CN112164624B - 一种具有加速度带通功能的mems惯性闭锁开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有加速度带通功能的MEMS惯性闭锁开关，包括衬底、支撑锚点、质量块、第一复位弹簧、第二复位弹簧、限位块、闭锁机构、下级锁止机构、过滤器；衬底上设有支撑锚点；限位块固定在支撑锚点上；限位块限制质量块沿弹体轴向以及沿垂直于弹体轴向的滑动距离；质量块主体中间设有空腔，空腔内平行连接有两个第一复位弹簧；两个第一复位弹簧与固定块相连；两个第二复位弹簧与固定横梁相连，所述固定块、固定横梁均固定在支撑锚点上；闭锁机构设置在两个第二复位弹簧之间；质量块上的第二横梁两端设有下级锁止机构；限位块内设有两个悬臂结构的过滤器。本发明具有加速度带通功能。

Description

一种具有加速度带通功能的MEMS惯性闭锁开关

技术领域

本发明属于微机械电子领域，特别是一种具有加速度带通功能的MEMS惯性闭锁开关。

背景技术

惯性开关是一种能够识别并响应外界环境加速度阈值并完成开关动作的一种惯性器件。微机电系统(Micro Electro-mechanical System，MEMS)因具有尺寸小、易集成以及大批量生产等优点得到了迅速发展，广泛应用于半导体、集成电路、仪器仪表、安全系统等领域。基于MEMS技术的惯性开关具有体积小、可靠性高、成本低等特点，可应用于引信、汽车、工业以及航空等领域。本发明以引信后坐力作为主要应用环境，通过结构参数的重新设计，也可将其应用于其它环境。

引信的应用环境较为复杂，一般情况下惯性开关只对加速度幅值响应，引信应用环境除了加速度幅值外，还要对加速度脉宽响应，需要区分勤务环境与正常发射环境。勤务环境指引信在非发射状态下所受的环境力，包括运输中车辆颠簸、搬运过程中意外跌落等。正常发射环境下引信结构主要承受炮弹膛内压力。引信安保系统的基本要求为：保证勤务环境无法解除保险；正常发射环境可靠、快速解除保险；结构强度可靠，能够抗高过载。

引信用加速度开关是引信安保系统的一个重要组成部分。2007年，上海微系统与信息化技术研究所的贾孟军在论文《硅微机械加速度开关技术研究》中提出了一种高g值硅微加速度开关。该开关采用阳极键合和深反应离子刻蚀技术加工而成，但其为单阈值开关，即仅基于加速度幅值大小而设计。2011年，新加坡的Shanmugavel S等人在论文Miniaturized acceleration sensors with in-plane polarized piezoelectric thinfilms produced by micromachining中采用体硅微加工技术制作了一种微机械加速度开关，该开关具有良好的通电性能，但也只是利用加速度幅值作为单一阈值而设计。2016年，南京理工大学周织建在博士论文《非硅高g值微机械加速度开关设计基础研究》中提出了一种可识别中大口径滑膛炮的引信正常发射和勤务跌落两种典型加速度环境的非硅高g值微机械加速度开关。该开关选取多层UV-LIGA技术进行开关芯片的加工，封装后芯片样机的整体尺寸为11.43mm×11.43mm×2.05mm。该结构采用Z形齿结构，在工作过程中齿与齿之间发生强烈碰撞，结构强度受到严酷考验，另外其采用金属镍基材料，无法与成熟的集成电路工艺兼容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有带通功能的硅基MEMS惯性闭锁开关，以提高引信安保系统的可靠性和微型化。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种具有带通功能的MEMS惯性闭锁开关，包括衬底、支撑锚点、质量块、第一复位弹簧、第二复位弹簧、限位块、闭锁机构、下级锁止机构、过滤器；

