CN103288041B - 一种起爆序列用v型结构mems执行器 - Google Patents

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Abstract

一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，包括单晶硅衬底，将单晶硅结构层与生长了二氧化硅绝缘层的单晶硅衬底键合，金属电极层沉积在单晶硅结构层上，MEMS执行器在单晶硅结构层中制作，MEMS执行器包括锚点，成阵列结构的V型梁热电驱动单元的两端与锚点连接，中间臂位于V型梁热电驱动单元的中间并相互固定，柔性梁的两端分别与中间臂和杠杆的首端相连接，隔板制作在杠杆的末端，将加速膛孔挡住，本发明利用了硅材料的热电效应与热膨胀效应，具有低成本、高智能、易集成的特点。

Description

一种起爆序列用V型结构MEMS执行器
技术领域
本发明涉及引信技术领域，具体涉及一种起爆序列用V型结构MEMS执行器。
背景技术
引信是利用目标和环境信息，在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制装置（系统），通常安装在火箭、导弹弹头和炮/坦克/迫击炮弹药等上，根据弹药种类的不同和对付目标的需要选择不同的引信。引信是武器系统中的重要部件，它通过对环境、目标进行探测以获取信息和处理、识别信息，并实现引信的安全状态控制和最佳起爆控制。引信的基本功能是“安全”和“可靠引爆战斗部”。引信中的安全保险装置是引信系统的重要组成部分，它的一个基本功能是通过消除达到主装药的潜在能量，阻止意外爆轰，主要是阻止整个爆炸序列的能量传递来实现。针对这个目标，安保装置常常通过同轴机械装置阻止意外解除保险，从而“隔断”爆炸序列。当处于安全模式时隔板将加速膛孔挡住，阻止飞片材料通过，从而阻止爆炸序列的意外爆轰。当武器所处环境满足起爆条件时，隔板移开，为飞片材料打开通道，保证飞片材料能够到达高能炸药装药。
传统引信存在体积大、难集成等缺点。随着弹药技术的发展，要求引信功能不断的加强与扩展，而引信的体积又制约了引信功能的扩展。将MEMS技术应用到引信的设计中，将很好的解决这个矛盾。MEMS引信安全保险装置具有体积小、可靠性高、可批量化等诸多优势，使得常规弹药有更多的空间容纳多传感器探测电路与主装药，提高弹药的精确度和杀伤力，使引信的智能化和灵巧化成为可能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，利用刻蚀技术制作可动结构层，具有低成本、高智能、易集成的特点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上制作有直径为150～180um的加速膛孔5，二氧化硅绝缘层2在单晶硅衬底1上生长，生长厚度为2～3um，将单晶硅结构层3与生长了二氧化硅绝缘层2的单晶硅衬底1键合，单晶硅结构层3的厚度为50～100um，金属电极层4沉积在单晶硅结构层3的锚点3-2上；
MEMS执行器在单晶硅结构层3中制作，MEMS执行器包括锚点3-2，成阵列结构的V型梁热电驱动单元3-3的两端与锚点3-2连接，中间臂3-4位于V型梁热电驱动单元3-3的中间并相互固定，柔性梁3-5的两端分别与中间臂3-4和杠杆3-1的首端相连接，隔板3-6制作在杠杆3-1的末端，隔板3-6将加速膛孔5挡住；
所述的MEMS执行器是除去与锚点3-2键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层2将被腐蚀掉，使杠杆3-1、V型梁热电执行器3-3、中间臂3-4、柔性梁3-5以及隔板3-6悬空，形成最终的可动结构。
所述的V型梁热电驱动单元3-3的总长度为1000～2000um，宽为30～40um，中间夹角为160～170°，每组V型梁热电驱动单元之间的间距为80～100um。
所述的柔性梁3-5的长度为300～500um，宽度为10～15um。
所述的隔板3-6为边长200～250um的正方形结构。
与传统的起爆序列用执行器相比，本发明的优点为：低成本化，利用现有的成熟的IC工艺，可以实现大规模制造，有效地降低了产品的成本；智能化，传统的起爆序列用执行器多为弹簧结构，通过环境力（如加速度）产生相应的输出，受使用环境约束较大，本发明是利用热电效应来产生相应的输出，由电信号控制，智能化程度更高；集成化，利用MEMS相关工艺制作的器件体积小，与传统起爆序列用执行器相比，在相同面积内，可以将更多的传感器与本发明集成在一起，提高器件在复杂环境下的适应力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明MEMS执行器的结构示意图。
图3为V型梁热电驱动单元3-3通电稳定后的结构热膨胀示意图。
图4为柔性梁3-5与杠杆3-1受到外力后结构变形示意图。
图5为本发明通电稳定后所产生结构变形示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步说明。
参照图1，一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上制作有直径为150～180um的加速膛孔5，加速膛孔5是飞片材料的通道，二氧化硅绝缘层2在单晶硅衬底1上生长，生长厚度为2～3um，将单晶硅结构层3与生长了二氧化硅绝缘层2的单晶硅衬底1键合，单晶硅结构层3的厚度为50～100um，金属电极层4沉积在单晶硅结构层3的锚点3-2上。
参照图2，MEMS执行器在单晶硅结构层3中制作，MEMS执行器包括锚点3-2，成阵列结构的V型梁热电驱动单元3-3的两端和锚点3-2连接，来提高器件的输出能力，中间臂3-4位于V型梁热电驱动单元3-3的中间并相互固定，保证每组热电驱动单元的运动一致，柔性梁3-5的两端分别与中间臂3-4和杠杆3-1的首端相连接，隔板3-6制作在杠杆3-1的末端，隔板3-6将加速膛孔5挡住。
所述的MEMS执行器是除去与锚点3-2键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层2将被腐蚀掉，使杠杆3-1、V型梁热电执行器3-3、中间臂3-4、柔性梁3-5以及隔板3-6悬空，形成最终的可动结构。
所述的V型梁热电驱动单元3-3的总长度为1000～2000um，宽为30～40um，中间夹角为160～170°，每组V型梁热电驱动单元之间的间距为80～100um。
所述的柔性梁3-5的长度为300～500um，宽度为10～15um。
所述的隔板3-6为边长200～250um的正方形结构。
参照图3，本发明主要是利用了热电效应，在金属电极层4上施加直流电压，当通过V型梁热电驱动单元3-3时，就会产生相应的热量，由于热传导、热对流以及热辐射效应的存在，产生的热量与耗散的热量最终会达到平衡，V型梁热电驱动单元3-3上的温度会达到稳定，当其温度高于环境温度时就会产生一定的热膨胀量，由于整体结构固定于锚点3-2上，限制了V型梁热电驱动单元3-3的横向移动，并使其最终变形产生在竖直方向。
参照图4，考虑到MEMS器件多为平面结构，本发明设计了柔性梁3-5来代替传统杠杆放大机构中的铰链。杠杆3-1与柔性梁3-5相比，具有更大的结构尺寸，可视为刚体，在位移放大机构受力时不会产生变形。锚点相当于传统杠杆机构的支点，当输入力施加在柔性梁3-5上时会导致其产生相应的变形，利用杠杆3-1将变形放大，使隔板3-6产生足够的位移。
参照图5，当在金属电极层4上施加一定的直流电压时，热电效应会使V型梁热电驱动单元3-3产生相应的热量，热膨胀效应使结构产生初始变形，初始变形通过柔性梁3-5以及杠杆3-1放大，并推动隔板3-6产生相应的位移。
本发明的原理是：
利用了硅材料的热电效应与热膨胀效应，在金属电极层4上施加直流电压，当通过单晶硅材料的V型梁热电驱动单元3-3时，就会产生相应的热量，由于热传导、热对流以及热辐射效应的存在，产生的热量与耗散的热量最终会达到平衡，V型梁热电驱动单元3-3上的温度会达到稳定，当其温度高于环境温度时就会产生一定的热膨胀量，由于整体结构固定于锚点3-2上，限制了V型梁热电驱动单元3-3的横向移动，并使其最终变形产生在竖直方向。由于热膨胀量较小，通常情况下不能满足设计要求，需要设计位移放大机构来将所产生的位移放大。考虑到MEMS尺度下制作传统的铰链结构比较困难，这里设计了柔性梁3-5来代替，杠杆3-1与柔性梁3-5相比，具有更大的结构尺寸，可视为刚体，受力变形只会发生在刚度较低的柔性梁3-5上，产生的变形利用杠杆3-1放大，将遮挡加速膛孔5的隔板3-6移开，为飞片材料打开通道，保证飞片材料能够到达高能炸药装药。

