CN110411291B - 一种加速度筛选延时mems安保装置 - Google Patents
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Abstract
一种加速度筛选延时MEMS安保装置，包括通过键合方式结合到一起的盖板层和器件层，器件层包括置于齿条滑道和衬底滑道中的齿条，齿条和齿轮一侧啮合，齿轮另一侧与卡摆配合，卡摆和惯性锁配合，惯性锁位于惯性锁滑道中；利用硅齿条、硅齿轮及硅卡摆等机构，对硅隔板进行惯性驱动，实现装置的延时性能，提高了安全距离控制精度；利用质量块、硅弹簧及硅卡摆等机构，使质量块在单一方向规定范围的加速度环境下产生规定范围的位移使卡摆可以起摆运动，提高了器件对外界加速度的筛选性，本发明具有机械滤波、高强度、可靠性高、抗过载等特点。
Description
技术领域
本发明涉及安保装置技术领域，具体涉及一种加速度筛选延时MEMS安保装置。
背景技术
安保装置是起爆系统中重要的部件，其主要功能是实现传爆序列的安全性以及解保控制的可靠性。在导弹发射后，为保证导弹引爆的安全性，故要求导弹飞行出一定的安全距离后，传爆序列的发火程序才可以正常启动，因此，在开展相关器件的设计时，需要引入隔断机械机构来实现对爆轰能量传递的控制。
安保装置常为惯性驱动，即在自身惯性力的作用下，使隔断机械机构发生指定位移，从而实现安保装置从安全状态到解保状态的转变。为保证安全性，要求导弹的解保条件为平稳的加速飞行出规定安全距离，即要求安保装置在单一方向规定范围的加速度环境下持续作用规定时间后实现规定位移完成解保，传统的结构形式显然无法满足此要求。
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加速度筛选延时MEMS安保装置，实现装置在单一方向规定范围的加速度环境下的延时效果，实现装置对外界加速度环境的筛选累加延时效果，具有机械滤波、高强度、可靠性高、抗过载等特点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种加速度筛选延时MEMS安保装置，包括通过键合方式结合到一起的盖板层100和器件层200，键合后，器件层200的硅通孔205位于盖板层100的滑道观察窗107和器件层200的衬底滑道203内，器件层200中安装在硅连接板221上方的上镍质量块222位于盖板层100的盖板质量块安装窗101内，安装在硅连接板221下方的下镍质量块223位于器件层200的衬底质量块安装窗227内；
所述的盖板层100中间位置设有卡摆齿轮运动状态观察窗104、齿轮轴部观察窗105和齿轮齿条运动状态观察窗106，盖板层100左侧设有盖板质量块安装窗101，盖板层100右侧设有滑道观察窗107，盖板层100右上方设有低加速度状态观察窗102，盖板层100右下方设有高加速度状态观察窗103；
所述的器件层200包括置于齿条滑道202和衬底滑道203中的齿条Ⅰ，齿条Ⅰ和齿轮Ⅱ一侧啮合，齿轮Ⅱ另一侧与卡摆Ⅲ配合，卡摆Ⅲ和惯性锁Ⅳ配合，惯性锁Ⅳ位于惯性锁滑道201中，惯性锁滑道201、齿条滑道202设置在器件层外边框231上，衬底滑道203设置在器件层衬底232上。
所述的齿条Ⅰ包括硅隔板228，硅隔板228左侧为齿条渐开线齿204，硅隔板228上刻有硅通孔205，硅隔板228下方连接有配重衬底206。
