基于質量塊翻轉的MEMS萬向慣性開關

李曉杰，牛蘭杰，翟 蓉，殷 群，田中旺

（1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

引信慣性開關利用載體碰擊目標時的反作用力或前沖慣性力而閉合，接通引信發火控制電路，是機電引信實現觸發起爆或落地自毀功能的重要部件，武器彈藥中有廣泛的需求。

傳統慣性開關受加工工藝的限制，存在體積較大、閾值散布大、萬向性能差等缺點，難以滿足引信微小型化、靈巧化及多功能化發展的要求。在一些引信研制中曾出現引信彈道炸和碰目標遲滯炸等現象，只能采用加嚴篩選的方法來保證開關的靈敏度，批成品率不到50%，大幅度增加了研制成本和生產周期。

相對于傳統慣性開關，基于MEMS技術的慣性開關，采用MEMS工藝將質量－彈簧系統制作成一體，可減小彈簧剛度散布，同時采用多彈簧系統，可較好解決不同方向上靈敏度基本一致的問題。將處理電路與微機械融合，使開關閉合時間與過載持續時間相關，則可大幅提高慣性開關一致性、可靠性。

美國 Robinson［1］、國內吝海鋒［2］研制的 MEMS萬向慣性開關，實現了徑向360°以及軸向碰撞觸發，但靈敏度相差較大。陳光焱［3－4］設計了一種懸臂梁式微慣性開關，楊卓青［5－6］設計了基于非硅表面工藝的微慣性開關，兩者均為單向開關，不具備萬向功能。

針對現有慣性開關萬向性能差的缺點，本文設計了一種基于質量塊翻轉的MEMS萬向慣性開關。

1 典型萬向慣性開關

引信MEMS慣性開關結構是典型的“彈簧－質量－阻尼”系統，如圖1所示，即質量塊經彈簧與阻尼器與殼體相連，當慣性力達到一定閾值時與觸點接觸，開關閉合電路接通。在慣性激勵a（t）作用下，系統可簡化為單自由度碰撞振動系統，其力學平衡方程為：

式中，m為質量塊質量；x為質量塊位移；c為阻尼系數；k為彈性系數。

圖1 彈簧－質量－阻尼系統示意圖Fig.1 Mass－spring－damper model

MEMS慣性開關主要由動電極和固定電極組成。動電極采用彈簧懸掛質量塊的結構，固定電極位于其上方或者側方，兩電極間距根據閾值大小設定。為實現慣性開關多個方向的觸發閉合，可以設計多個固定電極，分別位于質量塊的不同方向。參考文獻［1—2］就是采用在質量塊徑向以及軸向分別設計固定電極的方式，實現了慣性開關徑向360°以及軸向觸發閉合。

在MEMS慣性開關中，系統的慣性力、阻尼力等多種物理場耦合作用結果直接決定開關的響應特性。為準確預測慣性開關在實際工作中的響應特性，需要對開關結構進行靜態、模態、瞬態等仿真，分析其響應閾值、響應時間、閉合時間、響應角度及抗高過載能力等，目前常采用ANSYS作為仿真軟件。

2 基于質量塊翻轉的MEMS萬向慣性開關

慣性開關采用圖2所示的結構，由蓋板、質量塊、錨點、限位柱、微彈簧和基板組成，圖中X軸正向為彈丸飛行方向。質量塊為動電極，由均布的彈簧懸掛，彈簧厚度遠小于質量塊厚度；開關蓋板為固定電極，與質量塊平行并保持一定的間距。在加速度作用下，質量塊克服彈簧拉力運動，當其運動位移達到設定間距時，與開關蓋板接觸，開關閉合。為約束質量塊因離心力的作用在YZ平面內的平動以及繞X軸的轉動，在基板上設計有限位柱。

當慣性開關受到X軸正向慣性力的作用時，質量塊直接與固定電極表面接觸提供導通信號；當受到其他方向的加速度沖擊時（X軸分量為正），將慣性力分解到X軸方向以及YZ平面內：慣性力在X軸的分量使得質量塊沿X方向運動。由于質量塊質心高于懸掛彈簧，慣性力在YZ平面的分量會產生翻轉力矩，質量塊會產生翻轉。借助于質量塊的翻轉，較小的X向慣性力即可使得質量塊節點的位移達到設定間距，與固定電極接觸，電路導通，實現慣性開關大著角碰撞觸發。

圖2 慣性開關結構圖Fig.2 Structural drawing of inertial switch

3 慣性開關動態響應特性分析

3.1 可動結構模態分析

慣性開關設計加速度閾值為100 g，質量塊和彈簧材料為鎳，其彈性模量為210GPa［7］，泊松比為0.31，密度為8.91×103kg／m3，屈服應力為317 MPa。慣性開關結構參數見表1，B為彈簧寬度，H為彈簧厚度，D為彈簧相鄰圓弧段之間的距離，R為彈簧圓弧段的最小半徑，α為彈簧張開角度，n為彈簧節數，Φ為質量塊直徑，H0為質量塊厚度，h為質量塊與開關蓋板質量之間的間距。

