許馬會(huì)，劉鳳麗，郭 航

(1.沈陽理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 沈陽 110159； 2廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

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慣性閉鎖開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

許馬會(huì)1，2，劉鳳麗1，郭 航2

(1.沈陽理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 沈陽 110159； 2廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

針對(duì)引信用電源系統(tǒng)開關(guān)的使用要求，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)閉鎖功能的微機(jī)械慣性接電開關(guān)，該接電開關(guān)能夠保證在滿足預(yù)設(shè)的條件時(shí)迅速閉合、閉合時(shí)間短、閉合過程穩(wěn)定且能實(shí)現(xiàn)自鎖，確保電源接通之后在復(fù)雜的彈道環(huán)境中，能夠始終處于被接通狀態(tài),為引信電源系統(tǒng)提供技術(shù)支持。在正常發(fā)射加速度475～1 500 gn作用下，開關(guān)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉鎖；在勤務(wù)處理中意外跌落加速度作用下，開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，并可以恢復(fù)至初始位置。在多物理場(chǎng)耦合下對(duì)開關(guān)進(jìn)行響應(yīng)分析，得出開關(guān)的加速度值與閉合時(shí)間基本呈線性分布，證明開關(guān)在達(dá)到預(yù)設(shè)的條件時(shí)迅速閉合，閉合過程穩(wěn)定且能實(shí)現(xiàn)自鎖。

引信電源； 閉鎖開關(guān)； 響應(yīng)分析； 多物理耦合

0 引 言

基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微機(jī)械慣性開關(guān)，擁有尺寸小、集成性好、重量小、功耗低、可批量生產(chǎn)以及抗過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1，2]，因此被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車安全、消費(fèi)電器、醫(yī)療器機(jī)械及武器系統(tǒng)等領(lǐng)域[3，4]。目前，引信中的MEMS開關(guān)主要有引爆開關(guān)和電源接通開關(guān)兩類[5]。引爆開關(guān)主要是彈道末端感受目標(biāo)信息并正確點(diǎn)火；電源接通開關(guān)主要在引信中使用，負(fù)責(zé)在發(fā)射后一段時(shí)間內(nèi)正確地接通引信電源。用于引信電源的接電開關(guān)，既可以提高引信電源和引信后續(xù)電路的安全性，又可以保證引信電源能夠被快速、持續(xù)地接通，確保引信電路可靠工作。研究引信用MEMS接電開關(guān)對(duì)實(shí)現(xiàn)引信的小型化及彈藥系統(tǒng)的靈巧化和信息化有著重要的意義[6，7]。

針對(duì)引信用電源的接電開關(guān)的要求，本文設(shè)計(jì)了一種微機(jī)電慣性閉鎖開關(guān)，該接電開關(guān)能夠保證在滿足預(yù)設(shè)的條件時(shí)迅速閉合、閉合時(shí)間短、閉合過程穩(wěn)定且能實(shí)現(xiàn)自鎖，確保電源在接通之后復(fù)雜的彈道環(huán)境中，能夠始終處于被接通狀態(tài)。開關(guān)還可以在各種勤務(wù)環(huán)境(意外跌落和震動(dòng))中都不閉合，保證引信電源平時(shí)勤務(wù)的安全。

1 閉鎖開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該開關(guān)釆用兩端固定懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)，開關(guān)的斷開和閉合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)斷開和閉合Fig 1 Switch off and on

可動(dòng)電極可以在沖擊加速度作用下與底部電極接觸實(shí)現(xiàn)閉合，開關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)受到勤務(wù)處理意外跌落和加速度脈沖作用時(shí)，可動(dòng)極板往上運(yùn)動(dòng)，使兩卡銷脫離，開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。由于基于靜電原理的自鎖也不足以承受引信發(fā)射時(shí)的高過載沖擊，可能會(huì)使開關(guān)出現(xiàn)導(dǎo)通中斷現(xiàn)象，使武器系統(tǒng)出現(xiàn)瞎火等故障[8]，故本次設(shè)計(jì)中增加了微型閉鎖機(jī)構(gòu)，該閉鎖機(jī)構(gòu)鎖定后，即使在高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用下，仍能夠保持這種導(dǎo)通狀態(tài)不出現(xiàn)中斷，保證引信電源持續(xù)供電，使引信電源為引信電路提供連續(xù)的、穩(wěn)定的電壓或者電流。另一方面，接電觸頭間的導(dǎo)電面積比較大，開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)的同時(shí)電阻較小，導(dǎo)通電流增大。在MEMS專用設(shè)計(jì)軟件Coventorware中設(shè)定器件的加工工藝如表1所示。

表1 CoventorWare工藝設(shè)計(jì)流程

結(jié)合開關(guān)的工藝過程和掩膜板圖形，得到開關(guān)的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 開關(guān)實(shí)體模型Fig 2 Switch solid model

