CN104150432A - 一种基于二级压曲放大的引信用mems执行器 - Google Patents

一种基于二级压曲放大的引信用mems执行器 Download PDF

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Abstract

一种基于二级级联压曲放大的引信安保装置用V型MEMS执行器，包括单晶硅衬底，单晶硅衬底上制作有加速膛孔，二氧化硅绝缘层在单晶硅衬底上生长，将单晶硅结构层与生长了二氧化硅绝缘层2的单晶硅衬底键合，金属电极层沉积在单晶硅结构层的电极锚点上；MEMS执行器在单晶硅结构层中制作，MEMS执行器是除去与电极锚点键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层将被腐蚀掉，使V型梁热电执行器、中间臂、一级放大梁、连接臂、二级放大梁以及隔板悬空，形成最终的可动结构，利用刻蚀技术制作可动结构层，利用热电效应来产生相应的输出，利用MEMS相关工艺制作的器件体积小，具有低成本、高智能、易集成的特点。

Description

一种基于二级压曲放大的引信用MEMS执行器
技术领域
本发明涉及引信技术领域，具体涉及一种基于二级压曲放大的引信用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基于二级压曲放大的引信用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：
一种基于二级压曲放大的引信用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的电极锚点3-2上；
还包括电极锚点3-2，成阵列结构的V型梁热电驱动单元3-1的两端与电极锚点3-2连接，中间臂3-3位于V型梁热电驱动单元3-1的中间并与之相互固定，一级放大梁3-4的两端分别与中间臂3-3和连接臂3-5的首端相连接，连接臂3-5的两端分别连接左右两侧一级放大梁3-4的首尾端，下侧两个二级放大梁3-6的两端分别连接隔板3-7首端和连接臂3-5中间部位，上侧两个二级放大梁3-6的两端分别连接隔板3-7尾端和固定锚点3-8，隔板3-7将加速膛孔5挡住；
除去与电极锚点3-2键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层2将被腐蚀掉，使V型梁热电执行器3-1、中间臂3-3、一级放大梁3-4、连接臂3-5、二级放大梁3-6以及隔板3-7悬空，形成最终的可动结构。
所述的V型梁热电驱动单元3-1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3-1之间的间距为80～100um。
所述的一级放大梁3-4的长度为300～500um，宽度为10～15um，倾角为5～10°,二级放大梁3-6的长度为1000～1500um，宽度为10～15um,倾角为5～10°。
所述的隔板3-7为边长200～250um的正方形结构。
与传统的引信安保装置用执行器相比，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，传统的引信安保装置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，与传统引信安保装置用执行器相比，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3-1通电稳定后的结构热膨胀示意图。
图4为本发明二级级联放大机构受到外力后一级放大梁3-4与二级放大梁3-6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1，一种基于二级压曲放大的引信用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的电极锚点3-2上；
参照图2，MEMS执行器在单晶硅结构层3中制作，MEMS执行器包括电极锚点3-2，成阵列结构的V型梁热电驱动单元3-1的两端与电极锚点3-2连接，来提高器件的输出能力，中间臂3-3位于V型梁热电驱动单元3-1的中间并与之相互固定，保证每组热电驱动单元3-1的运动一致，一级放大梁3-4的两端分别与中间臂3-3和连接臂3-5的首端相连接，连接臂3-5的两端分别连接左右两侧一级放大梁3-4的首尾端，下侧两个二级放大梁3-6的两端分别连接隔板3-7首端和连接臂3-5中间部位，上侧两个二级放大梁3-6的两端分别连接隔板3-7尾端和固定锚点3-8，隔板3-7将加速膛孔5挡住；
所述的MEMS执行器是除去与电极锚点3-2键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层2将被腐蚀掉，使V型梁热电执行器3-1、中间臂3-3、一级放大梁3-4、连接臂3-5、二级放大梁3-6以及隔板3-7悬空，形成最终的可动结构。
所述的V型梁热电驱动单元3-1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。
所述的一级放大梁3-4的长度为300～500um，宽度为10～15um，倾角为5～10°，二级放大梁3-6的长度为1000～1500um，宽度为10～15um，倾角为5～10°。
所述的隔板3-7为边长200～250um的正方形结构。
参照图3，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3-1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3-1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电极锚点3-2上，限制了V型梁热电驱动单元3-1的竖直移动，并使其最终变形产生在横向方向。
参照图4，二级级联放大机构用来放大V型梁热电驱动单元3-1产生的位移，连接臂3-5及隔板3-7与一级放大梁3-4及二级放大梁3-6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，当对称的输入力施加在左右两侧一级放大梁3-4的首端时会导致其产生相应的压曲变形，完成位移的一级放大，使连接臂3-5向上产生一定的位移，进而使二级放大梁3-6产生较大的压曲变形，完成位移的二级放大，最终使隔板3-7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3-1产生相应的热量，热膨胀效应使结构产生初始变形，初始变形通过一级放大梁3-4和二级放大梁3-6组成的二级级联放大机构放大，并推动隔板3-7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3-1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3-1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电极锚点3-2上，限制了V型梁热电驱动单元3-1的竖直移动，并使其最终变形产生在横向方向。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。这里设计了二级级联放大机构来放大V型梁热电驱动单元3-1产生的位移。连接臂3-5及隔板3-7与一级放大梁3-4及二级放大梁3-6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一级放大梁3-4和二级放大梁3-6上。当V型梁热电驱动单元3-1产生的初始变形施加在左右两侧一级放大梁3-4的首端时会导致其产生相应的压曲变形，完成位移的一级放大，使连接臂3-5向上产生一定的位移，进而使二级放大梁3-6产生较大的压曲变形，完成位移的二级放大，最终使遮挡加速膛孔5的隔板3-7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)

1.一种基于二级压曲放大的引信用MEMS执行器，其特征在于：
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)的电极锚点(3-2)上；
还包括电极锚点(3-2)，成阵列结构的V型梁热电驱动单元(3-1)的两端与电极锚点(3-2)连接，中间臂(3-3)位于V型梁热电驱动单元(3-1)的中间并与之相互固定，一级放大梁(3-4)的两端分别与中间臂(3-3)和连接臂(3-5)的首端相连接，连接臂(3-5)的两端分别连接左右两侧一级放大梁(3-4)的首尾端，下侧两个二级放大梁(3-6)的两端分别连接隔板(3-7)首端和连接臂(3-5)中间部位，上侧两个二级放大梁(3-6)的两端分别连接隔板(3-7)尾端和固定锚点(3-8)，隔板(3-7)将加速膛孔(5)挡住；
除去与电极锚点(3-2)键合的部分，其余的二氧化硅绝缘层(2)将被腐蚀掉，使V型梁热电执行器(3-1)、中间臂(3-3)、一级放大梁(3-4)、连接臂(3-5)、二级放大梁(3-6)以及隔板(3-7)悬空，形成最终的可动结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于二级压曲放大的引信用MEMS执行器，其特征在于：所述的V型梁热电驱动单元(3-1)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(3-1)之间的间距为80～100um。
3.根据权利要求1所述的一种基于二级压曲放大的引信用MEMS执行器，其特征在于：所述的一级放大梁(3-4)的长度为300～500um，宽度为10～15um，倾角为5～10°,二级放大梁(3-6)的长度为1000～1500um，宽度为10～15um,倾角为5～10°。
4.根据权利要求1所述的一种基于二级压曲放大的引信用MEMS执行器，其特征在于：所述的隔板(3-7)为边长200～250um的正方形结构。
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