CN104315929A - 一种mems武器安保装置 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS武器安保装置，包括单晶硅衬底，在单晶硅衬底依次制作二氧化硅绝缘层以及单晶硅结构层，单晶硅衬底制作有圆形加速膛孔，在单晶硅结构层中制作卡销机构、棘爪机构以及隔断机构，其中卡销机构中的可动卡销、棘爪机构中的棘爪以及隔断机构中的防爆隔板通过齿状结构相啮合，防爆隔板将加速膛膛孔遮挡，并通过S型硅弹簧与单晶硅结构层连接，飞片孔与加速膛膛孔错位放置，卡销机构与棘爪机构均利用热电效应驱动，在相应的工作电压下V型热电执行器会产生一定的热变形量，通过杠杆放大装置将热变形放大并以此驱动卡销与棘爪完成相应的动作，本发明具有低成本、高智能、易集成的特点。
Description
技术领域
本发明涉及引信技术领域，具体涉及一种MEMS武器安保装置。
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其功能的扩展。将MEMS技术应用到引信的设计中，可以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MEMS武器安保装置，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MEMS武器安保装置，包括单晶硅衬底1，在单晶硅衬底1依次制作二氧化硅绝缘层2以及单晶硅结构层3，单晶硅衬底1的厚度为400～500um，其中制作有直径为300～400um的圆形加速膛孔5，二氧化硅绝缘层2的厚度为2～3um，单晶硅结构层3的厚度为50～100um；
在单晶硅结构层3中制作卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ，其中卡销机构Ⅰ中的可动卡销10、棘爪机构Ⅱ中的棘爪20以及隔断机构Ⅲ中的防爆隔板30通过齿状结构相啮合，防爆隔板30将加速膛膛孔5遮挡，并通过S型硅弹簧29与单晶硅结构层3连接，飞片孔4与加速膛膛孔5错位放置。
在卡销机构Ⅰ中，第一电极13a、第二电极13b分别制作在第一电极锚点6a与第二电极锚点6b上，第一V型热电执行器7的两端与第一电极锚点6a、第二电极锚点6b相连，第一V型热电执行器7的中点通过第一柔性弯曲梁11b与第一放大杠杆8相连，第一放大杠杆8的两端通过第二柔性弯曲梁11a和第一柔性拉伸梁9分别与第一固定锚点12以及可动卡销10相连，可动卡销10带有齿状结构；
所述的卡销机构Ⅰ通过第一电极锚点6a、第二电极锚点6b以及第一固定锚点12与二氧化硅绝缘层2相连，其余部分均为悬空可动结构。
在棘爪机构Ⅱ中，第三电极14a、第四电极14b、第五电极24a、第六电极24b分别制作在第三电极锚点15a、第四电极锚点15b、第五电极锚点23a、第六电极锚点23b上，第二V型热电执行器28的两端分别与第三电极锚点15a、第四电极锚点15b相连，第三V型热电执行器25的两端分别与第五电极锚点23a、第六电极锚点23b相连，通过第三柔性弯曲梁17b与第五柔性弯曲梁27b，将第二V型热电执行器28以及第三V型热电执行器25分别与第二放大杠杆18以及第三放大杠杆22相连，第二放大杠杆18的两端通过第四柔性弯曲梁17a和第二柔性拉伸梁19分别与第二固定锚点16以及棘爪20的底边相连，第三放大杠杆22的两端通过第六柔性弯曲梁27a和第三柔性拉伸梁21分别与第三固定锚点26以及棘爪20的侧边相连，棘爪20带有齿状结构；
所述的棘爪机构Ⅱ通过第三电极锚点15a、第四电极锚点15b、第五电极锚点23a、第六电极锚点23b以及第二固定锚点16、第三固定锚点26与二氧化硅绝缘层2相连，其余部分均为悬空可动结构。
在隔断机构Ⅲ中，S型硅弹簧29的两端分别与单晶硅结构层3以及防爆隔板30相连，防爆隔板30将单晶硅衬底1中的加速膛膛孔5挡住，飞片孔4置于防爆隔板30的左端，方形刻蚀孔31制作成阵列形式并置于防爆隔板30的右端，驱动齿32对称置于防爆隔板30的两侧，并与可动卡销10以及棘爪20相啮合；
