CN110132073B - 一种小口径弹的远距离解保mems安全系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小口径弹的远距离解保MEMS安全系统及其实现方法。本发明采用延迟解保装置，在未通过炮口安全距离以前，引信控制系统控制延迟解保装置对离心隔爆滑块施加与离心过载方向相反的力，控制离心隔爆滑块不发生移动；当确定通过炮口安全距离以后，延迟解保装置解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；从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，能够实现安全系统远距离解除保险的功能，实现引信安全系统控制智能化，提高小口径弹引信系统的高度集成化。

Description

一种小口径弹的远距离解保MEMS安全系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及小口径弹药安全与解保控制技术，具体涉及一种小口径弹远距离解保的MEMS安全系统及其实现方法。

背景技术

随着小口径弹药的装配需求日益扩大，小口径弹药的引信控制系统功能也逐步向系统集成化、通用化方向发展。传统的小口径弹药的安全系统主要采用精密机械加工的方式，再结合人工与机械装配实现系统集成，但是由于在生产及装配环节有人工成分的存在，导致小口径弹药引信的作用可靠性降低。无法提高系统的批量化程度。伴随着微机电系统MEMS工艺的发展，具有批量化、小型化、智能化的MEMS引信安全系统应运而生，这一类安全系统仅仅可以实现后坐过载、离心过载的区分，即在毫秒量级时，完成引信系统对弹道环境中后坐过载及离心过载的感知，从而实现传爆序列对正，却无法满足引信的远距离解除保险指标。因此人们往往采用单独模块的远距离解除保险模块，使得引信安全系统满足要求，但是这样的解决办法无法从根本上降低引信安全系统的质量、大小，从而成为引信微型化的障碍。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明基于安培力，提出了一种小口径弹远距离解保的MEMS安全系统及其实现方法，满足了MEMS引信智能化和小型化的军事需求。

本发明的一个目的在于提出一种小口径弹远距离解保的MEMS安全系统。

本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统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。

本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统包括：限位边框、后坐隔爆滑块、离心隔爆滑块、边框限位槽、后坐限位销、后坐限位槽、离心限位销、后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、传爆孔和延迟解保装置；MEMS安全系统关于离心过载方向为轴对称结构；其中，限位边框为内部中空的边框结构，在限位边框内设置后坐隔爆滑块，在后坐隔爆滑块中设置离心隔爆滑块，限位边框、后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的中心面均位于同一个平面内，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于限位边框的上下表面；后坐隔爆滑块为包括两侧的后坐侧梁和连接二者的位于前端的后坐连接梁；在限位边框的前端内边缘具有边框限位槽，与边框限位槽的位置相对，在后坐隔爆滑块的前端的后坐连接梁的外边缘设置有后坐限位销，后坐限位销与边框限位槽为互补图形，在后坐隔爆滑块的两侧的后坐侧梁的外边缘与相对的限位边框的两侧内边缘之间设置一对或多对关于离心过载方向轴对称的后坐过载阈值判定机构；位于后坐隔爆滑块内的离心隔爆滑块包括离心连接梁和(2n+1)个离心悬臂梁，n为≥1的自然数，离心连接梁的后端设置(2n+1)个关于离心过载方向轴对称分布的离心悬臂梁，位于中心的离心悬臂梁为中心悬臂梁，在中心悬臂梁上设置有传爆孔；在前端的离心连接梁的外边缘设置有离心限位销，与离心限位销的位置相对，在后坐隔爆滑块的后坐连接梁的内边缘设置有后坐限位槽，后坐限位槽与离心限位销为互补图形；限位边框的后端内边缘设置有2n个关于离心过载方向轴对称分布的限位梁，每个限位梁位于两个相邻的离心悬臂梁之间；在相邻的限位梁与离心悬臂梁之间设置关于离心过载方向轴对称分布的离心过载阈值判定机构；后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构均与离心隔爆滑块位于同一个平面内，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；在中心悬臂梁的后端设置延迟解保装置；延迟解保装置连接至引信控制系统的解保控制引脚上；MEMS安全系统具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，MEMS安全系统处于安全状态，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块固定，传爆孔与起爆药之间错位；当点火发射时，同时引信控制系统控制延迟解保装置产生与离心过载方向相反的力施加在离心隔爆滑块上，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，后坐过载阈值判定机构感知到后坐过载后，发生断裂，后坐隔爆滑块沿离心过载方向移动，后坐限位销与边框限位槽发生咬合，从而后坐隔爆滑块被锁在限位边框内；小口径弹进入外弹道环境后，离心过载阈值判定机构发生断裂，在延迟解保装置的作用下，此时虽然离心过载阈值判定机构断裂，但离心隔爆滑块未发生移动；当引信控制系统的计时确定小口径弹药通过预先设定的炮口安全距离以后，引信控制系统控制延迟解保装置解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，离心限位销与后坐限位槽发生咬合，从而隔爆滑块被锁在后坐隔爆滑块上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构采用“狗骨梁”结构，即两端宽中间窄的结构，保证在运输途中正常的晃动过程(过载小时间短)不会断，而在发射过程(过载大时间长)断裂。

