慣性閉鎖開關的結構設計與分析*

許馬會，劉鳳麗，郭 航

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

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慣性閉鎖開關的結構設計與分析*

許馬會1，2，劉鳳麗1，郭 航2

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

針對引信用電源系統開關的使用要求，設計一種可實現閉鎖功能的微機械慣性接電開關，該接電開關能夠保證在滿足預設的條件時迅速閉合、閉合時間短、閉合過程穩定且能實現自鎖，確保電源接通之后在復雜的彈道環境中，能夠始終處于被接通狀態,為引信電源系統提供技術支持。在正常發射加速度475～1 500 gn作用下，開關可實現穩定閉鎖；在勤務處理中意外跌落加速度作用下，開關保持斷開狀態，并可以恢復至初始位置。在多物理場耦合下對開關進行響應分析，得出開關的加速度值與閉合時間基本呈線性分布，證明開關在達到預設的條件時迅速閉合，閉合過程穩定且能實現自鎖。

引信電源； 閉鎖開關； 響應分析； 多物理耦合

0 引 言

基于微機電系統(MEMS)技術的微機械慣性開關，擁有尺寸小、集成性好、重量小、功耗低、可批量生產以及抗過載能力強等特點[1，2]，因此被廣泛應用在航空航天、汽車安全、消費電器、醫療器機械及武器系統等領域[3，4]。目前，引信中的MEMS開關主要有引爆開關和電源接通開關兩類[5]。引爆開關主要是彈道末端感受目標信息并正確點火；電源接通開關主要在引信中使用，負責在發射后一段時間內正確地接通引信電源。用于引信電源的接電開關，既可以提高引信電源和引信后續電路的安全性，又可以保證引信電源能夠被快速、持續地接通，確保引信電路可靠工作。研究引信用MEMS接電開關對實現引信的小型化及彈藥系統的靈巧化和信息化有著重要的意義[6，7]。

針對引信用電源的接電開關的要求，本文設計了一種微機電慣性閉鎖開關，該接電開關能夠保證在滿足預設的條件時迅速閉合、閉合時間短、閉合過程穩定且能實現自鎖，確保電源在接通之后復雜的彈道環境中，能夠始終處于被接通狀態。開關還可以在各種勤務環境(意外跌落和震動)中都不閉合，保證引信電源平時勤務的安全。

1 閉鎖開關的結構設計

1.1 整體結構

該開關釆用兩端固定懸臂梁支撐結構，開關的斷開和閉合結構如圖1所示。

圖1 開關斷開和閉合Fig 1 Switch off and on

可動電極可以在沖擊加速度作用下與底部電極接觸實現閉合，開關導通。當開關受到勤務處理意外跌落和加速度脈沖作用時，可動極板往上運動，使兩卡銷脫離，開關保持斷開狀態。由于基于靜電原理的自鎖也不足以承受引信發射時的高過載沖擊，可能會使開關出現導通中斷現象，使武器系統出現瞎火等故障[8]，故本次設計中增加了微型閉鎖機構，該閉鎖機構鎖定后，即使在高速旋轉所產生的離心力作用下，仍能夠保持這種導通狀態不出現中斷，保證引信電源持續供電，使引信電源為引信電路提供連續的、穩定的電壓或者電流。另一方面，接電觸頭間的導電面積比較大，開關保持導通狀態的同時電阻較小，導通電流增大。在MEMS專用設計軟件Coventorware中設定器件的加工工藝如表1所示。

表1 CoventorWare工藝設計流程

結合開關的工藝過程和掩膜板圖形，得到開關的實體模型如圖2所示。

圖2 開關實體模型Fig 2 Switch solid model

1.2 工作原理

該開關安裝在與彈軸平行方向，彈在沿y軸發射過程中，可動極板在慣性力的作用下沿y軸正方向快速移動，達到工作閾值后，可動極板和固定極板接觸，開關導通，同時卡銷搭接，保持電極的持續接觸。載荷消失后，可動極板恢復至初始位置，保證了開關可以多次識別意外跌落情況，在正常發射情況下順利完成開關的閉鎖。

2 結構分析與優化

2.1 結構分析

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

慣性驅動機構能夠感受加速度沖擊并迅速完成致動動作，慣性驅動機構一般可以抽象成如圖3所示的彈簧—質量系統模型[9]。

圖3 彈簧—質量系統物理模型Fig 3 Physical model for spring-mass system

由于可動電極由兩端固定梁支持，忽略質量塊的質量，故系統的剛度為

(1)

式中 km為單個懸臂梁的彈性系數；F為作用于懸臂梁末端的作用力；d為梁末端產生的位移；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為梁長度2 245μm。

