱动微电机(12)带动光电耦合盘(6)，使光电耦合盘(6)的通光孔处于光电传感器(5)中间，从而使光电传感器(5)打开，实现能量/电路的导通。

5、根据权利要求1所述的具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，其特征是，在反干涉码轮集A(15)和B(13)发生干涉的情况下，复位微电机(2)使棘爪A(22)或B(27)抬起，反干涉码轮集A(15)和B(13)在驱动微电机(12)的反向驱动下运动，解除干涉状态，然后棘爪A(22)或B(27)回复到相应的棘轮A(23)或B(25)上，反干涉码轮集A(15)或B(13)在驱动微电机(12)正向驱动下运行，通过输入复位密码达到零位置，等待新的解码锁的输入。

6、根据权利要求1或者3或者4所述的具有自动复位系统的逐位鉴别可多次试开的MEMS强链，其特征是，复位微电机(2)和驱动微电机(12)，每步步进22.5°。

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