CN109029138B - 一种应用于小口径弹的mems安全系统一体化装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置及其方法。本发明的安全系统一体化装置包括：安全系统双端固支限位边框、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、隔爆滑块反缓冲限位槽、隔爆滑块反缓冲限位梳齿、阈值判定质量块、后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构和传爆孔；本发明采用一体化结构，首先，从小口径弹引信设计及加工角度来看，具有结构尺寸小型化、功耗低、加工样品一致性好等优势；其次，从小口径弹引信功能角度来看，具有对弹道环境感知能力强、安全与解保控制系统工作可靠性高特点；再次，小型化引信对提高战斗部装药有重要意义，通过小型化引信，提高下一级装药，从而提高小口径弹药的毁伤效能。

Description

一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置及其方法

技术领域

本发明涉及小口径弹安全技术，具体涉及一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置及其方法。

背景技术

机械安全系统、微机电系统MEMS与宏观机械一体化集成的安全系统是小口径弹引信安全控制模块的首选。传统的机械安全系统通过感知内弹道环境变化(后坐过载)、外弹道环境变化(离心过载)，实现小口径弹引信的顺序解保，最终实现起爆能量高可靠输出。这类安全系统具有隔爆状态系统高安全以及解保状态起爆高可靠特性，广泛应用于小口径弹药。但是这类引信安全系统体积大、关键解保控制组件要求的加工精度高，极易产生加工误差，影响系统可靠性，降低系统有效打击目标的毁伤能力；MEMS与宏观机械一体化集成的安全系统弥补了传统机械引信体积大、功耗高的不足，MEMS机构具有结构尺寸小型化、对弹道环境感知能力强、加工样品一致性好等特点。在小口径弹的发射及抛撒环境下，通过MEMS引信安全系统解保机构感知环境状态变化，并将状态变化的通断情况反馈给主控系统，微控制单元MCU感知通断状态，控制安全系统中机械结构执行保险解除动作。但是MEMS与宏观机械一体化集成安全系统在一体化集成工艺上存在技术难点，除此之外，安全系统选用的机械机构结构尺寸大，没有完全解决引信安全系统体积过大造成的引战系统空间分配不足的问题。基于以上分析得到，两类主流的应用于小口径弹的安全系统虽然具有较高的安全与起爆控制能力，但是体积过大，造成引战系统空间分配存在浪费现象，并且一体化集成工艺程度不高，限制了小口径弹毁伤效能的提高。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置及其方法，结合小口径弹发射及弹道环境，进行结构理论计算及多物理场动态效能耦合评估，实现MEMS引信安全系统一体化机构设计及制备。

本发明的一个目的在于提出一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置。

本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置安装在小口径弹的起爆药与下一级装药之间，其表面垂直于发射方向。

本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置包括：安全系统双端固支限位边框、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、隔爆滑块反缓冲限位槽、隔爆滑块反缓冲限位梳齿、阈值判定质量块、后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构和传爆孔；其中，安全系统双端固支限位边框为一个内部中空的支撑框架；隔爆滑块位于安全系统双端固支限位边框中，隔爆滑块的外边缘小于安全系统双端固支限位边框的内边缘，并且隔爆滑块的上表面和下表面均低于安全系统双端固支限位边框的表面；隔爆滑块的前端设置有隔爆滑块限位销，与隔爆滑块限位销的位置相对，在安全系统双端固支限位边框的前端内边缘具有隔爆滑块限位槽，隔爆滑块限位槽与隔爆滑块限位销为互补图形；隔爆滑块的两侧分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位槽，与隔爆滑块反缓冲限位槽的位置相对应，在安全系统双端固支限位边框的两侧内边缘，分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿，隔爆滑块反缓冲限位梳齿的方向与小口径弹的离心过载方向为锐角；隔爆滑块的两侧，并且沿着小口径弹的离心过载方向位于隔爆滑块反缓冲限位槽之后，分别设置有凹槽，在两个凹槽中分别设置有阈值判定质量块；两个阈值判定质量块分别通过后坐过载阈值判定机构固定连接至隔爆滑块的凹槽边缘，并且两个阈值判定质量块分别通过离心过载阈值判定机构固定连接至安全系统双端固支限位边框的内边缘，后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构均为与阈值判定质量块在同一个平面内的悬臂梁，后坐过载阈值判定机构的许用应力小于发射过载，离心过载阈值判定机构的许用应力大于发射过载并小于离心过载，离心过载阈值判定机构垂直于离心过载方向；隔爆滑块上设置有传爆孔；安全系统一体化装置具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，安全系统一体化装置处于安全状态，两个阈值判定质量块通过后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，阈值判定质量块感知到发射方向的发射过载，即后坐过载后，产生较大位移，由于后坐过载阈值判定机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；小口径弹进入外弹道环境后，弹体处于高旋状态，当小口径弹转速达到预定装定范围时，此时由于离心过载阈值判定机构对小口径弹的离心过载方向敏感，从而发生断裂，阈值判定质量块脱落；隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，从而隔爆滑块被锁在安全系统双端固支限位边框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿卡住隔爆滑块反缓冲限位槽，从而锁住隔爆滑块的位置，确保隔爆滑块不会在缓冲力作用下发生抖动，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