當運動卡頭和固定卡頭接觸后，可動卡頭受力關系矢量圖如圖4所示。

圖4 可動卡頭受力關系矢量圖Fig 4 Force relationship vectors of movable chuck

F為鎖定機構所受慣性力，N1為固定卡頭對可動卡頭的正壓力，Nf為運動卡頭與固定卡頭相對運動中受到的摩擦力，α為卡銷夾角，F=N1cosα+Nfsinα。根據受力分析可得，使得可動卡頭發生彎曲的力fx為慣性力在x方向的分力

fx=N1sinα-Nfcosα

(2)

設可動卡頭在fx作用下產生的位移量為δx，要實現可靠的閉鎖，卡頭在x方向發生的位移要大于δm才能滿足可動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 參數優化

固定卡銷的長寬比是影響整個結構穩定的主要因素。長寬比越大，結構就越大，受振動的影響也越大，結構越不穩定。因此,固定卡銷的長寬比越小越好，一般要求小于等于20[11]，此結構固定卡銷初始長寬比為23.6大于20，因此,需要對此結構進行參數優化。優化之后結構的參數尺寸如表2所示。

將優化之后的數據代入式(2)、式(3)、式(4)，可得出

F=1 972 N

(5)

表2 優化后結構的參數尺寸

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動卡銷完全搭接的加速度a=493.2 gn，且固定卡銷初始長寬比為14.1小于20，說明優化之后的結構設計的較合理，且結構穩定。當載荷增大時，結構的運動的最大位移也隨之增大，兩者呈線性關系，如圖5所示。當載荷為475 gn時，結構運動的位移為68 μm，等于兩接觸極板的距離，兩卡銷正好完全搭接。這與理論計算值493.2 gn存在一定的誤差，誤差主要來源于設計中對彈簧彈性系數的近似取值，兩值之間的誤差為3.7 %。

圖5 最大位移與載荷的關系Fig 5 Relationship between the maximum displacement and load

3 特性分析

3.1 模態分析

結構的動態特性分析主要包括模態分析和動力學分析。模態分析主要分析開關結構的易振動方向，它對結構的設計和優化有重要的指導作用。對開關進行模態分析得出的頻率為開關的振動頻率fn，它與固有頻率之間滿足一下關系[12]

(6)

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

結合Analyzer模塊對懸臂梁的進行模態分析，結構的前三階模態的振動形式和頻率值如圖6所示。

圖6 開關模態圖Fig 6 Modal of switch

從仿真結果中可以看出，開關的一階模態沿著y軸方向振動是工作模態。當對結構加載負荷時，在y軸方向上容易發生變形，與其他模態頻率相比相差較大，降低了交叉耦合的影響。將一階模態振動頻率的理論計算值1 054.6 Hz與仿真結果1 032.84 Hz對比，兩者相對誤差為2.1 %，在誤差范圍內(≤3 %)，滿足仿真誤差要求。

3.2 多物理場耦合下開關的動力學仿真

當開關受到慣性力的作用時，假設對開關輸入周期為400 μs閾值為1 000 gn的半正弦加速度信號，如圖7所示。然后對開關在靜電力、慣性力、彈性力和阻尼力等多物理場耦合作用下的瞬態響應進行分析。開關的響應曲線圖如圖8所示。

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

圖8 開關響應曲線Fig 8 Switching response curve

當開關加速度以步長500 gn，從500 gn到3 000 gn變化時，開關閉合時的閉合時間分別為89.52,71.28,60.43,53.12,49.89 μs。圖9為半正弦加速度與閉合時間的關系曲線，曲線基本上呈線性分布，證明開關在滿足達到預設的條件時能迅速閉合，閉合過程穩定且能實現自鎖。

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

4 結 論

根據引信電源機械開關微型化要求，提出一種能夠實現閉鎖的MEMS微機械慣性接電開關。建立開關的制作工藝，對結構參數進行優化設計，得到開關位移與載荷間的關系。模態分析得到其工作模態與其他模態頻率相比相差較大，降低交叉耦合的影響。對開關在多物理場下進行耦合瞬態響應分析，證明開關在滿足達到預設的條件時迅速閉合，閉合過程穩定且能實現自鎖。

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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

福建省高校產學合作項目(2015H6021)； 廈門市科技項目(3502Z1430030)； 國家“863”計劃資助資助項目(2015AA042701)

TM 564.6

A

1000—9787(2016)11—0036—04

許馬會(1986-)，女，山東菏澤人，博士研究生，研究方向為MEMS微小器件探測技術。

郭 航，通訊作者，Email：hangguo@xmu.edu.cn。