CN109696094A - 一种硅基mems后坐保险机构 - Google Patents

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Abstract

一种硅基MEMS后坐保险机构，采用SOI和DRIE相结合的工艺，在一块SOI基板上一体化加工而成，SOI基板为背衬底层，背衬底层上设有SiO2绝缘层，SiO2绝缘层上设有顶层硅器件结构层；顶层硅器件结构层由弹簧‑质量块后坐敏感模块、弹性梁齿型延时机构、悬臂梁闭锁机构和弹性梁后坐缓冲机构的柔性结构组成，弹簧‑质量块后坐敏感模块的上部和弹性梁齿型延时机构连接，弹簧‑质量块后坐敏感模块的下部和悬臂梁闭锁机构配合连接，并通过弹性梁后坐缓冲机构对弹簧‑质量块后坐敏感模块进行缓冲；本发明提高抗高过载能力和环境识别能力，保证MEMS后坐保险机构在勤务跌落高过载、短脉冲时间条件下的安全性，以及在发射环境下高过载、长脉冲时间条件下的作用可靠性。

Description

一种硅基MEMS后坐保险机构
技术领域
本发明涉及引信安全系统技术领域，具体涉及一种硅基MEMS后坐保险机构。
背景技术
后坐保险机构通常作为引信MEMS安全系统的第一道保险，通过敏感弹丸发射时的后坐过载环境可靠解除保险，而在感受勤务处理跌落、冲击等过载时不解除保险。基于后坐保险机构的应用背景，MEMS后坐保险机构须具备较高的抗过载能力，同时能够可靠识别弹丸发射后坐环境和勤务处理中的跌落冲击等过载环境，避免在勤务处理过程中意外解除保险。硅材料作为MEMS后坐保险机构的最重要加工材料，其加工工艺与微电子工艺有很好的兼容性，能够与微电子器件实现一体化加工，真正实现微型化。但硅材料的脆性大、抗过载能力较差，因此硅基MEMS后坐保险机构能否承受高冲击、高过载等恶劣的环境条件，是其能否应用于引信系统的关键。
现有的硅基MEMS后坐保险机构的抗过载能力和环境识别能力差。
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供了一种硅基MEMS后坐保险机构，提高抗高过载能力和环境识别能力，实现后坐保险功能，保证MEMS后坐保险机构在勤务跌落高过载、短脉冲时间条件下的安全性，以及在发射环境下高过载、长脉冲时间条件下的作用可靠性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种硅基MEMS后坐保险机构，采用SOI和DRIE相结合的工艺，在一块SOI基板上一体化加工而成，SOI基板为背衬底层K3，背衬底层K3上设有SiO2绝缘层K2，SiO2绝缘层K2上设有顶层硅器件结构层K1；顶层硅器件结构层K1由弹簧-质量块后坐敏感模块100、弹性梁齿型延时机构200、悬臂梁闭锁机构300和弹性梁后坐缓冲机构400的柔性结构组成，弹簧-质量块后坐敏感模块100的上部和弹性梁齿型延时机构200连接，弹簧-质量块后坐敏感模块100的下部和悬臂梁闭锁机构300配合连接，并通过弹性梁后坐缓冲机构400对弹簧-质量块后坐敏感模块100进行缓冲。
所述的弹簧-质量块后坐敏感模块100采用多弹簧并联结构，包括后坐质量块102，后坐质量块102两侧通过弹簧101和SOI基板连接，后坐质量块102上设有工艺孔103，后坐质量块102处于悬空可动状态。
所述的弹性梁齿型延时机构200包括第一弹性梁201，第一弹性梁201下端和后坐质量块102上端连接，第一弹性梁201的两侧设有齿牙202，齿牙202和SOI基板上设有的齿槽203配合，齿牙202与齿槽203为三角形齿型结构；当后坐质量块102感受后坐力作用向下运动过程中，第一弹性梁201上的齿牙202与SOI基板上的齿槽203逐渐脱离啮合，接触面积逐渐减小，相应地摩擦力也逐渐减小。
所述的悬臂梁闭锁机构300包括和SOI基板连接的悬臂梁303，悬臂梁303的端头连接有卡座302，和卡座302配合的卡头301连接在后坐质量块102的下端。
所述的弹性梁后坐缓冲机构400由第二弹性梁401和缓冲块402组成，第二弹性梁401两端和SOI基板连接，第二弹性梁401中部连接有缓冲块402，缓冲块402和卡头301配合。
所述的一种硅基MEMS后坐保险机构的工作过程为：弹丸发射时，弹簧-质量块模块100感受后坐力作用向下运动，经过弹性梁齿型延时机构200的短暂延时后，卡头301进入卡座302实现闭锁，弹性梁后坐缓冲机构400使快速运动的后坐质量块102实现“软着陆”，同时限制了后坐质量块102和弹簧101的行程；而在勤务跌落冲击环境中，弹性梁齿型延时机构200位移较小，使得后坐质量块102不能运动到闭锁位置，从而不能解除保险。