所述衬底上设有支撑锚点；所述限位块固定在支撑锚点上，所述质量块可相对支撑锚点滑动；所述质量块一端设有第一横梁，另一端设有第二横梁；所述第一横梁位于限位块内；所述第二横梁位于限位块外部；所述限位块内部设有质量块主体和第一横梁滑动的空腔；所述限位块限制质量块沿弹体轴向以及沿垂直于弹体轴向的滑动距离；所述质量块主体中间设有空腔，空腔内平行连接有两个第一复位弹簧，两个第一复位弹簧与固定块相连；所述第二横梁连接有两个第二复位弹簧；两个第二复位弹簧与固定横梁相连，所述固定块、固定横梁均固定在支撑锚点上；所述第二横梁与固定横梁之间设有闭锁机构，且所述闭锁机构设置在两个第二复位弹簧之间；所述第二横梁两端设有下级锁止机构；所述限位块内还设有两个悬臂结构的过滤器，两个过滤器分别位于第一横梁的左右两侧，所述过滤器用于限制质量块受勤务载荷(主要是高冲击载荷)时的轴向位移，使得闭锁机构无法闭锁，在正常发射载荷下闭锁机构可实现闭锁。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明的MEMS惯性闭锁开关通过设置过滤器的方式，采用带通“过滤”的原理能够得到区分边界，边界内的载荷可以使开关闭合，从而可靠区分边界内的载荷与边界外的载荷，通过结构的参数设计可以调整区分边界以适应不同应用环境。

(2)本发明的MEMS惯性闭锁开关中通过设置过滤器可有效限制质量块在高冲击载荷下的最大位移，从而减小弹簧变形，降低结构的最大应力，相对Z形齿等结构有更高的抗过载能力。

(3)本发明的MEMS惯性闭锁开关中的质量块最大位移小，减小了整个机构的尺寸。

(4)本发明的MEMS惯性闭锁开关采用深反应离子刻蚀的工艺在硅晶圆上一体刻蚀而成，因此无需微装配，且易于与电路以及光路系统集成。

附图说明

图1是MEMS惯性闭锁开关三维模型三层结构图。

图2是MEMS惯性闭锁开关三维模型功能部件层主视图。

图3是MEMS惯性闭锁开关运动初始状态示意图。

图4是MEMS惯性闭锁开关运动过程中第一横梁通过过滤器时放大视图说明。

图5是MEMS惯性闭锁开关运动过程中闭锁状态示意图。

图6是MEMS惯性闭锁开关稳定闭锁时，闭锁机构局部放大图。

图7是MEMS惯性闭锁开关运动过程中质量块被阻挡示意图。

图8是MEMS惯性闭锁开关运动过程中第一横梁被过滤器阻挡放大视图。

图9是MEMS惯性闭锁开关运动过程中质量块被阻挡时闭锁机构局部放大图。

图10是MEMS惯性闭锁开关的简化理论模型图。

图11MEMS惯性闭锁开关在一定结构参数下的理论区分边界。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图9，本发明的一种具有带通功能的MEMS惯性闭锁开关，包括衬底1、支撑锚点2、质量块3、第一复位弹簧4、第二复位弹簧6、限位块5、闭锁机构7、下级锁止机构、过滤器10；

所述衬底1上设有支撑锚点2；所述限位块5固定在支撑锚点2上，所述质量块3悬浮于支撑锚点2上端，可相对支撑锚点2滑动；所述质量块3主体一端设有第一横梁3-1，另一端设有第二横梁3-2；所述第一横梁3-1位于限位块内；所述第二横梁3-2位于限位块5外部；所述限位块5从支撑锚点2处延伸出来，内部设有质量块3主体和第一横梁3-1滑动的空腔；所述限位块5内设有正向限位平面5-1、反向止挡平面5-2，第一横梁3-1位于正向限位平面5-1和反向止挡平面5-2之间，正向限位平面5-1和反向止挡平面5-2用于限制第一横梁3-1的沿弹体轴向的滑动距离；所述限位块5内还设有两个侧向限位平面5-3，质量块3主体位于两个侧向限位平面5-3之间，所述侧向限位平面5-3用于限制质量块3主体沿垂直于弹体轴向的滑动距离；所质量块3主体中间设有空腔，空腔内平行连接有两个第一复位弹簧4，两个第一复位弹簧4与固定块11相连；所述固定块11固定在支撑锚点2上；所述第二横梁3-2连接有两个第二复位弹簧6；两个第二复位弹簧6与固定横梁12相连，所述固定横梁12固定在支撑锚点2上；所述第二横梁3-2与固定横梁12之间设有闭锁机构7，且所述闭锁机构7设置在两个第二复位弹簧6之间；所述第二横梁3-2两端与外部的离心保险机构之间设有下级锁止机构，当闭锁机构7机构闭锁时，下级锁止机构分离，当闭锁机构7机构分离时，下级锁止机构闭锁住，离心保险机构无法动作。所述限位块5内还设有两个悬臂结构的过滤器10，两个过滤器10分别位于第一横梁3-1的左右两侧，在高冲击载荷作用下，过滤器10将产生较大的径向位移，从而限制质量块3的轴向位移，使得质量块3无法进一步向固定横梁12端移动，闭锁机构7无法闭锁；而在正常发射载荷作用下，过滤器10将产生较小的径向位移，质量块3的轴向位移不受限制，可向固定横梁12端移动直至闭锁机构7实现闭锁。