进一步包括封装层，通过阳极键合封装在安全系统双端固支限位边框的一个表面；封装层的材料采用绝缘材料，厚度为300～500μm。封装层上具有能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药。

安全系统一体化装置采用半导体材料，厚度为300～500μm。

隔爆滑块的上表面和下表面均低于安全系统双端固支限位边框的表面的高度为10～30μm。

隔爆滑块反缓冲限位梳齿与小口径弹的离心过载方向之间的夹角为25°～60°。

本发明的另一个目的在于提供一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的实现方法。

本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的实现方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，安全系统一体化装置处于安全状态，两个阈值判定质量块分别后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)小口径弹发射系统发射点火；

3)小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，阈值判定质量块感知到发射方向的发射过载，即后坐过载后，产生较大位移，由于后坐过载阈值判定机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；

4)小口径弹进入外弹道环境后，弹体处于高旋状态，当小口径弹转速达到预定装定范围时，此时由于离心过载阈值判定机构对小口径弹的离心过载方向敏感，从而发生断裂，阈值判定质量块脱落；

5)隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，从而隔爆滑块被锁在安全系统双端固支限位边框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；

6)对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿卡住隔爆滑块反缓冲限位槽，从而锁住隔爆滑块的位置，确保隔爆滑块不会在缓冲力作用下发生抖动，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

本发明的又一个目的在于提供一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的制备方法。

本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的制备方法，包括以下步骤：

1)提供半导体材料；

2)光刻，选择安全系统双端固支限位边框和隔爆滑块的作用区域，安全系统一体化装置从安全状态至攻击状态，隔爆滑块的运动区域称为作用区域；

3)通过刻蚀，形成安全系统双端固支限位边框的位置和隔爆滑块的作用区域；

4)针对隔爆滑块的作用区域，通过刻蚀工艺，对半导体材料进行刻蚀，从而形成隔爆滑块的上表面和下表面均与安全系统双端固支限位边框的表面形成高度差；

5)通过光刻和干法刻蚀工艺，形成后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、阈值判定质量块、隔爆滑块反缓冲限位槽和传爆孔；

6)提供封装层材料；

7)在封装层材料表面形成能量输出孔的图形；

8)对封装层打孔形成能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药；

9)通过阳极键合，将步骤5)形成的结构与封装层封装。

在步骤4)中，高度差在10～30μm之间，提高隔爆滑块的运动灵活性，并实现对安全系统双端固支限位边框上隔爆滑块限位槽、隔爆滑块的作用区域及后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构位置选择。

在步骤6)中，封装层采用绝缘材料，厚度为300～500μm。

本发明的优点：

本发明采用一体化结构，首先，从小口径弹引信设计及加工角度来看，具有结构尺寸小型化、功耗低、加工样品一致性好等优势；其次，从小口径弹引信功能角度来看，具有对弹道环境感知能力强、安全与解保控制系统工作可靠性高特点；再次，小型化引信对提高战斗部装药有重要意义，通过小型化引信，提高下一级装药，从而提高小口径弹药的毁伤效能。