延迟解保装置包括两根导线和一个磁场装置，在磁场装置的上表面和下表面分别设置第一和第二导线，垂直于发射方向和离心过载方向；第一导线的两端分别设置第一和第二电气连接接口，分别连接至引信控制系统的解保控制引脚的正极引脚和负极引脚；第二导线的两端分别设置第三和第四电气连接接口，分别连接至引信控制系统的解保控制引脚的正极引脚和负极引脚；磁场装置的上下表面的磁场方向平行于发射方向；在发射后，且未到达预先设定的炮口安全距离以前，引信控制系统的解保控制引脚对第一和第二导线通电，第一和第二导线中有电流，并且电流方向相同，通电导线在磁场中受到安培力，依据“左手定则”产生与离心过载方向相反的安培力，不小于离心过载，施加在离心隔爆滑块上，使得离心隔爆滑块不发生移动；当引信控制系统的计时确定小口径弹药通过预先设定的炮口安全距离以后，引信控制系统停止为解保控制引脚供电，导线内无电流，从而解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束。延迟解保装置的厚度小于限位边框的厚度。

磁场装置采用磁铁或者通电螺线管；通电螺线管的两端分别连接至引信控制系统的一对解保驱动引脚上。磁铁采用镍铁磁铁。

限位边框、后坐隔爆滑块、离心隔爆滑块、后坐限位销、离心限位销、后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构采用半导体材料，厚度为300～500μm。

坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于限位边框的上下表面的高度为10～30μm，从而使得坐隔爆滑块和离心隔爆滑块能够在限位边框内移动。

进一步，本发明还包括防抖装置，设置在后坐隔爆滑块的两侧的后坐侧梁的外边缘与相对的限位边框的两侧内边缘之间。防抖装置为后坐隔爆滑块侧面的凸起结构，作用是防止后坐隔爆滑块在离心过载作用下发生运动时出现扭动，无法完成后坐限位销与边框限位槽发生咬合动作。

本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的制备方法，包括以下步骤：

1)提供基板，厚度在350μm～450μm之间；

2)对基板的上下表面进行光刻，并显影，完成限位边框的图形化；

3)通过正反刻蚀，形成限位边框与坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面的高度差；

4)对基板进行正反光刻，完成安装延迟解保装置的通孔的图形化；

5)进行刻蚀，形成通孔；

6)对基板进行单面光刻，并显影，完成后坐隔爆滑块、离心隔爆滑块、边框限位槽、后坐限位销、后坐限位槽、离心限位销、后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构和传爆孔结构图形的定位；

7)过刻蚀技术，实现结构释放，得到后坐隔爆滑块、离心隔爆滑块、边框限位槽、后坐限位销、后坐限位槽、离心限位销、后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构和传爆孔；

