基于質(zhì)量塊翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開關(guān)

李曉杰，牛蘭杰，翟 蓉，殷 群，田中旺

（1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

引信慣性開關(guān)利用載體碰擊目標(biāo)時(shí)的反作用力或前沖慣性力而閉合，接通引信發(fā)火控制電路，是機(jī)電引信實(shí)現(xiàn)觸發(fā)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(tǒng)慣性開關(guān)受加工工藝的限制，存在體積較大、閾值散布大、萬(wàn)向性能差等缺點(diǎn)，難以滿足引信微小型化、靈巧化及多功能化發(fā)展的要求。在一些引信研制中曾出現(xiàn)引信彈道炸和碰目標(biāo)遲滯炸等現(xiàn)象，只能采用加嚴(yán)篩選的方法來保證開關(guān)的靈敏度，批成品率不到50%，大幅度增加了研制成本和生產(chǎn)周期。

相對(duì)于傳統(tǒng)慣性開關(guān)，基于MEMS技術(shù)的慣性開關(guān)，采用MEMS工藝將質(zhì)量－彈簧系統(tǒng)制作成一體，可減小彈簧剛度散布，同時(shí)采用多彈簧系統(tǒng)，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(jī)械融合，使開關(guān)閉合時(shí)間與過載持續(xù)時(shí)間相關(guān)，則可大幅提高慣性開關(guān)一致性、可靠性。

美國(guó) Robinson［1］、國(guó)內(nèi)吝海鋒［2］研制的 MEMS萬(wàn)向慣性開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了徑向360°以及軸向碰撞觸發(fā)，但靈敏度相差較大。陳光焱［3－4］設(shè)計(jì)了一種懸臂梁式微慣性開關(guān)，楊卓青［5－6］設(shè)計(jì)了基于非硅表面工藝的微慣性開關(guān)，兩者均為單向開關(guān)，不具備萬(wàn)向功能。

針對(duì)現(xiàn)有慣性開關(guān)萬(wàn)向性能差的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于質(zhì)量塊翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開關(guān)。

1 典型萬(wàn)向慣性開關(guān)

引信MEMS慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)是典型的“彈簧－質(zhì)量－阻尼”系統(tǒng)，如圖1所示，即質(zhì)量塊經(jīng)彈簧與阻尼器與殼體相連，當(dāng)慣性力達(dá)到一定閾值時(shí)與觸點(diǎn)接觸，開關(guān)閉合電路接通。在慣性激勵(lì)a（t）作用下，系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為單自由度碰撞振動(dòng)系統(tǒng)，其力學(xué)平衡方程為：

式中，m為質(zhì)量塊質(zhì)量；x為質(zhì)量塊位移；c為阻尼系數(shù)；k為彈性系數(shù)。

圖1 彈簧－質(zhì)量－阻尼系統(tǒng)示意圖Fig.1 Mass－spring－damper model

MEMS慣性開關(guān)主要由動(dòng)電極和固定電極組成。動(dòng)電極采用彈簧懸掛質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，固定電極位于其上方或者側(cè)方，兩電極間距根據(jù)閾值大小設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)慣性開關(guān)多個(gè)方向的觸發(fā)閉合，可以設(shè)計(jì)多個(gè)固定電極，分別位于質(zhì)量塊的不同方向。參考文獻(xiàn)［1—2］就是采用在質(zhì)量塊徑向以及軸向分別設(shè)計(jì)固定電極的方式，實(shí)現(xiàn)了慣性開關(guān)徑向360°以及軸向觸發(fā)閉合。

在MEMS慣性開關(guān)中，系統(tǒng)的慣性力、阻尼力等多種物理場(chǎng)耦合作用結(jié)果直接決定開關(guān)的響應(yīng)特性。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)慣性開關(guān)在實(shí)際工作中的響應(yīng)特性，需要對(duì)開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、瞬態(tài)等仿真，分析其響應(yīng)閾值、響應(yīng)時(shí)間、閉合時(shí)間、響應(yīng)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(zhì)量塊翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開關(guān)