进一步的，所述闭锁机构7包括闭锁头7-1、锁钩7-2；所述闭锁头7-1固定在第二横梁3-2，所述固定横梁12上固定有两个锁钩7-2；闭锁头7-1和锁钩7-2形成卡扣结构。进一步的，所述锁钩7-2外侧还设有支撑梁7-3；所述支撑梁7-3固定在固定横梁12上，用于支撑锁钩7-2，对锁钩7-2进行支撑加强。

进一步的，所述第二横梁3-2两端分别设有锁钩9，锁钩9与外部的离心保险机构的锁钩8共同构成下级锁止机构。

工作原理：

MEMS惯性闭锁开关运动初始状态如图3所示，质量块3通过第一复位弹簧4和第二复位弹簧6与固定块11和固定横梁12连接，保证了质量块3在运动过程中主要发生平行于衬底且沿弹体轴向的平动，而几乎不发生沿其余各方向的转动以及平动。

当MEMS惯性闭锁开关受到轴向惯性力作用时，质量块3和过滤器10产生的位移响应较显著，它们的位移响应情况决定了MEMS惯性闭锁开关的开关状态。

MEMS惯性闭锁开关可简化为图10所示双自由度弹簧质量系统，图中系统参数K₁表示由质量块3、第一复位弹簧4和第二复位弹簧6构成的弹簧质量系统在y方向的等效刚度，K_2x和K_2y分别表示过滤器10在x方向和y方向的等效刚度，M₁表示由质量块3、第一复位弹簧4和第二复位弹簧6构成的弹簧质量系统的等效质量，M₂表示过滤器10的等效质量，x₀，y₀分别表示第一横梁3-1与过滤器在x方向和y方向的初始距离，d₀表示MEMS惯性闭锁开关完成闭锁需要的最短距离。图中y方向为弹体轴向，x方向为弹体径向。在y方向载荷作用下，M₁向下运动，M₂向下运动的同时也向中间运动，当M₂在x方向运动位移x₀所需时间ΔT_x小于M₁在y方向运动位移y₀所需时间ΔT_y时，M₂阻挡M₁沿y方向的继续运动，开关不能闭锁，也即载荷被结构过滤；反之，开关可以闭锁。选取一组MEMS惯性闭合开关的结构尺寸，通过仿真可得到如图11所示的两条理论区分边界a-a和b-b。

图11中横坐标为半正弦载荷的脉宽T，纵坐标为半正弦载荷的幅值A，以脉宽T从0.2ms至6ms，幅值从2000g至30000g的半正弦载荷空间为例，该空间被区分边界a-a以及b-b大致分为I、II、III三个载荷空间，I、III中的载荷会被结构过滤，也就是说作用于结构的载荷属于I、III载荷空间时，闭锁机构无法实现闭锁，只有当结构作用了II载荷空间的载荷时，闭锁机构才能实现闭锁，这就类似带通“过滤”功能。通过调整MEMS惯性闭合开关的结构尺寸，可以实现不同的带通“过滤”功能。

I中载荷最大幅值较大，而最大脉宽较窄，结构作用I中载荷时容易产生较大冲击力，如弹药跌落在钢板上；III中载荷最大幅值较小，而最大脉宽较宽，结构作用III中载荷时受到的冲击力较小，如弹药跌落在沙地上。通过结构设计，使得勤务载荷在I、III载荷空间中，而正常发射载荷在II载荷空间中，即可实现正常发射载荷与勤务载荷的可靠区分。