所述的齿轮Ⅱ一侧设有擒纵机构齿207，擒纵机构齿207和卡摆Ⅲ配合；另一侧设有齿轮渐开线齿209，齿轮渐开线齿209和齿条渐开线齿204啮合；齿轮Ⅱ采用轮辐式齿轮208，齿轮内圈229上非均匀分布有间隙补偿槽210，齿轮轴211非均匀圆周分布有间隙补偿齿212；当齿轮Ⅱ位于初始位置，齿轮内圈229上的间隙补偿槽210与间隙补偿齿212之间保持均匀较大间隙；当齿轮Ⅱ顺时针旋转一定角度后，齿轮内圈229上的的间隙补偿槽210与间隙补偿齿212之间保持较小间隙，在整体运动过程中，间隙补偿槽210与间隙补偿齿212最多保持1组对正。
所述的卡摆Ⅲ包括卡摆臂220，卡摆臂220两端连接卡摆质量块214，一端的卡摆质量块214上设有上筛选卡摆卡齿215，另一端的卡摆质量块214上设有下筛选卡摆卡齿213；卡摆臂220中心的卡摆内圈230内连接有卡摆轴217，卡摆轴217上设有卡摆间隙补偿齿218；卡摆臂220中部设有上卡摆齿219与下卡摆齿216，上卡摆齿219与下卡摆齿216用于与齿轮Ⅱ上的擒纵机构齿207的相互作用。
所述的惯性锁Ⅳ包括硅连接板221，硅连接板221上端和S型微弹簧224下端连接，S型微弹簧224上端和器件层外边框231连接固定；硅连接板221上端设有低加速度锁齿225，低加速度锁齿225和上筛选卡摆卡齿215配合；硅连接板221下端设有高加速度锁齿226，高加速度锁齿226和下筛选卡摆卡齿213配合；硅连接板221正面粘连有上镍质量块222，背面粘连有下镍质量块223。
与传统安保装置相比，本发明的有益效果为：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；利用硅齿条、硅齿轮及硅卡摆等机构，对硅隔板进行惯性驱动，实现装置的延时性能，提高了安全距离控制精度；利用质量块、硅弹簧及硅卡摆等机构，使质量块在单一方向规定范围的加速度环境下产生规定范围的位移使卡摆可以起摆运动，提高了器件对外界加速度的筛选性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明盖板层的结构示意图。
图4为本发明器件层的结构示意图。
图5为本发明器件层中齿条单元的结构示意图。
图6为本发明器件层中齿轮单元的结构示意图，其中图a为齿轮结构图，图b为齿轮轴初始状态图，图c为齿轮轴啮合状态图。
图7为本发明器件层中卡摆单元的结构示意图。
图8为本发明器件层中惯性锁单元的结构示意图。
图9为本发明各活动单元间相对运动关系图。
图10为本发明延时机构减速器原理图，其中图a为上卡摆传动齿传冲运动状态图，图b为下卡摆传动齿碰撞运动状态图，图c为下卡摆传动齿传冲运动状态图，图d为上卡摆传动齿碰撞运动状态图。
图11为本发明加速度筛选原理图，其中图a为低加速度环境装置状态图，图b为规定加速度环境装置状态图，图c为高加速度环境装置状态图。
图12为本发明的状态图，其中图a为安全状态图，图b为解保状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1和图2，一种加速度筛选延时MEMS安保装置，包括通过键合方式结合到一起的盖板层100和器件层200，键合后，器件层200的硅通孔205位于盖板层100的滑道观察窗107和器件层200的衬底滑道203内，器件层200中安装在硅连接板221上方的上镍质量块222位于盖板层100的盖板质量块安装窗101内，安装在硅连接板221下方的下镍质量块223位于器件层200的衬底质量块安装窗227内。