慣性開關(guān)采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，由蓋板、質(zhì)量塊、錨點(diǎn)、限位柱、微彈簧和基板組成，圖中X軸正向?yàn)閺椡栾w行方向。質(zhì)量塊為動(dòng)電極，由均布的彈簧懸掛，彈簧厚度遠(yuǎn)小于質(zhì)量塊厚度；開關(guān)蓋板為固定電極，與質(zhì)量塊平行并保持一定的間距。在加速度作用下，質(zhì)量塊克服彈簧拉力運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)位移達(dá)到設(shè)定間距時(shí)，與開關(guān)蓋板接觸，開關(guān)閉合。為約束質(zhì)量塊因離心力的作用在YZ平面內(nèi)的平動(dòng)以及繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在基板上設(shè)計(jì)有限位柱。

當(dāng)慣性開關(guān)受到X軸正向慣性力的作用時(shí)，質(zhì)量塊直接與固定電極表面接觸提供導(dǎo)通信號(hào)；當(dāng)受到其他方向的加速度沖擊時(shí)（X軸分量為正），將慣性力分解到X軸方向以及YZ平面內(nèi)：慣性力在X軸的分量使得質(zhì)量塊沿X方向運(yùn)動(dòng)。由于質(zhì)量塊質(zhì)心高于懸掛彈簧，慣性力在YZ平面的分量會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。借助于質(zhì)量塊的翻轉(zhuǎn)，較小的X向慣性力即可使得質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)的位移達(dá)到設(shè)定間距，與固定電極接觸，電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)慣性開關(guān)大著角碰撞觸發(fā)。

圖2 慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of inertial switch

3 慣性開關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

3.1 可動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

慣性開關(guān)設(shè)計(jì)加速度閾值為100 g，質(zhì)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(yīng)力為317 MPa。慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)數(shù)，Φ為質(zhì)量塊直徑，H0為質(zhì)量塊厚度，h為質(zhì)量塊與開關(guān)蓋板質(zhì)量之間的間距。

表1 慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Material parameters of the switch

按結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS，對(duì) 慣性開關(guān)可動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模態(tài)仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of modal analysis

相對(duì)于器件結(jié)構(gòu)，一階模態(tài)振型沿X方向運(yùn)動(dòng)，二階、三階模態(tài)振型沿Y、Z方向運(yùn)動(dòng)，兩者振動(dòng)頻率相同，四階、五階模態(tài)為繞Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，即質(zhì)量塊產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，與YZ平面形成角度。由于安裝時(shí)慣性開關(guān)質(zhì)量塊質(zhì)心可能偏離彈丸軸線，在彈丸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)受到的YZ平面內(nèi)離心力，因此，在基板上設(shè)計(jì)有限位柱（見圖2），以約束質(zhì)量塊在YZ平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，使慣性開關(guān)工作于一階模態(tài)、四階模態(tài)以及五階模態(tài)。

3.2 加速度響應(yīng)閾值

選取半正弦曲線作為慣性開關(guān)載荷曲線［5－6］，加載方向?yàn)閄軸正向，持續(xù)時(shí)間為400μs，改變加載曲線幅值的大小，通過ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析慣性開關(guān)可動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況（如圖4），得出開關(guān)的響應(yīng)閾值。

圖4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果Fig.4 Simulation results of transient analysis

當(dāng)加速度達(dá)到93 g時(shí)，質(zhì)量塊X向的位移約為25μm，達(dá)到與固定電極接觸的臨界狀態(tài)，故慣性開關(guān)閉合閾值為93 g。這與設(shè)計(jì)閾值100 g存在一定誤差，誤差主要來源于設(shè)計(jì)中對(duì)彈簧彈性系數(shù)及壓膜阻尼的近似。運(yùn)動(dòng)過程中，器件承受的最大應(yīng)力為244MPa，小于鎳的屈服應(yīng)力，表明開關(guān)結(jié)構(gòu)安全。

