引信用MEMS开关设计方法

内容简介

　　目前应用在航空航天、汽车电子和弹药等领域上的开关有惯性开关和电子开关两大类，电子开关易受干扰且电子开关一般要使用电子计时器，计时器的关键部件为石英晶体或晶体振荡器。普通的石英晶体在高过载情况下易受损，若采用特殊的抗冲击晶体成本会较高。机械式惯性开关具有成本低、抗干扰能力强的特点。但是，传统的惯性开关采用的是弹簧和质量块结构，体积较大而且由于加工和装配误差，弹簧的一致性很难保证，造成阈值的散布范围大，可靠性和安全性不高。以MEMS技术为基础的MEMS开关不但体积小、响应快、能够捕捉微弱的信号，而且工艺性能好，适合批量生产，可以广泛应用于通信、宇航、自动化仪器、汽车、军事等领域，能够大大降低系统成本，提高工作效率。　　引信用MEMS开关使用环境非常恶劣，和其他工程用MEMS开关不同，引信用MEMS开关要求抗高过载、抗干扰能力强、灵敏度高以及体积小，有时还需要解决弹丸多种姿态碰击目标的发火可靠性问题以及惯性开关通用性的问题。《引信用MEMS开关设计方法》针对特殊环境需求，开展了MEMS开关相关技术的研究。开关在闭合的瞬间，系统的静电力、弹性力、惯性力、阻尼力等多种物理场耦合作用的结果直接决定开关的闭合与否以及闭合时间、闭合速度等开关状态量，因此多场耦合下器件的物理级模型决定着开关的响应时间、闭合时间以及阈值范围。《引信用MEMS开关设计方法》研究了MEMS开关的多物理场及耦合现象，针对不同的需求设计了3种MEMS开关模型，介绍了多弹性支撑环形分布式MEMS万向惯性开关的加工工艺流程，研究了开关的检测技术，设计了一种试验冲击台，该冲击台能够通过增加缓冲垫达到增加加速度脉冲宽度的目的。　　《引信用MEMS开关设计方法》共分6章，第1章主要介绍《引信用MEMS开关设计方法》的研究背景和研究意义。第2章对MEMS开关进行分类，并且分析了引信用MEMS开关的特点。第3章针对悬臂梁式的MEMS惯性开关工作时受到多个物理场耦合作用的特点，分别分析了结构场（弹性力）、静电场（静电力）以及外部的体积力场（惯性力）的特性；给出计算静电驱动悬臂梁结构变形的3种方法，即等效刚度法、模态叠加法和有限元反馈法；分别应用等效刚度法和有限元反馈法求解静电力作用下悬臂梁的变形特性，并比较3种方法的优缺点和适用性；建立惯性力和静电力耦合作用下悬臂梁开关挤压膜阻尼模型，引入表征流体性能的雷诺方程，建立悬臂梁的流一固耦合模型，推导出了在静电力、惯性力耦合作用时，悬臂梁压膜阻尼系数的计算公式。第4章分析了影响引信MEMS惯性开关性能的主要因素：开关的响应时间、闭合可靠性以及开关闭合瞬间的接触电阻。第5章设计了3种不同的MEMS开关模型。针对引信用开关的通用性要求，基于静电驱动原理，设计了一种具有阈值可调功能的悬臂梁开关，满足了引信零部件通用性的要求，可以适用弹丸对不同目标的打击；针对引信用惯性开关万向性的要求，提出了一种多弹性支撑的环形万向惯性开关，研究了开关万向性的结构设计；建立了多物理场耦合作用下开关的动力学控制方程，推导出加速度阈值和开关结构参数的关系表达式；针对低g的要求，提出了一种螺旋线状悬臂梁支撑的低g值惯性开关，研究了开关的瞬态动力学。第6章是对环形万向惯性开关这一典型开关的测试技术介绍。