参照图3，所述的盖板层100中间位置设有卡摆齿轮运动状态观察窗104、齿轮轴部观察窗105和齿轮齿条运动状态观察窗106，盖板层100左侧设有盖板质量块安装窗101，盖板层100右侧设有滑道观察窗107，盖板层100右上方设有低加速度状态观察窗102，盖板层100右下方设有高加速度状态观察窗103。
参照图4，所述的器件层200包括置于齿条滑道202和衬底滑道203中的齿条Ⅰ，齿条Ⅰ和齿轮Ⅱ一侧啮合，齿条Ⅰ驱动齿轮Ⅱ，齿轮Ⅱ另一侧与卡摆Ⅲ配合，齿轮Ⅱ和卡摆Ⅲ具有相对运动关系，卡摆Ⅲ和惯性锁Ⅳ配合，惯性锁Ⅳ位于惯性锁滑道201中，惯性锁滑道201、齿条滑道202设置在器件层外边框231上，衬底滑道203设置在器件层衬底232上。
参照图5，所述的齿条Ⅰ包括硅隔板228，硅隔板228左侧为齿条渐开线齿204，硅隔板228上刻有硅通孔205，硅隔板228下方连接有配重衬底206，配重衬底206增加齿条Ⅰ的驱动力及硅隔板228的强度。
参照图6(a)，所述的齿轮Ⅱ一侧设有擒纵机构齿207，擒纵机构齿207和卡摆Ⅲ配合；另一侧设有齿轮渐开线齿209，齿轮渐开线齿209和齿条渐开线齿204啮合；齿轮Ⅱ采用轮辐式齿轮208，齿轮内圈229上非均匀分布有间隙补偿槽210，齿轮轴211非均匀圆周分布有间隙补偿齿212；参照图6(b)，当齿轮Ⅱ位于初始位置，齿轮内圈229上的间隙补偿槽210与间隙补偿齿212之间保持均匀较大间隙；参照图6(c)，当齿轮Ⅱ顺时针旋转一定角度后，齿轮内圈229上的的间隙补偿槽210与间隙补偿齿212之间保持较小间隙，在整体运动过程中，间隙补偿槽210与间隙补偿齿212最多保持1组对正。
参照图7，所述的卡摆Ⅲ包括卡摆臂220，卡摆臂220两端连接卡摆质量块214，一端的卡摆质量块214上设有上筛选卡摆卡齿215，另一端的卡摆质量块214上设有下筛选卡摆卡齿213；卡摆臂220中心的卡摆内圈230内连接有卡摆轴217，卡摆轴217上设有卡摆间隙补偿齿218，通过卡摆间隙补偿齿218间的窗口提高了卡摆间隙补偿齿218与卡摆内圈230之间间隙的加工精度；卡摆臂220中部设有上卡摆齿219与下卡摆齿216，上卡摆齿219与下卡摆齿216用于与齿轮Ⅱ上的擒纵机构齿207的相互作用。
参照图8和图9，所述的惯性锁Ⅳ包括硅连接板221，硅连接板221上端和S型微弹簧224下端连接，S型微弹簧224上端和器件层外边框231连接固定；硅连接板221上端设有低加速度锁齿225，低加速度锁齿225和上筛选卡摆卡齿215配合；硅连接板221下端设有高加速度锁齿226，高加速度锁齿226和下筛选卡摆卡齿213配合；硅连接板221正面粘连有上镍质量块222，背面粘连有下镍质量块223。
参照图9，所示的齿条Ⅰ在外界加速度环境的作用下，产生惯性驱动力F1，并向下移动产生位移x1，齿条Ⅰ与齿轮Ⅱ通过齿条渐开线齿204与齿轮渐开线齿209的相互啮合驱动齿轮Ⅱ绕其齿轮轴211旋转并产生齿轮驱动力矩M；齿轮Ⅱ与卡摆Ⅲ通过擒纵机构齿207与上卡摆齿219、下卡摆齿216的相互作用使得卡摆Ⅲ在一定的角度范围θ内往复摆动实现延时减速效果；惯性锁Ⅳ在外界加速度环境下产生惯性力F2，其惯性力F2与S型微弹簧224在力平衡的条件下使惯性锁Ⅳ产生小位移x2，该小位移x2使得惯性锁Ⅳ与卡摆Ⅲ在不同的加速度环境下在上筛选卡摆卡齿215和低加速度锁齿225、下筛选卡摆卡齿213和高加速度锁齿226处产生不同的啮合与脱啮合的状态来完成对卡摆摆动的控制以实现加速度筛选的功能。
