一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置 |
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| 申请号 | CN201610069338.1 | 申请日 | 2016-02-01 | 公开(公告)号 | CN105737694A | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 赵玉龙; 李秀源; 胡腾江; 白颖伟; 任炜; | ||||
| 摘要 | 一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置，包括单晶 硅 衬底，在 单晶硅 衬底依次制作 二 氧 化硅 绝缘层以及单晶硅结构层，单晶硅衬底制作有矩形 加速 膛孔，在单晶硅结构层中制作两个 锁 死电热执行器、四个推动电热执行器以及一个隔断机构，其中隔断机构中的隔板将加速膛孔遮挡，在对两个锁死电热执行器施加 电压 解锁的状态下，先后分别对四个推动电热执行器施加电压，在相应的工作电压下杠杆放大机构将电热执行器产生的热 变形 放大并以此推动隔断机构中的驱动 块 完成相应的位移动作，经过先后四次的位移累加，最终使隔板与加速膛孔完全错开，完成引信的解除保险动作，本 发明 具有低成本、高智能、易集成的特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置，包括单晶硅衬底(7)，在单晶硅衬底(7)依次制作二氧化硅绝缘层(8)以及单晶硅结构层(9)，单晶硅衬底(7)的厚度为400～ |
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| 说明书全文 | 一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置技术领域[0001] 本发明涉及引信技术领域，具体涉及一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置。 背景技术[0002] 引信是武器系统中的重要部件，它利用目标和环境信息，在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制装置(系统)，通常安装在火箭、导弹弹头和炮/坦克/迫击炮弹药等上。引信中的安全保险装置是引信系统的重要组成部分，它的一个基本功能是通过消除达到主装药的潜在能量，阻止意外爆轰，主要是阻止整个爆炸序列的能量传递来实现。针对这个目标，安保装置常常通过同轴机械装置阻止意外解除保险，从而“隔断”爆炸序列。当处于安全模式时隔板将加速膛孔挡住，阻止飞片材料通过，从而阻止爆炸序列的意外爆轰。当武器所处环境满足起爆条件时，隔板移开，为飞片材料打开通道，保证飞片材料能够到达高能炸药装药。 [0003] 传统引信存在体积大、难集成等缺点。随着弹药技术的发展，要求引信功能不断的加强与扩展，而引信的体积又制约了其功能的扩展。将MEMS技术应用到引信的设计中，可以很好的解决这个矛盾。MEMS引信安全保险装置具有体积小、可靠性高、可批量化等诸多优势，使得常规弹药有更多的空间容纳多传感器探测电路与主装药，提高弹药的精确度和杀伤力，使引信的智能化和灵巧化成为可能。 发明内容[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是： [0006] 一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置，包括单晶硅衬底7，在单晶硅衬底7上依次制作二氧化硅绝缘层8以及单晶硅结构层9，单晶硅衬底7的厚度为400～500um，单晶硅衬底7上制作有长宽分别为300～400um的矩形加速膛孔10，二氧化硅绝缘层8的厚度为2～3um，单晶硅结构层9的厚度为50～100um，在单晶硅结构层9中制作隔断机构5，隔断机构5将矩形加速镗孔10完全遮挡，在隔断机构5的隔板51的左右两侧分别制作第一导轨块6a和第二导轨块6b，第一导轨块6a、第二导轨块6b起到限制隔断机构5上下方向移动的作用，在隔断机构5的上方制作第一级锁死电热执行器S1，使第一级锁死电热执行器S