8)制备延迟解保装置，通过液态金属高温回流技术将延迟解保装置一次成型在通孔内，

完成MEMS安全系统的制备。

本发明的另一个目的在于提供一种小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的控制方法。

本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的控制方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，MEMS安全系统处于安全状态，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)当点火发射时，同时引信控制系统控制延迟解保装置产生与离心过载方向相反的力施加在离心隔爆滑块上，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，后坐过载阈值判定机构感知到后坐过载后，发生断裂，后坐隔爆滑块沿离心过载方向移动，后坐限位销与边框限位槽发生咬合，从而后坐隔爆滑块被锁在限位边框内；

3)小口径弹进入外弹道环境后，离心过载阈值判定机构发生断裂，在延迟解保装置的作用下，此时虽然离心过载阈值判定机构断裂，但离心隔爆滑块未发生移动；

4)当引信控制系统的计时确定小口径弹药通过预先设定的炮口安全距离以后，引信控制系统控制延迟解保装置解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，离心限位销与后坐限位槽发生咬合，从而隔爆滑块被锁在后坐隔爆滑块上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

本发明的优点：

本发明采用延迟解保装置，在未通过炮口安全距离以前，引信控制系统控制延迟解保装置对离心隔爆滑块施加与离心过载方向相反的力，控制离心隔爆滑块不发生移动；当确定通过炮口安全距离以后，延迟解保装置解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；从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，能够实现安全系统远距离解除保险的功能，实现引信安全系统控制智能化，提高小口径弹引信系统的高度集成化。

附图说明

图1为本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的一个实施例的立体图；

图2为本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的一个实施例的沿中心面的剖面图；

图3为本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的一个实施例的延迟解保装置的导线图，其中，(a)为正面图，(b)为反面图；

图4为本发明的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的一个实施例的延迟解保装置的原理图。

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和2所示，本实施例的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统包括：限位边框1、后坐隔爆滑块2、离心隔爆滑块3、边框限位槽11、后坐限位销21、后坐限位槽22、离心限位销31、后坐过载阈值判定机构4、离心过载阈值判定机构5、传爆孔6、延迟解保装置7和防抖装置8；MEMS安全系统关于离心过载方向为轴对称结构；其中，限位边框1为内部中空的边框结构，在限位边框1内设置后坐隔爆滑块2，在后坐隔爆滑块2中设置离心隔爆滑块3，限位边框1、后坐隔爆滑块2和离心隔爆滑块3的中心面均位于同一个平面内，后坐隔爆滑块2和离心隔爆滑块3的上下表面均低于限位边框1的上下表面；后坐隔爆滑块2为包括两侧的后坐侧梁23和连接二者的位于前端的后坐连接梁24；在限位边框1的前端内边缘具有边框限位槽11，与边框限位槽11的位置相对，在后坐隔爆滑块2的前端的后坐连接梁的外边缘设置有后坐限位销21，后坐限位销21与边框限位槽11为互补图形，在后坐隔爆滑块2的两侧的后坐侧梁的外边缘与相对的限位边框1的两侧内边缘之间设置三对对关于离心过载方向轴对称的后坐过载阈值判定机构4；位于后坐隔爆滑块2内的离心隔爆滑块3包括离心连接梁32和三个离心悬臂梁33，离心连接梁的后端设置三个关于离心过载方向轴对称分布的离心悬臂梁，位于中心的离心悬臂梁为中心悬臂梁，在中心悬臂梁上设置有传爆孔6；在前端的离心连接梁的外边缘设置有离心限位销31，与离心限位销31的位置相对，在后坐隔爆滑块2的后坐连接梁的内边缘设置有后坐限位槽22，后坐限位槽22与离心限位销31为互补图形；限位边框1的后端内边缘设置有两个关于离心过载方向轴对称分布的限位梁12，每个限位梁位于两个相邻的离心悬臂梁之间；在相邻的限位梁与离心悬臂梁之间设置关于离心过载方向轴对称分布五对离心过载阈值判定机构5；后坐过载阈值判定机构4和离心过载阈值判定机构5均与离心隔爆滑块3位于同一个平面内，后坐过载阈值判定机构4的许用应力小于发射过载，离心过载阈值判定机构5的许用应力大于发射过载并小于离心过载；中心悬臂梁伸出限位边框1的后端，在中心悬臂梁的后端设置延迟解保装置7；延迟解保装置7连接至引信控制系统的解保控制引脚上；解保控制引脚包括输入引脚和输出引脚。防抖装置8设置在后坐隔爆滑块2的两侧的后坐侧梁的外边缘与相对的限位边框1的两侧内边缘之间。