参照图10(a)，齿轮Ⅱ在驱动力矩M作用下通过擒纵机构齿207向卡摆Ⅲ的上卡摆齿219传递力矩使卡摆沿逆时针方向做加速旋转，直到擒纵机构齿207与上卡摆齿219脱啮合；参照图10(b)，齿轮Ⅱ在驱动力矩M作用下擒纵机构齿207与卡摆Ⅲ的下卡摆齿216运动方向相反发生碰撞使齿轮Ⅱ与卡摆Ⅲ减速，直到擒纵机构齿207与下卡摆齿216卡死二者相对速度为零；参照图10(c)，齿轮Ⅱ在驱动力矩M作用下通过擒纵机构齿207向卡摆Ⅲ的下卡摆齿216传递力矩使卡摆沿顺时针方向做加速旋转，直到擒纵机构齿207与下卡摆齿216脱啮合；参照图10(d)，齿轮Ⅱ在驱动力矩M作用下擒纵机构齿207与卡摆Ⅲ的上卡摆齿219运动方向相反发生碰撞使齿轮Ⅱ与卡摆Ⅲ减速，直到擒纵机构齿207与上卡摆齿219卡死二者相对速度为零；上述图10(a)、(b)、(c)和(d)四种状态组成一个周期，该周期不断重复实现对齿轮Ⅱ速度的减速延时控制。
参照图11(a)，所述的惯性锁Ⅳ在外界加速度环境较低时，产生的惯性力F2与S型微弹簧224在力平衡的条件下使惯性锁Ⅳ产生小位移x2，上筛选卡摆卡齿215和低加速度锁齿225处于啮合状态，下筛选卡摆卡齿213和高加速度锁齿226处于脱开状态，卡摆摆动运动被限制；参照图11(b)，惯性锁Ⅳ在外界加速度环境为规定范围值时，产生的惯性力F2与S型微弹簧224在力平衡的条件下使惯性锁Ⅳ产生小位移x2，上筛选卡摆卡齿215和低加速度锁齿225处于脱开状态，下筛选卡摆卡齿213和高加速度锁齿226处于脱开状态，卡摆摆动运动自由；参照图11(c)，惯性锁Ⅳ在外界加速度环境较高时，产生的惯性力F2与S型微弹簧224在力平衡的条件下使惯性锁Ⅳ产生小位移x2，上筛选卡摆卡齿215和低加速度锁齿225处于脱开状态，下筛选卡摆卡齿213和高加速度锁齿226处于啮合状态，卡摆摆动运动被限制；上述图11(a)、(b)和(c)三种状态，只有外界加速度环境在规定范围值时卡摆摆动运动自由，从而实现加速度筛选功能。
参照图12(a)，所述的齿条Ⅰ位于上方位置，上硅通孔205为不对齐状态，硅隔板228起到遮蔽作用，此时器件处于安全状态；参照图12(b)，所述的齿条Ⅰ位于下方位置，其上硅通孔205为对齐状态，硅隔板228不起到遮蔽作用，此时器件处于解保状态。
本发明利用了外界加速度环境对质量块产生的惯性驱动力，使齿条Ⅰ在惯性力驱动下驱动齿轮Ⅱ，由于齿轮Ⅱ与卡摆Ⅲ形成擒纵机构，使卡摆Ⅲ进行往复摆动运动，从而实现延时减速功能；惯性锁Ⅳ在对应惯性力驱动下产生对应位移，只有在规定加速度环境下，惯性锁Ⅳ产生规定位移，卡摆Ⅲ才能摆动自由；二者结合起来，形成具有加速度筛选延时功能的MEMS安保装置。
Claims (4)
1.一种加速度筛选延时MEMS安保装置，其特征在于：包括通过键合方式结合到一起的盖板层(100)和器件层(200)，键合后，器件层(200)的硅通孔(205)位于盖板层(100)的滑道观察窗(107)和器件层(200)的衬底滑道(203)内，器件层(200)中安装在硅连接板(221)上方的上镍质量块(222)位于盖板层(100)的盖板质量块安装窗(101)内，安装在硅连接板(221)下方的下镍质量块(223)位于器件层(200)的衬底质量块安装窗(227)内；