本发明的有益效果为：本发明基于柔性抗过载技术和齿型延时技术，提出了一种硅基MEMS后坐保险机构，提高了MEMS后坐保险机构的抗高过载能力和环境识别能力。本发明使得硅基MEMS后坐保险机构在高冲击、高过载等恶劣环境中的应用成为可能，能够有效促进MEMS引信技术的发展进步。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中图1(a)为俯视图，图1(b)为图1(a)的A-A剖视图，图1(c)为三维结构示意图。
图2为本发明解除保险后的结构示意图。
图3为本发明弹簧-质量块后坐敏感模块和弹性梁齿型延时机构的结构示意图。
图4为本发明闭锁机构和弹性梁缓冲机构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的结构特点、工作原理表述的更加清楚明白，现结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1，一种硅基MEMS后坐保险机构，采用SOI和DRIE相结合的工艺，在一块SOI基板上一体化加工而成，SOI基板为背衬底层K3，背衬底层K3上设有SiO2绝缘层K2，SiO2绝缘层K2上设有顶层硅器件结构层K1；顶层硅器件结构层K1由弹簧-质量块后坐敏感模块100、弹性梁齿型延时机构200、悬臂梁闭锁机构300和弹性梁后坐缓冲机构400的柔性结构组成，弹簧-质量块后坐敏感模块100的上部和弹性梁齿型延时机构200连接，弹簧-质量块后坐敏感模块100的下部和悬臂梁闭锁机构300配合连接，并通过弹性梁后坐缓冲机构400对弹簧-质量块后坐敏感模块100进行缓冲，提高其抗过载能力。
参照图2和图3，所述的弹簧-质量块后坐敏感模块100采用多弹簧并联结构，包括后坐质量块102，后坐质量块102两侧通过弹簧101和SOI基板连接，后坐质量块102上设有工艺孔103，工艺孔103的作用为加快后坐质量块102底部SiO2氧化层的刻蚀，后坐质量块102处于悬空可动状态，同时降低了每根弹簧101的刚度，提高了其抗过载能力。
参照图2和图3，所述的弹性梁齿型延时机构200用于实现后坐保险机构的机械延时功能，区分弹丸发射后坐环境和勤务跌落环境；由于弹丸发射后坐环境和勤务跌落环境的主要区别在于弹丸发射后坐过载脉冲时间长，而勤务跌落环境的过载脉冲时间短，因此通过延时作用可对两种环境进行区分；弹性梁齿型延时机构200包括第一弹性梁201，第一弹性梁201下端和后坐质量块102上端连接，第一弹性梁201的两侧设有齿牙202，齿牙202和SOI基板上设有的齿槽203配合，齿牙202与齿槽203为三角形齿型结构；当后坐质量块102感受后坐力作用向下运动过程中，第一弹性梁201上的齿牙202与SOI基板上的齿槽203逐渐脱离啮合，接触面积逐渐减小，相应地摩擦力也逐渐减小，这种变抗力设计的弹性梁延时机构，使后坐质量块102在受冲击前期由于抗力较大而位移较小，而随着时间延长抗力逐渐变小，保证了引信在勤务跌落高过载、短脉冲时间条件下的安全性，使之不能解除保险，同时保证了在发射环境下高过载、长脉冲时间条件下的作用可靠性，较好地区分了弹丸发射环境和勤务跌落环境。
参照图2和图4，所述的悬臂梁闭锁机构300包括和SOI基板连接的悬臂梁303，悬臂梁303的端头连接有卡座302，和卡座302配合的卡头301连接在后坐质量块102的下端。悬臂梁闭锁机构300用来实现后坐保险机构的到位闭锁，采用悬臂梁式闭锁机构，该机构具有结构简单、工艺性较好，抗过载能力强的特点。
参照图2和图4，为防止在发射高过载条件下后坐保险机构由于行程过大而造成弹簧101等器件折断，采用弹性梁后坐缓冲机构400；所述的弹性梁后坐缓冲机构400由第二弹性梁401和缓冲块402组成，第二弹性梁401两端和SOI基板连接，第二弹性梁401中部连接有缓冲块402，缓冲块402和卡头301配合，一方面使快速运动的后坐质量块102实现“软着陆”，另一方面限制后坐质量块102和弹簧101的行程，避免弹簧101由于行程过大而折断。
本发明的工作原理：
参照图1和图2，弹丸发射时，所述的弹簧-质量块模块100感受后坐力作用向下运动，经过弹性梁齿型延时机构200的短暂延时后，卡头301进入卡座302，悬臂梁闭锁机构300实现闭锁，弹性梁后坐缓冲机构400对后坐质量块102进行缓冲，实现“软着陆”，同时限制后坐质量块102和弹簧101的行程，避免弹簧101由于行程过大而折断。而在勤务跌落冲击环境中，由于冲击脉冲时间较短，弹性梁齿型延时机构200位移较小，使得后坐质量块102不能运动到闭锁位置，从而不能解除保险。

