CN107091597A - 一种集成式可变延时mems安保装置 - Google Patents

一种集成式可变延时mems安保装置 Download PDF

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Abstract

一种集成式可变延时MEMS安保装置，包括按顺序相互键合的上药剂层、安保装置层以及下药剂层，安保装置层的传爆孔与上药剂层的上药剂以及下药剂层的下药剂错位放置，安保装置层的离心滑块位于上药剂以及下药剂之间；安保装置层包括硅衬底层，在硅衬底层中心处制作有工艺通孔，硅衬底层上依次制作有二氧化硅层以及可动硅结构层，在可动硅层中制作有后坐机构、离心机构以及可变延时机构，后坐机构与离心机构通过互锁槽以及互锁齿相互锁死，离心机构与可变延时机构通过延时槽以及延时齿相互锁死，本发明将MEMS技术应用到安保装置中，具有低成本、高智能、易集成的特点。

Description

一种集成式可变延时MEMS安保装置
技术领域
本发明涉及安保装置技术领域，具体涉及一种集成式可变延时MEMS安保装置。
背景技术
安保装置是武器系统中的重要部件，其主要功能是实现武器的勤务安全以及可靠解保。为了保证己方安全，要求武器发射并飞行一段距离后，能量序列才可以对正，因此，在进行相关器件的设计时，需要引入机械错位机构以及延时机构来实现对爆轰能量传递的控制。
传统的方式是采用金属隔板与齿状侧壁相互碰撞来实现相应的延时功能，但随着武器小型化、集成化以及智能化的发展，传统加工工艺很难满足设计需求，并制约着相关技术的发展。
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集成式可变延时MEMS安保装置，将MEMS技术应用到安保装置中，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：
一种集成式可变延时MEMS安保装置，包括按顺序相互键合的上药剂层100、安保装置层200以及下药剂层300，安保装置层200的传爆孔218与上药剂层100的上药剂102以及下药剂层300的下药剂303错位放置，安保装置层200的离心滑块226位于上药剂202以及下药剂303之间。
所述的上药剂层100包括绝热腔101、上药剂腔103以及上药剂102，绝热腔101位于上药剂层100底面，距上药剂腔103有1mm～1.2mm，上药剂腔103为直径0.5mm～1mm通孔，上药剂102通过原位生长的方式填充在上药剂腔103内。
所述的安保装置层200包括硅衬底层203，在硅衬底层203中心处制作有工艺通孔204，硅衬底层203上依次制作有二氧化硅层202以及可动硅结构层201，在可动硅层201中制作有后坐机构K1、离心机构K3以及可变延时机构K2，后坐机构K1与离心机构K3通过互锁槽223以及互锁齿224相互锁死，离心机构K3与可变延时机构K2通过延时槽215以及延时齿214相互锁死。
所述的后坐机构K1包括后坐滑块222，后坐滑块222通过左细长梁219a以及右细长梁219b与可动硅层201相连，后坐滑块222的两侧分别制作有互锁槽223与后坐卡销220，距离后坐卡销220100um～200um处制作有后坐卡扣221，后坐机构K1除了与可动硅层201的连接处外，其余均为悬空可动结构。
所述的离心机构K3包括离心滑块226，离心滑块226通过平面弹簧225与可动硅层201连接，在离心滑块226的两侧分别制作有互锁齿224以及延时槽215，离心滑块226上制作有传爆孔218，离心滑块226的最右端制作有离心卡扣217，离心卡销216制作在可动硅层201上并与离心卡扣217距离1500um～2000um，离心机构K3除了与可动硅层201的连接处外，其余均为悬空可动结构。
所述的可变延时机构K2包括左锚点205a、右锚点205b，左锚点205a、右锚点205b上制作有左金属电极206a、右金属电极206b，左锚点205a、右锚点205b与呈阵列的V型电热执行器207的两端连接，V型电热执行器207的中点设有中间臂208，中间臂208通过右柔性梁209b与杠杆210连接，右柔性梁209b的左边制作有下锚点213，下锚点213通过左柔性梁209a与杠杆210的首端连接，杠杆210的末端通过转接梁211与延时滑块212连接，延时滑块212上制作有延时齿214，可变延时机构K2中左锚点205a、右锚点205b以及下锚点213与二氧化硅层202相连，其余部分均为悬空可动结构。
所述的下药剂层300由下药剂凸台301、下药剂腔302以及下药剂303组成，下药剂凸台301的截面为梯形结构，下药剂腔302为直径500um～1000um的通孔，并设计在下药剂凸台301的中心，下药剂303通过原位生长的方式填充在下药剂腔302中。
与传统安保装置相比，本发明的优点为：利用现有的成熟的IC工艺，可以实现大规模制造，降低了生产成本；每层结构可以单独制作，降低了加工难度，提高了器件的成品率；利用电热效应来主动控制离心机构的延时时间，只需改变输入信号的周期就可以用于具有不同离心环境的旋转弹，提高了器件的环境适应力；上药剂层、安保装置层以及下药剂层分别加工并最终键合集成在一个芯片内，提高了制作过程中的安全性与成品率，有效的减小了器件体积，有利于器件的小型化。