所述的隔断机构Ⅲ的一端通过单晶硅结构层3与二氧化硅绝缘层2相连，其余部分均为悬空可动结构。
与传统武器安保装置相比，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，与依靠环境力(如加速度)来产生激励的传统武器安保装置相比，本发明利用了热电效应来驱动器件产生相应动作，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，与传统武器安保装置相比，在相同面积内，可以与更多的传感器集成，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，其中图(a)为结构的俯视图，图(b)为图(a)的A-A截面的剖视图。
图2为本发明经相应电压信号激励后的结构示意图。
图3为本发明在所有电压信号为低电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图4为本发明在第一V型热电执行器7保持高电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图5为本发明在第一V型热电执行器7、第三V型热电执行器25保持高电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图6为本发明在第三V型热电执行器25保持高电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图7为本发明在第二V型热电执行器28、第三V型热电执行器25保持高电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图8为本发明在第二V型热电执行器28保持高电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图9为本发明在所有电压信号重新回到低电平时卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ的配合关系图。
图10为本发明的工作电压信号图。
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MEMS武器安保装置，包括单晶硅衬底1、二氧化硅绝缘层2以及单晶硅结构层3，单晶硅衬底1的厚度为400～500um，其上制作有直径为300～400um的圆形加速膛孔5，二氧化硅绝缘层2的厚度为2～3um，单晶硅结构层3的厚度为50～100um，在单晶硅结构层3中制作卡销机构Ⅰ、棘爪机构Ⅱ以及隔断机构Ⅲ，其中卡销机构Ⅰ中的可动卡销10、棘爪机构Ⅱ中的棘爪20以及隔断机构Ⅲ中的防爆隔板30通过齿状结构相啮合。
在卡销机构Ⅰ中，第一电极13a、第二电极13b分别制作在第一电极锚点6a与第二电极锚点6b上，第一V型热电执行器7的两端与第一电极锚点6a、第二电极锚点6b相连，第一V型热电执行器7的中点通过第一柔性弯曲梁11b与第一放大杠杆8相连，第一放大杠杆8的两端通过第二柔性弯曲梁11a和第一柔性拉伸梁9分别与第一固定锚点12以及可动卡销10相连，可动卡销10带有齿状结构；
所述的卡销机构Ⅰ通过第一电极锚点6a、第二电极锚点6b以及第一固定锚点12与二氧化硅绝缘层2相连，其余部分均为悬空可动结构。
在棘爪机构Ⅱ中，第三电极14a、第四电极14b、第五电极24a、第六电极24b分别制作在第三电极锚点15a、第四电极锚点15b、第五电极锚点23a、第六电极锚点23b上，第二V型热电执行器28的两端分别与第三电极锚点15a、第四电极锚点15b相连，第三V型热电执行器25的两端分别与第五电极锚点23a、第六电极锚点23b相连，通过第三柔性弯曲梁17b与第五柔性弯曲梁27b，将第二V型热电执行器28以及第三V型热电执行器25分别与第二放大杠杆18以及第三放大杠杆22相连，第二放大杠杆18的两端通过第四柔性弯曲梁17a和第二柔性拉伸梁19分别与第二固定锚点16以及棘爪20的底边相连，第三放大杠杆22的两端通过第六柔性弯曲梁27a和第三柔性拉伸梁21分别与第三固定锚点26以及棘爪20的侧边相连，棘爪20带有齿状结构；