1.2 工作原理

該開關(guān)安裝在與彈軸平行方向，彈在沿y軸發(fā)射過程中，可動(dòng)極板在慣性力的作用下沿y軸正方向快速移動(dòng)，達(dá)到工作閾值后，可動(dòng)極板和固定極板接觸，開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)卡銷搭接，保持電極的持續(xù)接觸。載荷消失后，可動(dòng)極板恢復(fù)至初始位置，保證了開關(guān)可以多次識(shí)別意外跌落情況，在正常發(fā)射情況下順利完成開關(guān)的閉鎖。

2 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)分析

開關(guān)采用硅襯底，相對(duì)介電常數(shù)εr=11.9,襯底厚度50 μm。同時(shí)為了減少傳輸線的導(dǎo)體損耗,選用金作為導(dǎo)體材料,金的電導(dǎo)率為4.2×107S/m,厚度為20 μm。開關(guān)的閉合閾值不僅和開關(guān)的材料有關(guān)，而且還和開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸、工藝過程緊密相關(guān)。

慣性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠感受加速度沖擊并迅速完成致動(dòng)動(dòng)作，慣性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般可以抽象成如圖3所示的彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)模型[9]。

圖3 彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)物理模型Fig 3 Physical model for spring-mass system

由于可動(dòng)電極由兩端固定梁支持，忽略質(zhì)量塊的質(zhì)量，故系統(tǒng)的剛度為

(1)

式中 km為單個(gè)懸臂梁的彈性系數(shù)；F為作用于懸臂梁末端的作用力；d為梁末端產(chǎn)生的位移；E為彈性模量1.6×105MPa；I為慣性矩；w為梁寬度50μm；t為梁厚度20μm；L為梁長(zhǎng)度2 245μm。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)卡頭和固定卡頭接觸后，可動(dòng)卡頭受力關(guān)系矢量圖如圖4所示。

圖4 可動(dòng)卡頭受力關(guān)系矢量圖Fig 4 Force relationship vectors of movable chuck

F為鎖定機(jī)構(gòu)所受慣性力，N1為固定卡頭對(duì)可動(dòng)卡頭的正壓力，Nf為運(yùn)動(dòng)卡頭與固定卡頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)中受到的摩擦力，α為卡銷夾角，F(xiàn)=N1cosα+Nfsinα。根據(jù)受力分析可得，使得可動(dòng)卡頭發(fā)生彎曲的力fx為慣性力在x方向的分力

fx=N1sinα-Nfcosα

(2)

設(shè)可動(dòng)卡頭在fx作用下產(chǎn)生的位移量為δx，要實(shí)現(xiàn)可靠的閉鎖，卡頭在x方向發(fā)生的位移要大于δm才能滿足可動(dòng)卡頭與固定卡頭搭接完成鎖死,即δx要滿足式(4)的要求[10]

(3)

式中 I為懸臂梁相對(duì)y軸的慣性矩，由式(3)可以得到fx要滿足式(4)的要求

(4)

2.2 參數(shù)優(yōu)化

固定卡銷的長(zhǎng)寬比是影響整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。長(zhǎng)寬比越大，結(jié)構(gòu)就越大，受振動(dòng)的影響也越大，結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。因此,固定卡銷的長(zhǎng)寬比越小越好，一般要求小于等于20[11]，此結(jié)構(gòu)固定卡銷初始長(zhǎng)寬比為23.6大于20，因此,需要對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化之后結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸如表2所示。

將優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)代入式(2)、式(3)、式(4)，可得出

F=1 972 N

(5)

表2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸

將F=1 972 N,ρ=1.93×10-14kg/μm3，v=2.11×106μm3代入式(5)，可得出能使固定卡銷和運(yùn)動(dòng)卡銷完全搭接的加速度a=493.2 gn，且固定卡銷初始長(zhǎng)寬比為14.1小于20，說明優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較合理，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)載荷增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的最大位移也隨之增大，兩者呈線性關(guān)系，如圖5所示。當(dāng)載荷為475 gn時(shí)，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位移為68 μm，等于兩接觸極板的距離，兩卡銷正好完全搭接。這與理論計(jì)算值493.2 gn存在一定的誤差，誤差主要來源于設(shè)計(jì)中對(duì)彈簧彈性系數(shù)的近似取值，兩值之間的誤差為3.7 %。

圖5 最大位移與載荷的關(guān)系Fig 5 Relationship between the maximum displacement and load

3 特性分析

3.1 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析主要包括模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)分析。模態(tài)分析主要分析開關(guān)結(jié)構(gòu)的易振動(dòng)方向，它對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要的指導(dǎo)作用。對(duì)開關(guān)進(jìn)行模態(tài)分析得出的頻率為開關(guān)的振動(dòng)頻率fn，它與固有頻率之間滿足一下關(guān)系[12]