所述的盖板层(100)中间位置设有卡摆齿轮运动状态观察窗(104)、齿轮轴部观察窗(105)和齿轮齿条运动状态观察窗(106)，盖板层(100)左侧设有盖板质量块安装窗(101)，盖板层(100)右侧设有滑道观察窗(107)，盖板层(100)右上方设有低加速度状态观察窗(102)，盖板层(100)右下方设有高加速度状态观察窗(103)；
所述的器件层(200)包括置于齿条滑道(202)和衬底滑道(203)中的齿条(Ⅰ)，齿条(Ⅰ)和齿轮(Ⅱ)一侧啮合，齿轮(Ⅱ)另一侧与卡摆(Ⅲ)配合，卡摆(Ⅲ)和惯性锁(Ⅳ)配合，惯性锁(Ⅳ)位于惯性锁滑道(201)中，惯性锁滑道(201)、齿条滑道(202)设置在器件层外边框(231)上，衬底滑道(203)设置在器件层衬底(232)上；
所述的卡摆(Ⅲ)包括卡摆臂(220)，卡摆臂(220)两端连接卡摆质量块(214)，一端的卡摆质量块(214)上设有上筛选卡摆卡齿(215)，另一端的卡摆质量块(214)上设有下筛选卡摆卡齿(213)；卡摆臂(220)中心的卡摆内圈(230)内连接有卡摆轴(217)，卡摆轴(217)上设有卡摆间隙补偿齿(218)；卡摆臂(220)中部设有上卡摆齿(219)与下卡摆齿(216)，上卡摆齿(219)与下卡摆齿(216)用于与齿轮(Ⅱ)上的擒纵机构齿(207)的相互作用。
2.根据权利要求1所述的一种加速度筛选延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的齿条(Ⅰ)包括硅隔板(228)，硅隔板(228)左侧为齿条渐开线齿(204)，硅隔板(228)上刻有硅通孔(205)，硅隔板(228)下方连接有配重衬底(206)。
3.根据权利要求1所述的一种加速度筛选延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的齿轮(Ⅱ)一侧设有擒纵机构齿(207)，擒纵机构齿(207)和卡摆(Ⅲ)配合；另一侧设有齿轮渐开线齿(209)，齿轮渐开线齿(209)和齿条渐开线齿(204)啮合；齿轮(Ⅱ)采用轮辐式齿轮(208)，齿轮内圈(229)上非均匀分布有间隙补偿槽(210)，齿轮轴(211)非均匀圆周分布有间隙补偿齿(212)；当齿轮(Ⅱ)位于初始位置，齿轮内圈(229)上的间隙补偿槽(210)与间隙补偿齿(212)之间保持均匀较大间隙；当齿轮(Ⅱ)顺时针旋转一定角度后，齿轮内圈(229)上的间隙补偿槽(210)与间隙补偿齿(212)之间保持较小间隙，在整体运动过程中，间隙补偿槽(210)与间隙补偿齿(212)最多保持1组对正。
4.根据权利要求1所述的一种加速度筛选延时MEMS安保装置，其特征在于：所述的惯性锁(Ⅳ)包括硅连接板(221)，硅连接板(221)上端和S型微弹簧(224)下端连接，S型微弹簧(224)上端和器件层外边框(231)连接固定；硅连接板(221)上端设有低加速度锁齿(225)，低加速度锁齿(225)和上筛选卡摆卡齿(215)配合；硅连接板(221)下端设有高加速度锁齿(226)，高加速度锁齿(226)和下筛选卡摆卡齿(213)配合；硅连接板(221)正面粘连有上镍质量块(222)，背面粘连有下镍质量块(223)。
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| GR01 | Patent grant | ||
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