所述的棘爪机构Ⅱ通过第三电极锚点15a、第四电极锚点15b、第五电极锚点23a、第六电极锚点23b以及第二固定锚点16、第三固定锚点26与二氧化硅绝缘层2相连，其余部分均为悬空可动结构。
在隔断机构Ⅲ中，S型硅弹簧29的两端分别与单晶硅结构层3以及防爆隔板30相连，防爆隔板30将单晶硅衬底1中的加速膛膛孔5挡住，飞片孔4置于防爆隔板30的左端，方形刻蚀孔31制作成阵列形式并置于防爆隔板30的右端，驱动齿32对称置于防爆隔板30的两侧，并与可动卡销10以及棘爪20相啮合；
所述的隔断机构Ⅲ的一端通过单晶硅结构层3与二氧化硅绝缘层2相连，其余部分均为悬空可动结构。
防爆隔板30将加速膛膛孔5遮挡，并通过S型硅弹簧29与单晶硅结构层3连接，飞片孔4与加速膛膛孔5错位放置。
参照图2，在相应电压信号的激励下，卡销机构Ⅰ与棘爪机构Ⅱ相互配合，最终驱动隔断机构Ⅲ产生移动，S型硅弹簧29被缓慢拉伸，完成防爆隔板30中的飞片孔4与加速膛膛孔5的对正。
本发明的工作原理为：
参照图3，所有电压信号为低电平，可动卡销10、棘爪20以及防爆隔板30通过齿状结构相互啮合，第一柔性拉伸梁9、第二柔性拉伸梁19以及第三柔性拉伸梁21均处于不受力状态，S型硅弹簧29保持原长。
参照图4，第一V型热电执行器7保持高电平，卡销机构Ⅰ受到电压激励并产生纵向驱动力F1，纵向驱动力F1作用在第一柔性拉伸梁9上驱动可动卡销10移动，完成可动卡销10与防爆隔板30的脱啮合，第二柔性拉伸梁19以及第三柔性拉伸梁21仍处于不受力状态，棘爪20与防爆隔板30保持啮合，S型硅弹簧29保持原长。
参照图5，第一V型热电执行器7、第三V型热电执行器25保持高电平，第一柔性拉伸梁9受到纵向驱动力F1的作用，使可动卡销10保持脱啮合状态，棘爪机构Ⅱ中的第三V型热电执行器25在电压的激励下产生横向驱动力F2，横向驱动力F2作用在第三柔性拉伸梁21上驱动棘爪20横向移动，横向驱动力F2通过棘爪20以及防爆隔板30的传递作用到S型硅弹簧29上，并使其产生相应的变形，第二V型热电执行器28没有受到电压激励，故第二柔性拉伸梁19上没有受到纵向力，棘爪20与防爆隔板30仍保持啮合。
参照图6，第三V型热电执行器25保持高电平，棘爪机构Ⅱ和隔断机构Ⅲ的受力情况与其在图5中的受力情况保持一致，作用在卡销机构Ⅰ中第一V型热电执行器7上的电压被撤除，第一柔性拉伸梁9处于不受力状态，可动卡销10回到初始位置并再次与防爆隔板30形成啮合。
参照图7，第二V型热电执行器28、第三V型热电执行器25保持高电平，横向驱动力F2通过第三柔性拉伸梁21保持棘爪20的横向位移变形，纵向驱动力F3通过第二柔性拉伸梁19作用到棘爪20上，并使其产生纵向的位移变形，棘爪20与防爆隔板30脱啮合，可动卡销10与防爆隔板30啮合，由于受到单晶硅结构层3的限制，可动卡销10不能移动，从而使S型硅弹簧29和防爆隔板30保持其在图6中的状态。
参照图8，第二V型热电执行器28保持高电平，卡销机构Ⅰ与隔断机构Ⅲ的受力情况与其在图7中的受力情况保持一致，棘爪机构Ⅱ中第三V型热电执行器25上的电压被撤除，第三柔性拉伸梁21不受横向驱动力F2的作用，棘爪20回到初始的横向位置，第二V型热电执行器28上保持相应的电压状态，纵向驱动力F3通过第二柔性拉伸梁19使棘爪20产生纵向的位移变形，棘爪20与防爆隔板30脱啮合。
参照图9，所有电压信号重新回到低电平，可动卡销10、棘爪20与防爆隔板30相互啮合，由于受到单晶硅结构层3的限制，隔断机构保持其在图8中的工作状态，S型硅弹簧29处于拉伸状态，拉伸所产生的位移变形为一个啮合齿距。