(6)

將k=1.79,m=4.08×10-8kg代入式(6)得，fn=1 054.6 Hz。

結(jié)合Analyzer模塊對(duì)懸臂梁的進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)的振動(dòng)形式和頻率值如圖6所示。

圖6 開關(guān)模態(tài)圖Fig 6 Modal of switch

從仿真結(jié)果中可以看出，開關(guān)的一階模態(tài)沿著y軸方向振動(dòng)是工作模態(tài)。當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)加載負(fù)荷時(shí)，在y軸方向上容易發(fā)生變形，與其他模態(tài)頻率相比相差較大，降低了交叉耦合的影響。將一階模態(tài)振動(dòng)頻率的理論計(jì)算值1 054.6 Hz與仿真結(jié)果1 032.84 Hz對(duì)比，兩者相對(duì)誤差為2.1 %，在誤差范圍內(nèi)(≤3 %)，滿足仿真誤差要求。

3.2 多物理場(chǎng)耦合下開關(guān)的動(dòng)力學(xué)仿真

當(dāng)開關(guān)受到慣性力的作用時(shí)，假設(shè)對(duì)開關(guān)輸入周期為400 μs閾值為1 000 gn的半正弦加速度信號(hào)，如圖7所示。然后對(duì)開關(guān)在靜電力、慣性力、彈性力和阻尼力等多物理場(chǎng)耦合作用下的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。開關(guān)的響應(yīng)曲線圖如圖8所示。

圖7 半正弦加速度信號(hào)Fig 7 Half sine acceleration signal

圖8 開關(guān)響應(yīng)曲線Fig 8 Switching response curve

當(dāng)開關(guān)加速度以步長(zhǎng)500 gn，從500 gn到3 000 gn變化時(shí)，開關(guān)閉合時(shí)的閉合時(shí)間分別為89.52,71.28,60.43,53.12,49.89 μs。圖9為半正弦加速度與閉合時(shí)間的關(guān)系曲線，曲線基本上呈線性分布，證明開關(guān)在滿足達(dá)到預(yù)設(shè)的條件時(shí)能迅速閉合，閉合過程穩(wěn)定且能實(shí)現(xiàn)自鎖。

圖9 半正弦加速度閾值與閉合時(shí)間的關(guān)系曲線Fig 9 Curve of relationship between half-sine acceleration threshold and closing time

4 結(jié) 論

根據(jù)引信電源機(jī)械開關(guān)微型化要求，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)閉鎖的MEMS微機(jī)械慣性接電開關(guān)。建立開關(guān)的制作工藝，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到開關(guān)位移與載荷間的關(guān)系。模態(tài)分析得到其工作模態(tài)與其他模態(tài)頻率相比相差較大，降低交叉耦合的影響。對(duì)開關(guān)在多物理場(chǎng)下進(jìn)行耦合瞬態(tài)響應(yīng)分析，證明開關(guān)在滿足達(dá)到預(yù)設(shè)的條件時(shí)迅速閉合，閉合過程穩(wěn)定且能實(shí)現(xiàn)自鎖。

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Structural design and analysis of inertia lockout switch*

XU Ma-hui1，2,LIU Feng-li1，GUO Hang2

(1.Technology Center of CAD/CAM,Shenyang Li gong University,Shenyang 110159,China;2.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

A micromechanical inertial power switch with locking function is designed in order to meet the requirements of power supply for fuze applications.The developed electric switch can be quickly under the preset condition within a short time.The closing process is stable and the self-locking can be realized.Thus,the power supply for fuze application is ensured to be in the on-state all the time if it is switched on in a complex trajectory environment.Under the action of normal emission acceleration of 475～1 500 gn,the switch can achieve stable locking and can keep the off-state and restore to the initial position for accidental drop accelerations in service management.By using the multi-physics coupled field software to analyze the response performance of the switch,the acceleration and closing time,with a linear relation,can be obtained.This result shows that the developed switch can close fastly when it meet the preset conditions,and closing process is stable and can realize self-locking.

fuze power supply;locking switch;response analysis;multi-physical coupled field

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0036—04

2016—08—03

福建省高校產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目(2015H6021)； 廈門市科技項(xiàng)目(3502Z1430030)； 國(guó)家“863”計(jì)劃資助資助項(xiàng)目(2015AA042701)

TM 564.6

A

1000—9787(2016)11—0036—04

許馬會(huì)(1986-)，女，山東菏澤人，博士研究生，研究方向?yàn)镸EMS微小器件探測(cè)技術(shù)。

郭 航，通訊作者，Email：hangguo@xmu.edu.cn。