1的第一中间连接杆S13能够伸入隔断机构5的第一锁死条58的卡槽内起到锁死的作用，在隔断机构5的下方制作第二级锁死电热执行器S2，使第二级锁死电热执行器S2的第二中间连接杆S23能够伸入隔断机构5中第二锁死条59的卡槽内起到锁死的作用，在隔断机构5的上方制作第一V型电热执行器1，使第一V型电热执行器1中第一放大杠杆15的下端低于隔断机构5中第一驱动块54的最高端，在隔断机构5的上方制作第二V型电热执行器2，使第二V型电热执行器2中第二放大杠杆21的下端略高于隔断机构5中第二驱动块55的最高端，在隔断机构5的下方制作第三V型电热执行器3，使第三V型电热执行器3中第三放大杠杆31的上端略低于隔断机构5中第三驱动块56的最低端，在隔断机构5的下方制作第四V型电热执行器4，使第四V型电热执行器4中第四放大杠杆41的上端略低于隔断机构5中第四驱动块57的最低端，第一导轨块6a、第二导轨块6b、第一级锁死电热执行器S1、第二级锁死电热执行器S2、第一V型电热执行器1、第二V型电热执行器2、第三V型电热执行器3以及第四V型电热执行器4均制作在单晶硅结构层9中。 [0007] 所述的第一级锁死电热执行器S1包括第一电极锚点S12a与第二电极锚点S12b，第一电极S11a和第二电极S11b分别制作在第一电极锚点S12a与第二电极锚点S12b上，并联的第一V型结构的两端分别与第一电极锚点S12a和第二电极锚点S12b相连，第一V型结构中部和第一中间连接杆S13的一端连接，第一中间连接杆S13的另一端伸入锁死条58的卡槽内起到锁死的作用，第一电极锚点S12a和第二电极锚点S12b与二氧化硅绝缘层8相连，第一V型结构、第一中间连接杆S13、第一电极S11a和第二电极S11b均为悬空可动结构。 [0008] 所述的第二级锁死电热执行器S2的结构与第一级锁死电热执行器S1的相同，第二级锁死电热执行器S2和第一级锁死电热执行器S1相对设置。 [0009] 所述的隔断机构5包括隔板51，隔板51将下方的加速膛膛孔10完全遮挡，第一驱动块54以及第二驱动块55的下端与隔板51的上侧相连，第三驱动块56以及第四驱动块57的上端与隔板51的下侧相连，第一锁死条58的下端与隔板51的上侧相连，第二锁死条59的上端与隔板51的下侧相连，隔板51的右端与S型硅弹簧52的左端相连，S型硅弹簧52的右端与固定锚点53连接，固定锚点53与二氧化硅绝缘层8相连，隔板51、S型弹簧52、四个驱动块54-57以及两个锁死条58-59均为悬空可动结构。 [0010] 所述的第一V型电热执行器1包括第三电极锚点12a和第四电极锚点12b，第三电极11a和第四电极11b分别制作在第三电极锚点12a和第四电极锚点12b上，并联的第二V型结构的两端分别与第三电极锚点12a和第四电极锚点12b相连，第二V型结构和第三中间连接杆13连接，第三中间连接杆13的一端通过第一柔性弯曲梁14与第一放大杠杆15相连，第一放大杠杆15的上端通过第二柔性弯曲梁16与第五固定锚点17相连，第一放大杠杆15的下端为三角状，并且三角状触头的最低端低于第一驱动块54的最高端，保证第一V型电热执行器 1能够推动隔断机构5，第三电极锚点12a、第四电极锚点12b以及第五固定锚点17与二氧化硅绝缘层8相连，第二V型结构、第三中间连接杆13、第一柔性弯曲梁14、第一放大杠杆15以及第二柔性弯曲梁16均为悬空可动结构。 [0011] 所述的第二V型电热执行器2与第一V型电热执行器1结构类似，唯一不同点是第二V型电热执行器2中第二放大杠杆21为折线型，同时第二放大杠杆21底部的三角状触头的最低端高于第二驱动块55的最高端，保证隔断机构5在第一V型电热执行器1推动期间的向左移动不被第二放大杠杆21的触头阻挡。 [0012] 所述的第三V型电热执行器3、第四V型电热执行器4的结构与第二V型电热执行器2相同。 [0013] 与传统引信安保装置相比，本发明的优点为：低成本化，利用现有的成熟的IC工艺，可以实现大规模制造，有效地降低了产品的成本；智能化，与依靠环境力(如加速度)来产生激励的传统引信安保装置相比，本发明利用了电热效应来驱动器件产生相应动作，由电信号控制，智能化程度更高；集成化，利用MEMS相关工艺制作的器件体积小，与传统引信安保装置相比，在相同面积内，可以与更多的传感器集成，提高器件在复杂环境下的适应力。