慣性開關(guān)加工工藝采用準(zhǔn)LIGA技術(shù)［8］。加工過程中電鍍液條件、雜質(zhì)以及電流密度會(huì)顯著影響電鍍鎳的材料特性，而鎳的彈性模量會(huì)直接影響彈簧彈性系數(shù)，進(jìn)而影響開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性［9］。國(guó)內(nèi)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(duì)開關(guān)性能的影響，計(jì)算在極限情況下慣性開關(guān)的閉合閾值，得到結(jié)果：當(dāng)電鑄鎳彈性模量最小時(shí)，慣性開關(guān)閉合所需的慣性載荷最小，約85 g；反之，開關(guān)閉合所需載荷最大，約102 g。因此，慣性開關(guān)理論閉合閾值為85～102 g，誤差約15%。

3.3 響應(yīng)角度及持續(xù)時(shí)間

要使慣性開關(guān)響應(yīng)角度達(dá)到預(yù)定值，慣性開關(guān)必須工作在四階或五階模態(tài)，即質(zhì)量塊必須翻轉(zhuǎn)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(xù)時(shí)間為400μs，幅值為100 g）加載方向，分析載荷角度對(duì)慣性開關(guān)閉合特性的影響，每個(gè)角度選取質(zhì)量塊上包括位移最大、最小在內(nèi)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)，得到圖5所示仿真結(jié)果，圖中標(biāo)注角度為載荷與彈軸方向的夾角。

圖5 質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)位移－時(shí)間曲線Fig.5 Displacement－time curves

從圖5質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)位移－時(shí)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(shí)，質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)位移可達(dá)到25μm，慣性開關(guān)均可以閉合；當(dāng)角度達(dá)到70°時(shí)，開關(guān)處于臨界閉合狀態(tài)。對(duì)比同一角度下節(jié)點(diǎn)位移－時(shí)間曲線可知，除0°以外，質(zhì)量塊均發(fā)生翻轉(zhuǎn)，與固定電極的接觸點(diǎn)為其邊緣。因此，質(zhì)量塊的翻轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)慣性開關(guān)大于120°的觸發(fā)閉合。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析各角度下慣性開關(guān)的響應(yīng)閾值。結(jié)合圖5，歸納得到各角度開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性，見表2。從表中可以看出，載荷加載角度小于70°時(shí)，慣性開關(guān)的響應(yīng)閾值為92～112 g，靈敏度誤差為22%，響應(yīng)時(shí)間0.3～0.41ms，閉合持續(xù)時(shí)間10～15μs。

表2 慣性開關(guān)各角度響應(yīng)時(shí)間、接通時(shí)間及閾值Tab.2 Dynamic response characteristics of the switch

3.4 抗高過載能力

按照?qǐng)D6中榴彈發(fā)射后坐過載曲線［10］施加慣性載荷，得到仿真結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為在后坐力作用下質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)位移－時(shí)間曲線，圖7（b）為最大應(yīng)力云圖。在30 000 g的載荷下，器件所受的最大應(yīng)力位于彈簧的彎角處為232MPa，小于鎳的屈服應(yīng)力，表明該結(jié)構(gòu)抗高過載能力超過30 000 g。

圖6 發(fā)射后坐過載曲線Fig.6 Recoil force of launch

圖7 抗高過載仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of high－shock－resistant

同時(shí)，質(zhì)量塊在碰撞到基板后的反彈位移約為10μm，小于質(zhì)量塊與固定電極間的固定間隙25μm，即慣性開關(guān)不會(huì)因后坐力而導(dǎo)致慣性開關(guān)誤閉合。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于質(zhì)量塊翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開關(guān)。開關(guān)選取彈簧懸掛質(zhì)量塊作為動(dòng)電極，開關(guān)蓋板作為固定電極，利用質(zhì)量塊的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了大著角碰撞觸發(fā)。仿真驗(yàn)證了：慣性開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)大于120°的觸發(fā)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(xù)工作奠定了理論基礎(chǔ)。

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