MEMS安全系统采用硅；限位边框1、后坐隔爆滑块2、离心隔爆滑块3、后坐限位销21、离心限位销31、后坐过载阈值判定机构4和离心过载阈值判定机构5采用硅，厚度为400μm；坐隔爆滑块和离心隔爆滑块3的上下表面均低于限位边框1的上下表面的高度为20μm。

如图3所示，延迟解保装置包括两根导线71和一个磁铁72，第一和第二导线分别位于衬底73上，然后分别设置在磁铁的上表面和下表面，表面垂直于发射方向；如图4所示，第一导线的两端分别设置第一和第二电气连接接口，分别连接至引信控制系统的解保控制引脚的正极和负极引脚；第二导线的两端分别设置第三和第四电气连接接口，分别连接至引信控制系统的解保控制引脚的正极和负极输出引脚。

如图4所示，磁铁通过高温回流工艺成型，上下表面的磁场B方向平行于发射方向，N和S分别为磁铁的北极和南极，沿发射方向，上下表面的磁场方向一致；引信控制系统的解保控制引脚对第一和第二导线通电，有电流，通电导线受到安培力，并且上表面的电流方向与下表面的电流I方向相同，并垂直于发射方向和离心过载方向，依据“左手定则”产生与离心过载方向相反的安培力F，F＝BIL不小于离心过载，L为第一导线和第二导线的长度，施加在离心隔爆滑块上。本实施例中，电磁方向向上，电流方向为从内向外；反之，电磁方向向下，电流方向为从外向内。

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 (9)

1.一种小口径弹远距离解保的MEMS安全系统，其特征在于，所述MEMS安全系统包括：限位边框、后坐隔爆滑块、离心隔爆滑块、边框限位槽、后坐限位销、后坐限位槽、离心限位销、后坐过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、传爆孔和延迟解保装置；MEMS安全系统关于离心过载方向轴对称；其中，限位边框为内部中空的边框结构，在限位边框内设置后坐隔爆滑块，在后坐隔爆滑块中设置离心隔爆滑块，限位边框、后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的中心面均位于同一个平面内，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于限位边框的上下表面；后坐隔爆滑块包括两侧的后坐侧梁和连接二者的位于前端的后坐连接梁；在限位边框的前端内边缘具有边框限位槽，与边框限位槽的位置相对，在后坐隔爆滑块的前端的后坐连接梁的外边缘设置有后坐限位销，后坐限位销与边框限位槽的形状为互补图形，在后坐隔爆滑块的两侧的后坐侧梁的外边缘与相对的限位边框的两侧内边缘之间设置一对或多对关于离心过载方向轴对称的后坐过载阈值判定机构；位于后坐隔爆滑块内的离心隔爆滑块包括离心连接梁和2n+1个离心悬臂梁，n为≥1的自然数，离心连接梁的后端设置2n+1个关于离心过载方向轴对称分布的离心悬臂梁，位于中心的离心悬臂梁为中心悬臂梁，在中心悬臂梁上设置有传爆孔；在前端的离心连接梁的外边缘设置有离心限位销，与离心限位销的位置相对，在后坐隔爆滑块的后坐连接梁的内边缘设置有后坐限位槽，后坐限位槽与离心限位销的形状为互补图形；限位边框的后端内边缘设置有2n个关于离心过载方向轴对称分布的限位梁，每个限位梁位于两个相邻的离心悬臂梁之间；在相邻的限位梁与离心悬臂梁之间设置关于离心过载方向轴对称分布的离心过载阈值判定机构；后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构均与离心隔爆滑块位于同一个平面内，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；在中心悬臂梁的后端设置延迟解保装置；延迟解保装置连接至引信控制系统的解保控制引脚上；MEMS安全系统具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，MEMS安全系统处于安全状态，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块固定，传爆孔与起爆药之间错位；当点火发射时，引信控制系统控制延迟解保装置产生与离心过载方向相反的力施加在离心隔爆滑块上，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，后坐过载阈值判定机构感知到后坐过载后，发生断裂，后坐隔爆滑块沿离心过载方向移动，后坐限位销与边框限位槽发生咬合，从而后坐隔爆滑块被锁在限位边框内；小口径弹进入外弹道环境后，离心过载阈值判定机构发生断裂，在延迟解保装置的作用下，虽然离心过载阈值判定机构断裂，但离心隔爆滑块未发生移动；当引信控制系统的计时确定小口径弹药通过预先设定的炮口安全距离以后，引信控制系统控制延迟解保装置解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，离心限位销与后坐限位槽发生咬合，从而隔爆滑块被锁在后坐隔爆滑块上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态，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MEMS安全系统，其特征在于，所述后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构采用“狗骨梁”结构，即两端宽中间窄的结构。