Claims (6)

1.一种硅基MEMS后坐保险机构，其特征在于：采用SOI和DRIE相结合的工艺，在一块SOI基板上一体化加工而成，SOI基板为背衬底层(K3)，背衬底层(K3)上设有SiO2绝缘层(K2)，SiO2绝缘层(K2)上设有顶层硅器件结构层(K1)；顶层硅器件结构层(K1)由弹簧-质量块后坐敏感模块(100)、弹性梁齿型延时机构(200)、悬臂梁闭锁机构(300)和弹性梁后坐缓冲机构(400)的柔性结构组成，弹簧-质量块后坐敏感模块(100)的上部和弹性梁齿型延时机构(200)连接，弹簧-质量块后坐敏感模块(100)的下部和悬臂梁闭锁机构(300)配合连接，并通过弹性梁后坐缓冲机构(400)对弹簧-质量块后坐敏感模块(100)进行缓冲。
2.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS后坐保险机构，其特征在于：所述的弹簧-质量块后坐敏感模块(100)采用多弹簧并联结构，包括后坐质量块(102)，后坐质量块(102)两侧通过弹簧(101)和SOI基板连接，后坐质量块(102)上设有工艺孔(103)，后坐质量块(102)处于悬空可动状态。
3.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS后坐保险机构，其特征在于：所述的弹性梁齿型延时机构(200)包括第一弹性梁(201)，第一弹性梁(201)下端和后坐质量块(102)上端连接，第一弹性梁(201)的两侧设有齿牙(202)，齿牙(202)和SOI基板上设有的齿槽(203)配合，齿牙(202)与齿槽(203)为三角形齿型结构；当后坐质量块(102)感受后坐力作用向下运动过程中，第一弹性梁(201)上的齿牙(202)与SOI基板上的齿槽(203)逐渐脱离啮合，接触面积逐渐减小，相应地摩擦力也逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS后坐保险机构，其特征在于：所述的悬臂梁闭锁机构(300)包括和SOI基板连接的悬臂梁(303)，悬臂梁(303)的端头连接有卡座(302)，和卡座(302)配合的卡头(301)连接在后坐质量块(102)的下端。
5.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS后坐保险机构，其特征在于：所述的弹性梁后坐缓冲机构(400)由第二弹性梁(401)和缓冲块(402)组成，第二弹性梁(401)两端和SOI基板连接，第二弹性梁(401)中部连接有缓冲块(402)，缓冲块(402)和卡头(301)配合。
6.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS后坐保险机构，其特征在于，所述的一种硅基MEMS后坐保险机构的工作过程为：弹丸发射时，弹簧-质量块模块(100)感受后坐力作用向下运动，经过弹性梁齿型延时机构(200)的短暂延时后，卡头(301)进入卡座(302)实现闭锁，弹性梁后坐缓冲机构(400)使快速运动的后坐质量块(102)实现“软着陆”，同时限制了后坐质量块(102)和弹簧(101)的行程；而在勤务跌落冲击环境中，弹性梁齿型延时机构(200)位移较小，使得后坐质量块(102)不能运动到闭锁位置，从而不能解除保险。
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