附图说明

图1为本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的一个实施例的俯视图；

图2为本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的一个实施例的立体图；

图3(a)～(i)为本发明的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的制备方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置包括：安全系统双端固支限位边框6、隔爆滑块10、隔爆滑块限位销1、隔爆滑块限位槽2、隔爆滑块反缓冲限位槽9、隔爆滑块反缓冲限位梳齿3、阈值判定质量块5、后坐过载阈值判定机构8、离心过载阈值判定机构4和传爆孔7；其中，安全系统双端固支限位边框6为一个内部中空的支撑框架；隔爆滑块10位于安全系统双端固支限位边框6中，隔爆滑块10的外边缘小于安全系统双端固支限位边框6的内边缘，并且隔爆滑块10的上表面和下表面均低于安全系统双端固支限位边框6的表面；隔爆滑块10的前端设置有隔爆滑块限位销1，与隔爆滑块限位销1的位置相对，在安全系统双端固支限位边框6的前端内边缘具有隔爆滑块限位槽2，隔爆滑块限位槽2与隔爆滑块限位销1为互补图形；隔爆滑块10的两侧分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位槽9，与隔爆滑块反缓冲限位槽9的位置相对应，在安全系统双端固支限位边框6的两侧内边缘，分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿3，隔爆滑块反缓冲限位梳齿3的方向与小口径弹的离心过载方向为锐角；隔爆滑块10的两侧，并且沿着小口径弹的离心过载方向位于隔爆滑块反缓冲限位槽9之后，分别设置有凹槽，在两个凹槽中分别设置有阈值判定质量块5；两个阈值判定质量块5分别通过后坐过载阈值判定机构8固定连接至隔爆滑块10的凹槽边缘，并且两个阈值判定质量块5分别通过离心过载阈值判定机构4固定连接至安全系统双端固支限位边框6的内边缘，离心过载阈值判定机构4为垂直于离心过载方向的悬臂梁，后坐过载阈值判定机构8的许用应力小于发射过载，离心过载阈值判定机构4的许用应力大于发射过载并小于离心过载；隔爆滑块10上设置有传爆孔7。图2为立体图。

安全系统双端固支限位边框、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、阈值判定质量块、后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构均位于同一个垂直于发射方向的平面内。

后坐过载阈值判定机构的许用应力和离心过载阈值判定机构的许用应力为80～120Mpa。

本实施例的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的制备方法，包括以下步骤：

1)提供晶向为(100)双抛多晶硅，厚度500μm，如图3(a)所示；

2)光刻，选择安全系统双端固支限位边框和隔爆滑块的作用区域，安全系统一体化装置从安全状态至攻击状态，隔爆滑块的运动区域称为作用区域，如图3(b)所示；

3)通过深反应离子刻蚀DRIE刻蚀，形成安全系统双端固支限位边框的位置和隔爆滑块的作用区域，如图3(c)所示；

4)针对隔爆滑块的作用区域，通过感应耦合等离子体刻蚀ICP刻蚀工艺，对双抛多晶硅进行刻蚀，刻蚀深度25μm，从而形成隔爆滑块的上表面和下表面均与安全系统双端固支限位边框的表面形成高度差，如图3(d)所示；

5)通过光刻和DRIE干法刻蚀工艺，形成后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、阈值判定质量块、隔爆滑块反缓冲限位槽和传爆孔，从而形成安全系统一体化装置，如图3(e)所示；