3.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述延迟解保装置包括两根导线和一个磁场装置，在磁场装置的上表面和下表面分别设置第一导线和第二导线，垂直于发射方向和离心过载方向；第一导线的两端分别设置第一电气连接接口和第二电气连接接口，分别连接至引信控制系统的解保控制引脚的正极引脚和负极引脚；第二导线的两端分别设置第三电气连接接口和第四电气连接接口，分别连接至引信控制系统的解保控制引脚的正极引脚和负极引脚；磁场装置的上下表面的磁场方向平行于发射方向；在发射后，且未到达预先设定的炮口安全距离以前，引信控制系统的解保控制引脚对第一导线和第二导线通电，第一导线和第二导线中有电流，并且电流方向相同，通电导线在磁场中受到安培力，依据“左手定则”产生与离心过载方向相反的安培力，不小于离心过载，施加在离心隔爆滑块上，使得离心隔爆滑块不发生移动；当引信控制系统的计时确定小口径弹药通过预先设定的炮口安全距离以后，引信控制系统停止为解保控制引脚供电，导线内无电流，从而解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束。

4.如权利要求3所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述磁场装置采用磁铁或者通电螺线管。

5.如权利要求4所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述通电螺线管的两端分别连接至引信控制系统的一对解保驱动引脚上。

6.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述限位边框、后坐隔爆滑块、离心隔爆滑块、后坐限位销、离心限位销、后坐过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构采用半导体材料，厚度为300～500μm。

7.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于限位边框的上下表面10～30μm。

8.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，还包括防抖装置，所述防抖装置设置在后坐隔爆滑块的两侧的后坐侧梁的外边缘与相对的限位边框的两侧内边缘之间。

9.一种如权利要求1所述的小口径弹远距离解保的MEMS安全系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，MEMS安全系统处于安全状态，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)当点火发射时，引信控制系统控制延迟解保装置产生与离心过载方向相反的力施加在离心隔爆滑块上，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，后坐过载阈值判定机构感知到后坐过载后，发生断裂，后坐隔爆滑块沿离心过载方向移动，后坐限位销与边框限位槽发生咬合，从而后坐隔爆滑块被锁在限位边框内；

3)小口径弹进入外弹道环境后，离心过载阈值判定机构发生断裂，在延迟解保装置的作用下，此时虽然离心过载阈值判定机构断裂，但离心隔爆滑块未发生移动；

4)当引信控制系统的计时确定小口径弹药通过预先设定的炮口安全距离以后，引信控制系统控制延迟解保装置解除对离心隔爆滑块的力，离心隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，离心限位销与后坐限位槽发生咬合，从而隔爆滑块被锁在后坐隔爆滑块上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

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