II中载荷作用时，质量块3沿弹体轴向运动并压缩第一复位弹簧4和第二复位弹簧6。过滤器10沿弹体轴向运动并产生一定的弯曲变形，同时产生沿弹体径向的位移，但此时过滤器10沿垂直于弹体轴向的位移响应较小，如图4所示，当质量块3上的第一横梁3-1接近过滤器10时，过滤器10不起作用，质量块3不会被阻挡。在持续的载荷作用下，质量块3继续沿弹体轴向运动，之后闭锁头7-1推开锁钩7-2并实现闭锁，如图6所示。随着加速度g值的减小，第一复位弹簧4和第二复位弹簧6的弹性力增大，但由于闭锁头7-1和锁钩7-2形成的卡扣结构，质量块3无法复位，闭锁机构保持闭锁状态，如图5所示，MEMS惯性闭锁开关实现闭合。

III中载荷作用时，质量块3沿弹体轴向运动的位移很小，远远达不到机构实现闭锁所需要的运动位移，在载荷消失后，质量块3在第一复位弹簧4和第二复位弹簧6的弹性力作用下恢复到初始状态，MEMS惯性闭锁开关未实现闭合。

I中载荷作用时，质量块3沿弹体轴向运动并压缩第一复位弹簧4和第二复位弹簧6。过滤器10沿弹体轴向运动并产生一定的弯曲变形，同时产生沿弹体径向的位移，此时过滤器10沿弹体径向的位移响应较大，如图8所示，当质量块3上的第一横梁3-1接近过滤器10时，第一横梁3-1被过滤器10阻挡，质量块3无法继续沿弹体轴向运动，因此即使I中载荷幅值很大，但质量块3不会产生很大的位移响应，从而避免了结构受到破坏。在载荷消失后，质量块3在第一复位弹簧4和第二复位弹簧6的弹性力作用下恢复到初始状态，MEMS惯性闭锁开关未实现闭合。

因此本发明的MEMS惯性闭锁开关可以可靠识别区分边界内载荷与区分边界外载荷，实现带通“滤波”功能，并能够限制结构的最大应力，实现结构保护。同时通过结构设计可以改变区分边界，从而适应不同的应用环境。

Claims (4)

1.一种具有加速度带通功能的MEMS惯性闭锁开关，其特征在于，包括衬底(1)、支撑锚点(2)、质量块(3)、第一复位弹簧(4)、第二复位弹簧(6)、限位块(5)、闭锁机构(7)、下级锁止机构、过滤器(10)；

所述衬底(1)上设有支撑锚点(2)；所述限位块(5)固定在支撑锚点(2)上，所述质量块(3)可相对支撑锚点(2)滑动；所述质量块(3)一端设有第一横梁(3-1)，另一端设有第二横梁(3-2)；所述第一横梁(3-1)位于限位块(5)内；所述第二横梁(3-2)位于限位块(5)外部；所述限位块(5)内部设有质量块(3)主体和第一横梁(3-1)滑动的空腔；所述限位块(5)限制质量块(3)沿弹体轴向以及沿垂直于弹体轴向的滑动距离；所述质量块(3)主体中间设有空腔，空腔内平行连接有两个第一复位弹簧(4)，两个第一复位弹簧(4)与固定块(11)相连；所述第二横梁(3-2)连接有两个第二复位弹簧(6)；两个第二复位弹簧(6)与固定横梁(12)相连，所述固定块(11)、固定横梁(12)均固定在支撑锚点(2)上；所述第二横梁(3-2)与固定横梁(12)之间设有闭锁机构(7)，且所述闭锁机构(7)设置在两个第二复位弹簧(6)之间；所述第二横梁(3-2)两端设有下级锁止机构；所述限位块(5)内还设有两个悬臂结构的过滤器(10)，两个过滤器(10)分别位于第一横梁(3-1)的左右两侧，所述过滤器(10)用于限制质量块(3)受勤务载荷时的轴向位移，使得闭锁机构(7)无法闭锁，在目标载荷作用下闭锁机构(7)可实现闭锁。

2.根据权利要求1所述的MEMS惯性闭锁开关，其特征在于，所述闭锁机构(7)包括闭锁头(7-1)、锁钩(7-2)；所述闭锁头(7-1)固定在第二横梁(3-2)，所述固定横梁(12)上固定有两个锁钩(7-2)；闭锁头(7-1)和锁钩(7-2)形成卡扣结构。

3.根据权利要求1所述的MEMS惯性闭锁开关，其特征在于，所述第二横梁(3-2)两端分别设有锁钩，第二横梁其中一端锁钩与离心保险机构的锁钩共同构成下级锁止机构。

4.根据权利要求1所述的MEMS惯性闭锁开关，其特征在于，所述衬底(1)为硅基衬底。

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