参照图10，为正常工作的电压时序图，U1为卡销机构Ⅰ中第一V型热电执行器7的电压波形，U2为棘爪机构Ⅱ中第三V型热电执行器25的电压波形，U3为第二V型热电执行器28的电压波形，上述电压信号以方波的形式对MEMS安保装置产生激励，就可以使防爆隔板30逐步移动，最终完成飞片孔4与加速膛膛孔5的对正。
Claims (4)
1.一种MEMS武器安保装置，包括单晶硅衬底(1)，其特征在于：在单晶硅衬底(1)依次制作二氧化硅绝缘层(2)以及单晶硅结构层(3)，单晶硅衬底(1)的厚度为400～500um，其中制作有直径为300～400um的圆形加速膛孔(5)，二氧化硅绝缘层(2)的厚度为2～3um，单晶硅结构层(3)的厚度为50～100um；
在单晶硅结构层(3)中制作卡销机构(Ⅰ)、棘爪机构(Ⅱ)以及隔断机构(Ⅲ)，其中卡销机构(Ⅰ)中的可动卡销(10)、棘爪机构(Ⅱ)中的棘爪(20)以及隔断(Ⅲ)中的防爆隔板(30)通过齿状结构相啮合，防爆隔板(30)将加速膛膛孔(5)遮挡，并通过S型硅弹簧(29)与单晶硅结构层(3)连接，飞片孔(4)与加速膛膛孔(5)错位放置。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS武器安保装置，其特征在于：在卡销机构(Ⅰ)中，第一电极(13a)、第二电极(13b)分别制作在第一电极锚点(6a)与第二电极锚点(6b)上，第一V型热电执行器(7)的两端与第一电极锚点(6a)、第二电极锚点(6b)相连，第一V型热电执行器(7)的中点通过第一柔性弯曲梁(11b)与第一放大杠杆(8)相连，第一放大杠杆(8)的两端通过第二柔性弯曲梁(11a)和第一柔性拉伸梁(9)分别与第一固定锚点(12)以及可动卡销(10)相连，可动卡销(10)带有齿状结构；
所述的卡销机构(Ⅰ)通过第一电极锚点(6a)、第二电极锚点(6b)以及第一固定锚点(12)与二氧化硅绝缘层(2)相连，其余部分均为悬空可动结构。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS武器安保装置，其特征在于：在棘爪机构(Ⅱ)中，第三电极(14a)、第四电极(14b)、第五电极(24a)、第六电极(24b)分别制作在第三电极锚点(15a)、第四电极锚点(15b)、第五电极锚点(23a)、第六电极锚点(23b)上，第二V型热电执行器(28)的两端分别与第三电极锚点(15a)、第四电极锚点(15b)相连，第三V型热电执行器(25)的两端分别与第五电极锚点(23a)、第六电极锚点(23b)相连，通过第三柔性弯曲梁(17b)与第五柔性弯曲梁(27b)，将第二V型热电执行器(28)以及第三V型热电执行器(25)分别与第二放大杠杆(18)以及第三放大杠杆(22)相连，第二放大杠杆(18)的两端通过第四柔性弯曲梁(17a)和第二柔性拉伸梁(19)分别与第二固定锚点(16)以及棘爪(20)的底边相连，第三放大杠杆(22)的两端通过第六柔性弯曲梁(27a)和第三柔性拉伸梁(21)分别与第三固定锚点(26)以及棘爪(20)的侧边相连，棘爪(20)带有齿状结构；
所述的棘爪机构(Ⅱ)通过第三电极锚点(15a)、第四电极锚点(15b)、第五电极锚点(23a)、第六电极锚点(23b)以及第二固定锚点(16)、第三固定锚点(26)与二氧化硅绝缘层(2)相连，其余部分均为悬空可动结构。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS武器安保装置，其特征在于：在隔断机构(Ⅲ)中，S型硅弹簧(29)的两端分别与单晶硅结构层(3)以及防爆隔板(30)相连，防爆隔板(30)将单晶硅衬底(1)中的加速膛膛孔(5)挡住，飞片孔(4)置于防爆隔板(30)的左端，方形刻蚀孔(31)制作成阵列形式并置于防爆隔板(30)的右端，驱动齿(32)对称置于防爆隔板(30)的两侧，并与可动卡销(10)以及棘爪(20)相啮合；
所述的隔断机构(Ⅲ)的一端通过单晶硅结构层(3)与二氧化硅绝缘层(2)相连，其余部分均为悬空可动结构。
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