Claims (4)

1.一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，包括单晶硅衬底(1)，其特征在于：单晶硅衬底(1)上制作有直径为150～180um的加速膛孔(5)，二氧化硅绝缘层(2)在单晶硅衬底(1)上生长，生长厚度为2～3um，将单晶硅结构层(3)与生长了二氧化硅绝缘层(2)的单晶硅衬底(1)键合，单晶硅结构层(3)的厚度为50～100um，金属电极层(4)沉积在单晶硅结构层(3)的锚点(3-2)上；
MEMS执行器在单晶硅结构层(3)中制作，MEMS执行器包括锚点(3-2)，成阵列结构的V型梁热电驱动单元(3-3)的两端与锚点(3-2)连接，中间臂(3-4)位于V型梁热电驱动单元(3-3)的中间并相互固定，柔性梁(3-5)的两端分别与中间臂(3-4)和杠杆(3-1)的首端相连接，隔板(3-6)制作在杠杆(3-1)的末端，隔板(3-6)将加速膛孔(5)挡住；
所述的MEMS执行器是除去与锚点(3-2)键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层(2)将被腐蚀掉，使杠杆(3-1)、V型梁热电驱动单元(3-3)、中间臂(3-4)、柔性梁(3-5)以及隔板(3-6)悬空，形成最终的可动结构。
2.根据权利要求1所述的一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，其特征在于：所述的V型梁热电驱动单元(3-3)的总长度为1000～2000um，宽为30～40um，中间夹角为160～170°，每组V型梁热电驱动单元之间的间距为80～100um。
3.根据权利要求1所述的一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，其特征在于：所述的柔性梁(3-5)的长度为300～500um，宽度为10～15um。
4.根据权利要求1所述的一种起爆序列用V型结构MEMS执行器，其特征在于：所述的隔板(3-6)为边长200～250um的正方形结构。
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