6)提供玻璃基片，厚度为500μm，如图3(f)所示；

7)在封装层材料表面通过光刻形成能量输出孔的图形，如图3(g)所示；

8)在封装打孔形成能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药，如图3(h)所示；

9)通过阳极键合，将步骤5)形成的安全系统一体化装置与封装层封装，如图3(i)所示。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置，安全系统一体化装置安装在小口径弹的起爆药与下一级装药之间，其表面垂直于发射方向，包括隔爆滑块和传爆孔，隔爆滑块上设置有传爆孔，传爆孔与起爆药之间错位，其特征在于，所述安全系统一体化装置还包括：安全系统双端固支限位边框、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、隔爆滑块反缓冲限位槽、隔爆滑块反缓冲限位梳齿、阈值判定质量块、后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构；其中，所述安全系统双端固支限位边框为一个内部中空的支撑框架；所述隔爆滑块位于安全系统双端固支限位边框中，隔爆滑块的外边缘小于安全系统双端固支限位边框的内边缘，并且隔爆滑块的上表面和下表面均低于安全系统双端固支限位边框的表面；所述隔爆滑块的前端设置有隔爆滑块限位销，与隔爆滑块限位销的位置相对，在安全系统双端固支限位边框的前端内边缘具有隔爆滑块限位槽，隔爆滑块限位槽与隔爆滑块限位销为互补图形；所述隔爆滑块的两侧分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位槽，与隔爆滑块反缓冲限位槽的位置相对应，在安全系统双端固支限位边框的两侧内边缘，分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿，隔爆滑块反缓冲限位梳齿的方向与小口径弹的离心过载方向为锐角；所述隔爆滑块的两侧，并且沿着小口径弹的离心过载方向位于隔爆滑块反缓冲限位槽之后，分别设置有凹槽，在两个凹槽中分别设置有阈值判定质量块；两个阈值判定质量块分别通过后坐过载阈值判定机构固定连接至隔爆滑块的凹槽边缘，并且两个阈值判定质量块分别通过离心过载阈值判定机构固定连接至安全系统双端固支限位边框的内边缘，后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构均为与阈值判定质量块在同一个平面内的悬臂梁，后坐过载阈值判定机构的许用应力小于发射过载，离心过载阈值判定机构的许用应力大于发射过载并小于离心过载，离心过载阈值判定机构垂直于离心过载方向；安全系统一体化装置具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，安全系统一体化装置处于安全状态，两个阈值判定质量块通过后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构固定；当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，阈值判定质量块感知到发射方向的发射过载，即后坐过载后，产生较大位移，由于后坐过载阈值判定机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；小口径弹进入外弹道环境后，弹体处于高旋状态，当小口径弹转速达到预定装定范围时，此时由于离心过载阈值判定机构对小口径弹的离心过载方向敏感，从而发生断裂，阈值判定质量块脱落；隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，从而隔爆滑块被锁在安全系统双端固支限位边框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿卡住隔爆滑块反缓冲限位槽，从而锁住隔爆滑块的位置，确保隔爆滑块不会在缓冲力作用下发生抖动，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

2.如权利要求1所述的安全系统一体化装置，其特征在于，进一步包括封装层，通过阳极键合封装在安全系统双端固支限位边框的一个表面；封装层的材料采用绝缘材料，厚度为300～500μm。

3.如权利要求2所述的安全系统一体化装置，其特征在于，所述封装层上具有能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药。

4.如权利要求1所述的安全系统一体化装置，其特征在于，所述安全系统一体化装置采用半导体材料，厚度为300～500μm。

5.如权利要求1所述的安全系统一体化装置，其特征在于，所述隔爆滑块的上表面和下表面均低于安全系统双端固支限位边框的表面的高度为10～30μm。

6.如权利要求1所述的安全系统一体化装置，其特征在于，所述隔爆滑块反缓冲限位梳齿与小口径弹的离心过载方向之间的夹角为25°～60°。

7.一种如权利要求1所述的应用于小口径弹的MEMS安全系统一体化装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，安全系统一体化装置处于安全状态，两个阈值判定质量块分别后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)小口径弹发射系统发射点火；

3)小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，阈值判定质量块感知到发射方向的发射过载，即后坐过载后，产生较大位移，由于后坐过载阈值判定机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；

4)小口径弹进入外弹道环境后，弹体处于高旋状态，当小口径弹转速达到预定装定范围时，此时由于离心过载阈值判定机构对小口径弹的离心过载方向敏感，从而发生断裂，阈值判定质量块脱落；

5)隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，从而隔爆滑块被锁在安全系统双端固支限位边框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；

6)对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿卡住隔爆滑块反缓冲限位槽，从而锁住隔爆滑块的位置，确保隔爆滑块不会在缓冲力作用下发生抖动，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

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