将MEMS技术应用到安保装置的设计中，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，使武器的小型化和智能化和成为可能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中图1a为俯视图，图1b为图1a的A-A的剖视图。
图2为上药剂层的结构示意图，其中图2a为俯视图，图2b为图2a的B-B剖视图。
图3为安保装置层的结构示意图，其中图3a为俯视图，图3b为图3a的C-C剖视图。
图4为安保装置层的三维结构局部剖视图。
图5为下药剂层的结构示意图，其中图5a俯视图，图5b为图5a的D-D剖视图。
图6为本发明在后坐力驱动下的一级解保示意图，其中图6a为俯视图，图6b为图6a的局部放大图。
图7为可变延时机构工作示意图，其中图7a为俯视图，图7b为图7a的局部放大图。
图8为本发明在离心力驱动下的二级解保示意图。
图9为本发明完全解保后的结构示意图，其中图9a为俯视图，图9b为图9a的E-E剖视图。
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1，一种集成式可变延时MEMS安保装置，包括按顺序相互键合的上药剂层100、安保装置层200以及下药剂层300，安保装置层200的传爆孔218与上药剂层100的上药剂102以及下药剂层300的下药剂303错位放置，安保装置层200的离心滑块226位于上药剂202以及下药剂303之间。
参照图2，所述的上药剂层100包括绝热腔101、上药剂腔103以及上药剂102，绝热腔101位于上药剂层100底面，距上药剂腔103有1mm～1.2mm，上药剂腔103为直径0.5mm～1mm通孔，上药剂102通过原位生长的方式填充在上药剂腔103内。
参照图3和图4，所述的安保装置层200包括硅衬底层203，在硅衬底层203中心处制作有工艺通孔204，硅衬底层203上依次制作有二氧化硅层202以及可动硅结构层201，在可动硅层201中制作有后坐机构K1、离心机构K3以及可变延时机构K2，后坐机构K1与离心机构K3通过互锁槽223以及互锁齿224相互锁死，离心机构K3与可变延时机构K2通过延时槽215以及延时齿214相互锁死。
所述的后坐机构K1包括后坐滑块222，后坐滑块222通过左细长梁219a以及右细长梁219b与可动硅层201相连，后坐滑块222的两侧分别制作有互锁槽223与后坐卡销220，距离后坐卡销220约100um～200um处制作有后坐卡扣221，后坐机构K1除了与可动硅层201的连接处外，其余均为悬空可动结构。
所述的离心机构K3包括离心滑块226，离心滑块226通过平面弹簧225与可动硅层201连接，在离心滑块226的两侧分别制作有互锁齿224以及延时槽215，离心滑块226上制作有传爆孔218，离心滑块226的最右端制作有离心卡扣217，离心卡销216制作在可动硅层201上并与离心卡扣217距离1500um～2000um，离心机构K3除了与可动硅层201的连接处外，其余均为悬空可动结构。
所述的可变延时机构K2包括左锚点205a、右锚点205b，左锚点205a、右锚点205b上制作有左金属电极206a、右金属电极206b，左锚点205a、右锚点205b与呈阵列的V型电热执行器207的两端连接，V型电热执行器207的中点设有中间臂208，中间臂208通过右柔性梁209b与杠杆210连接，右柔性梁209b的左边制作有下锚点213，下锚点213通过左柔性梁209a与杠杆210的首端连接，杠杆210的末端通过转接梁211与延时滑块212连接，延时滑块212上制作有延时齿214，可变延时机构K2中左锚点205a、右锚点205b以及下锚点213与二氧化硅层202相连，其余部分均为悬空可动结构。
参照图5，所述的下药剂层300由下药剂凸台301、下药剂腔302以及下药剂303组成，下药剂凸台301的截面为梯形结构，下药剂腔302为直径500um～1000um的通孔，并设计在下药剂凸台301的中心，下药剂303通过原位生长的方式填充在下药剂腔302中。
本发明的工作原理为：
参照图6，安保装置层200中的后坐机构K1在相应后坐力的驱动下产生100um～200um的结构变形，互锁槽223与互锁齿224相互脱离，后坐卡销220与后坐卡扣221相互锁死，此时，器件完成一级解保。
参照图7，安保装置层200中的可变延时机构K2中的左金属电极206a与右金属电极206b上加载电压，在焦耳热效应的作用下，V型电热执行器207产生变形，经过杠杆210的放大，驱动延时滑块212移动，延时齿214与延时槽215实现脱啮合，此时安保装置层200中的可变延时机构K2和离心机构K3解除锁定。
若去除相应的电压信号，可变延时机构K2恢复相应的变形，延时齿214与延时槽215重新啮合，此时离心机构K3与可变延时机构K2重新相互锁定。
当离心机构K3与可变延时机构K2解除锁定时，离心力会驱动离心滑块226滑动；当离心机构K3与可变延时机构K2相互锁定时，离心力无法驱动离心滑块226滑动，通过改变加载在可变延时机构K2上的信号周期，可以实现可变延时功能。
参照图8，离心机构K3在可变延时机构K2与离心力的共同作用下驱动离心滑块226移动，当离心卡销217与离心卡扣216相互锁定时，传爆孔218与上药剂腔103以及下药剂腔202对正，此时器件完成二级解保。
参照图9，本发明经过后坐力与离心力两级解保，上药剂腔103与传爆孔218以及下药剂腔302对正，此时器件由安全状态转变为待发状态。