表1 慣性開關結構參數Tab.1 Material parameters of the switch

按結構參數，建立實體模型，導入ANSYS，對 慣性開關可動結構進行模態分析，結果如圖3所示。

圖3 模態仿真結果Fig.3 Simulation results of modal analysis

相對于器件結構，一階模態振型沿X方向運動，二階、三階模態振型沿Y、Z方向運動，兩者振動頻率相同，四階、五階模態為繞Y、Z方向的轉動，即質量塊產生翻轉，與YZ平面形成角度。由于安裝時慣性開關質量塊質心可能偏離彈丸軸線，在彈丸高速旋轉時會受到的YZ平面內離心力，因此，在基板上設計有限位柱（見圖2），以約束質量塊在YZ平面內的運動，使慣性開關工作于一階模態、四階模態以及五階模態。

3.2 加速度響應閾值

選取半正弦曲線作為慣性開關載荷曲線［5－6］，加載方向為X軸正向，持續時間為400μs，改變加載曲線幅值的大小，通過ANSYS瞬態動力學仿真分析慣性開關可動結構的運動情況（如圖4），得出開關的響應閾值。

圖4 瞬態動力學分析結果Fig.4 Simulation results of transient analysis

當加速度達到93 g時，質量塊X向的位移約為25μm，達到與固定電極接觸的臨界狀態，故慣性開關閉合閾值為93 g。這與設計閾值100 g存在一定誤差，誤差主要來源于設計中對彈簧彈性系數及壓膜阻尼的近似。運動過程中，器件承受的最大應力為244MPa，小于鎳的屈服應力，表明開關結構安全。

慣性開關加工工藝采用準LIGA技術［8］。加工過程中電鍍液條件、雜質以及電流密度會顯著影響電鍍鎳的材料特性，而鎳的彈性模量會直接影響彈簧彈性系數，進而影響開關的動態特性［9］。國內外研究表明，LIGA電鍍鎳的彈性模量散布為205～228MPa［7］。為估算鎳的彈性模量對開關性能的影響，計算在極限情況下慣性開關的閉合閾值，得到結果：當電鑄鎳彈性模量最小時，慣性開關閉合所需的慣性載荷最小，約85 g；反之，開關閉合所需載荷最大，約102 g。因此，慣性開關理論閉合閾值為85～102 g，誤差約15%。

3.3 響應角度及持續時間

要使慣性開關響應角度達到預定值，慣性開關必須工作在四階或五階模態，即質量塊必須翻轉以保證其邊緣能與固定電極接觸。改變載荷（半正弦曲線，持續時間為400μs，幅值為100 g）加載方向，分析載荷角度對慣性開關閉合特性的影響，每個角度選取質量塊上包括位移最大、最小在內的4個節點，得到圖5所示仿真結果，圖中標注角度為載荷與彈軸方向的夾角。

圖5 質量塊節點位移－時間曲線Fig.5 Displacement－time curves

從圖5質量塊節點位移－時間曲線可以看出，在載荷為100 g的情況下，加載角度小于70°時，質量塊節點位移可達到25μm，慣性開關均可以閉合；當角度達到70°時，開關處于臨界閉合狀態。對比同一角度下節點位移－時間曲線可知，除0°以外，質量塊均發生翻轉，與固定電極的接觸點為其邊緣。因此，質量塊的翻轉可實現慣性開關大于120°的觸發閉合。

在此基礎上，進一步分析各角度下慣性開關的響應閾值。結合圖5，歸納得到各角度開關的動態特性，見表2。從表中可以看出，載荷加載角度小于70°時，慣性開關的響應閾值為92～112 g，靈敏度誤差為22%，響應時間0.3～0.41ms，閉合持續時間10～15μs。

表2 慣性開關各角度響應時間、接通時間及閾值Tab.2 Dynamic response characteristics of the switch

3.4 抗高過載能力

按照圖6中榴彈發射后坐過載曲線［10］施加慣性載荷，得到仿真結果如圖7所示。圖7（a）為在后坐力作用下質量塊節點位移－時間曲線，圖7（b）為最大應力云圖。在30 000 g的載荷下，器件所受的最大應力位于彈簧的彎角處為232MPa，小于鎳的屈服應力，表明該結構抗高過載能力超過30 000 g。

圖6 發射后坐過載曲線Fig.6 Recoil force of launch

圖7 抗高過載仿真結果Fig.7 Simulation results of high－shock－resistant

同時，質量塊在碰撞到基板后的反彈位移約為10μm，小于質量塊與固定電極間的固定間隙25μm，即慣性開關不會因后坐力而導致慣性開關誤閉合。

4 結論

本文設計了一種基于質量塊翻轉的MEMS萬向慣性開關。開關選取彈簧懸掛質量塊作為動電極，開關蓋板作為固定電極，利用質量塊的翻轉，實現了大著角碰撞觸發。仿真驗證了：慣性開關可以實現大于120°的觸發閉合，閾值散布小于15%，靈敏度散布約22%，并具有一定的抗高過載能力，為后續工作奠定了理論基礎。

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