附图说明 [0014] 图1为本发明的结构示意图，其中图(a)为结构的俯视图，图(b)为图(a)的A-A截面的剖视图。 [0015] 图2为第一级锁死电热执行器S1和第二级锁死电热执行器S2解锁后的示意图。 [0016] 图3为第一V型电热执行器1推动隔断机构5的示意图。 [0017] 图4为第二V型电热执行器2推动隔断机构5的示意图。 [0018] 图5为第三V型电热执行器3推动隔断机构5的示意图。 [0019] 图6为第四V型电热执行器4推动隔断机构5的示意图。 具体实施方式[0020] 下面结合附图对本发明进行进一步说明。 [0021] 参照图1，一种基于电热效应的直线驱动MEMS引信安保装置，包括单晶硅衬底7，在单晶硅衬底7依次制作二氧化硅绝缘层8以及单晶硅结构层9，单晶硅衬底7的厚度为400～500um，单晶硅衬底7上制作有长宽分别为300～400um的矩形加速膛孔10，二氧化硅绝缘层8的厚度为2～3um，单晶硅结构层9的厚度为50～100um，在单晶硅结构层9中制作隔断机构5，隔断机构5将矩形加速镗孔10完全遮挡，在隔断机构5的隔板51的左右两侧分别制作第一导轨块6a和第二导轨块6b，第一导轨块6a、第二导轨块6b起到限制隔断机构5上下方向移动的作用，在隔断机构5的上方制作第一级锁死电热执行器S1，使第一级锁死电热执行器S1的第一中间连接杆S13能够伸入隔断机构5的第一锁死条58的卡槽内起到锁死的作用，在隔断机构5的下方制作第二级锁死电热执行器S2，使第二级锁死电热执行器S2的第二中间连接杆S23能够伸入隔断机构5中第二锁死条59的卡槽内起到锁死的作用，在隔断机构5的上方制作第一V型电热执行器1，使第一V型电热执行器1中第一放大杠杆15的下端低于隔断机构5中第一驱动块54的最高端，在隔断机构5的上方制作第二V型电热执行器2，使第二V型电热执行器2中第二放大杠杆21的下端略高于隔断机构5中第二驱动块55的最高端，在隔断机构 5的下方制作第三V型电热执行器3，使第三V型电热执行器3中第三放大杠杆31的上端略低于隔断机构5中第三驱动块56的最低端，在隔断机构5的下方制作第四V型电热执行器4，使第四V型电热执行器4中第四放大杠杆41的上端略低于隔断机构5中第四驱动块57的最低端，第一导轨块6a、第二导轨块6b、第一级锁死电热执行器S1、第二级锁死电热执行器S2、第一V型电热执行器1、第二V型电热执行器2、第三V型电热执行器3以及第四V型电热执行器4均制作在单晶硅结构层9中。 [0022] 所述的第一级锁死电热执行器S1包括第一电极锚点S12a与第二电极锚点S12b，第一电极S11a和第二电极S11b分别制作在第一电极锚点S12a与第二电极锚点S12b上，并联的第一V型结构的两端分别与第一电极锚点S12a和第二电极锚点S12b相连，第一V型结构中部和第一中间连接杆S13的一端连接，第一中间连接杆S13的另一端伸入锁死条58的卡槽内起到锁死的作用，第一电极锚点S12a和第二电极锚点S12b与二氧化硅绝缘层8相连，第一V型结构、第一中间连接杆S13、第一电极S11a和第二电极S11b均为悬空可动结构。 [0023] 所述的第二级锁死电热执行器S2的结构与第一级锁死电热执行器S1的相同，第二级锁死电热执行器S2和第一级锁死电热执行器S1相对设置。 [0024] 所述的隔断机构5包括隔板51，隔板51将下方的加速膛膛孔10完全遮挡，第一驱动块54以及第二驱动块55的下端与隔板51的上侧相连，第三驱动块56以及第四驱动块57的上端与隔板51的下侧相连，第一锁死条58的下端与隔板51的上侧相连，第二锁死条59的上端与隔板51的下侧相连，隔板51的右端与S型硅弹簧52的左端相连，S型硅弹簧52的右端与固定锚点53连接，固定锚点53与二氧化硅绝缘层8相连，隔板51、S型弹簧52、四个驱动块54-57以及两个锁死条58-59均为悬空可动结构。 [0025] 所述的第一V型电热执行器1包括第三电极锚点12a和第四电极锚点12b，第三电极11a和第四电极11b分别制作在第三电极锚点12a和第四电极锚点12b上，并联的第二V型结构的两端分别与第三电极锚点12a和第四电极锚点12b相连，第二V型结构和第三中间连接杆13连接，第三中间连接杆13的一端通过第一柔性弯曲梁14与第一放大杠杆15相连，第一放大杠杆15的上端通过第二柔性弯曲梁16与第五固定锚点17相连，第一放大杠杆15的下端为三角状，并且三角状触头的最低端低于第一驱动块54的最高端，保证第一V型电热执行器 1能够推动隔断机构5，第三电极锚点12a、第四电极锚点12b以及第五固定锚点17与二氧化硅绝缘层8相连，第二V型结构、第三中间连接杆13、第一柔性弯曲梁14、第一放大杠杆15以及第二柔性弯曲梁16均为悬空可动结构。 [0026] 所述的第二V型电热执行器2与第一V型电热执行器1结构类似，唯一不同点是第二V型电热执行器2中第二放大杠杆21为折线型，同时第二放大杠杆21底部的三角状触头的最低端高于第二驱动块55的最高端，保证隔断机构5在第一V型电热执行器1推动期间的向左移动不被第二放大杠杆21的触头阻挡。折线型的结构使触头在左右移动时上下方向也产生较大的位移，保证隔断机构5在第二V型电热执行器2推动期间第二放大杠杆21触头的最低端能够向下移动至低于驱动块55的最高端，从而推动隔断机构5向左移动。 [0027] 所述的第三V型电热执行器3、第四V型电热执行器4的结构与第二V型电热执行器2相同。 [0028] 本发明的工作原理为： [0029] 参照图2，通过第一电极S11a和第二电极S11b，对第一级锁死电热执行器S1施加驱动电压，第一级锁死电热执行器S1受热变形产生向上的位移，带动第一中间连接杆S13向上移动脱离第一锁死条58的卡槽，从而完成第一级锁死电热执行器S1的解锁；第二级锁死电热执行器S2的解锁原理与第一级锁死电热执行器S1的类似。 [0030] 参照图3，保持对第一级锁死电热执行器S1和第二级锁死电热执行器S2施加电压，通过第三电极11a和第四电极11b，对第一V型电热执行器1施加电压，第一V型电热执行器1受热变形产生向左的位移，通过第三中间连接杆13带动第一柔性弯曲梁14向左移动；由于第二柔性弯曲梁16的左端与固定锚点17相连，第二柔性弯曲梁16只能向下弯曲，于是第一放大杠杆15将第一V型电热执行器1产生的原始位移放大，最终第一放大杠杆15向左产生较大的位移，并且通过三角状的触头推动第一驱动块54，从而使隔断结构5向左产生较大移动。 [0031] 参照图4，保持对第一级锁死电热执行器S1和第二级锁死电热执行器S2施加电压，停止对第一V型电热执行器1施加电压，第一V型电热执行器1逐渐散热恢复到最初未加电压时的位置，通过第五电极22a和第六电极22b，对第二V型电热执行器2施加电压，第二V型电热执行器2受热变形产生向左的位移，通过第四中间连接杆23带动第三柔性弯曲梁24向左移动；由于第四柔性弯曲梁25的左端与第六固定锚点26相连，第四柔性弯曲梁25只能向下弯曲，于是第二放大杠杆21将第二V型电热执行器2产生的原始位移放大，最终第二放大杠杆21向左产生较大的位移，并且通过三角状的触头推动第二驱动块55，从而使隔断结构5向左产生较大移动，第二V型电热执行器2中的第二放大杠杆21为折线型；第二放大杠杆21的三角状触头向左有较大位移的同时能够向下产生较大位移，保证三角触头的最低端移动至低于第二驱动块55的最高端，从而完成推动隔断机构5的动作。 [0032] 参照图5，保持对第一级锁死电热执行器S1和第二级锁死电热执行器S2施加电压，停止对第一V型电热执行器1和第二V型电热执行器2施加电压，第一V型电热执行器1和第二V型电热执行器2逐渐散热恢复到最初未加电压时的位置，第三V型电热执行器3工作原理与第二V型电热执行器2类似；通过对第三V型电热执行器3施加电压，最终使第三放大杠杆31推动第三驱动块56，完成推动隔断机构5向左移动的动作。 [0033] 参照图6，保持对第一级锁死电热执行器S1和第二级锁死电热执行器S2施加电压，停止对第一V型电热执行器1、第二V型电热执行器2和第三V型电热执行器3施加电压，第一V型电热执行器1、第二V型电热执行器2和第三V型电热执行器3逐渐散热恢复到最初未加电压时的位置，第四V型电热执行器4工作原理与第二V型电热执行器2类似；通过对第四V型电热执行器4施加电压，最终使第四放大杠杆41推动第四驱动块57，完成推动隔断机构5向左移动的动作，在第四V型电热执行器4推动隔断机构5向左移动后，隔板51与加速膛膛孔10完全错开，完成引信的解除保险动作。 |
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