Claims (7)

1.一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：包括按顺序相互键合的上药剂层(100)、安保装置层(200)以及下药剂层(300)，安保装置层(200)的传爆孔(218)与上药剂层(100)的上药剂(102)以及下药剂层(300)的下药剂(303)错位放置，安保装置层(200)的离心滑块(226)位于上药剂(202)以及下药剂(303)之间。
2.根据权利要求1所述的一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的上药剂层(100)包括绝热腔(101)、上药剂腔(103)以及上药剂(102)，绝热腔(101)位于上药剂层(100)底面，距上药剂腔(103)有1mm～1.2mm，上药剂腔(103)为直径0.5mm～1mm通孔，上药剂(102)通过原位生长的方式填充在上药剂腔(103)内。
3.根据权利要求1所述的一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的安保装置层(200)包括硅衬底层(203)，在硅衬底层(203)中心处制作有工艺通孔(204)，硅衬底层(203)上依次制作有二氧化硅层(202)以及可动硅结构层(201)，在可动硅层(201)中制作有后坐机构(K1)、离心机构(K3)以及可变延时机构(K2)，后坐机构(K1)与离心机构(K3)通过互锁槽(223)以及互锁齿(224)相互锁死，离心机构(K3)与可变延时机构(K2)通过延时槽(215)以及延时齿(214)相互锁死。
4.根据权利要求3所述的一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的后坐机构(K1)包括后坐滑块(222)，后坐滑块(222)通过左细长梁(219a)以及右细长梁(219b)与可动硅层(201)相连，后坐滑块(222)的两侧分别制作有互锁槽(223)与后坐卡销(220)，距离后坐卡销(220)100um～200um处制作有后坐卡扣(221)，后坐机构(K1)除了与可动硅层(201)的连接处外，其余均为悬空可动结构。
5.根据权利要求3所述的一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的离心机构(K3)包括离心滑块(226)，离心滑块(226)通过平面弹簧(225)与可动硅层(201)连接，在离心滑块(226)的两侧分别制作有互锁齿(224)以及延时槽(215)，离心滑块(226)上制作有传爆孔(218)，离心滑块(226)的最右端制作有离心卡扣(217)，离心卡销(216)制作在可动硅层(201)上并与离心卡扣(217)距离1500um～2000um，离心机构(K3)除了与可动硅层(201)的连接处外，其余均为悬空可动结构。
6.根据权利要求3所述的一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的可变延时机构(K2)包括左锚点(205a)、右锚点(205b)，左锚点(205a)、右锚点(205b)上制作有左金属电极(206a)、右金属电极(206b)，左锚点(205a)、右锚点(205b)与呈阵列的V型电热执行器(207)的两端连接，V型电热执行器(207)的中点设有中间臂(208)，中间臂(208)通过右柔性梁(209b)与杠杆(210)连接，右柔性梁(209b)的左边制作有下锚点(213)，下锚点(213)通过左柔性梁(209a)与杠杆(210)的首端连接，杠杆(210)的末端通过转接梁(211)与延时滑块(212)连接，延时滑块(212)上制作有延时齿(214)，可变延时机构(K2)中左锚点(205a)、右锚点(205b)以及下锚点(213)与二氧化硅层(202)相连，其余部分均为悬空可动结构。
7.根据权利要求1所述的一种集成式可变延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的下药剂层(300)由下药剂凸台(301)、下药剂腔(302)以及下药剂(303)组成，下药剂凸台(301)的截面为梯形结构，下药剂腔(302)为直径500um～1000um的通孔，并设计在下药剂凸台(301)的中心，下药剂(303)通过原位生长的方式填充在下药剂腔(302)中。
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