基于動(dòng)電極翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)

范晨陽(yáng),劉劍霏,田中旺

(機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

0 引言

慣性開(kāi)關(guān)是利用載體碰擊目標(biāo)時(shí)的反作用力或前沖慣性力使其能夠在大著角范圍內(nèi)可靠閉合,接通引信發(fā)火控制電路向始發(fā)火工品輸入能量,激發(fā)起爆元件,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。

傳統(tǒng)引信常用的慣性開(kāi)關(guān)受加工設(shè)備和工藝限制,存在體積較大、閾值散布大、萬(wàn)向性能差等缺點(diǎn)。基于MEMS技術(shù)的慣性開(kāi)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(wèn)題。采用MEMS工藝更便于處理電路與微機(jī)械融合,使開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間與過(guò)載持續(xù)時(shí)間相關(guān),則可大幅提高慣性開(kāi)關(guān)一致性、可靠性[1]。

美國(guó)Robinson等研制的MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)有多個(gè)電極,實(shí)現(xiàn)了徑向以及軸向碰撞觸發(fā)[2],但各向靈敏度相差較大。西安機(jī)電信息技術(shù)研究所聯(lián)合上海交通大學(xué),設(shè)計(jì)了一種通過(guò)可動(dòng)觸點(diǎn)延長(zhǎng)接觸時(shí)間的慣性開(kāi)關(guān)[3],該開(kāi)關(guān)采用非硅表面微加工技術(shù),用彈性梁代替剛性襯底作為固定電極并設(shè)計(jì)可動(dòng)觸點(diǎn),延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)閉合接觸時(shí)間,但其萬(wàn)向性能較差。陳光焱設(shè)計(jì)了一種懸臂梁式微慣性開(kāi)關(guān),為單向開(kāi)關(guān),不具備萬(wàn)向功能[4]。為此,本文設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)電極翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)。

1 MEMS慣性開(kāi)關(guān)

MEMS慣性開(kāi)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(kāi)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),其運(yùn)動(dòng)控制模型為:

(1)

式(1)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 The schematic of spring-mass-damping system

引信在其全壽命周期中經(jīng)受的環(huán)境主要包括儲(chǔ)存環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、彈道環(huán)境等,在不同環(huán)境中,環(huán)境激勵(lì)特征也不同。儲(chǔ)存環(huán)境中的過(guò)載最大值為7 000～15 000g；發(fā)射過(guò)載在1 000～23 000g之間[5]；正常彈道飛行過(guò)程中所經(jīng)受的最大加速度過(guò)載只有幾十個(gè)g[6]；碰擊軟目標(biāo)介質(zhì)時(shí)時(shí)最大過(guò)載為700～8 000g左右；碰擊硬目標(biāo)時(shí)的最大過(guò)載更高。引信MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)的閉合閾值應(yīng)大于引信在彈道正常飛行過(guò)程中所經(jīng)受的最大過(guò)載,小于碰擊目標(biāo)介質(zhì)時(shí)的過(guò)載。因此引信MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)的閾值可設(shè)定為100～500g[7]。

2 基于動(dòng)電極翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)

慣性開(kāi)關(guān)采用圖2所示的結(jié)構(gòu),主要由蓋板、動(dòng)電極、微彈簧和基板組成。圖中X軸正向?yàn)閺椡栾w行方向。動(dòng)電極由均布的四根彈簧懸掛,彈簧厚度遠(yuǎn)小于質(zhì)量塊厚度；開(kāi)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,動(dòng)電極克服彈簧拉力運(yùn)動(dòng),當(dāng)其運(yùn)動(dòng)位移達(dá)到設(shè)定間距時(shí),與開(kāi)關(guān)蓋板接觸,開(kāi)關(guān)閉合。

圖2 MEMS慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic of MEMS inertial switch structure

對(duì)于慣性開(kāi)關(guān)而言,當(dāng)彈丸垂直碰擊目標(biāo)時(shí),動(dòng)電極所受的前沖慣性力為X軸(彈軸)方向；當(dāng)彈丸著角發(fā)生變化時(shí),慣性力的方向與X軸不再平行,將此時(shí)的慣性力會(huì)分解到X軸以及YZ平面兩個(gè)方向,動(dòng)電極分別在X軸向以及YZ平面內(nèi)產(chǎn)生位移。因此慣性開(kāi)關(guān)為了實(shí)現(xiàn)大著角觸發(fā),設(shè)計(jì)的動(dòng)電極厚度遠(yuǎn)大于彈簧的厚度,其質(zhì)心高于與彈簧的連接點(diǎn)。當(dāng)彈丸以一定角度碰擊目標(biāo)時(shí),動(dòng)電極會(huì)產(chǎn)生一定的翻轉(zhuǎn)，如圖3所示。借助于翻轉(zhuǎn),增大動(dòng)電極在X方向的位移,使其能夠與固定電極接觸,導(dǎo)通電路,實(shí)現(xiàn)慣性開(kāi)關(guān)大著角碰撞觸發(fā)。

圖3 動(dòng)電極翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.3 The schematic of moving electrodeove overturning

按上述設(shè)計(jì)思路,采用體硅微細(xì)加工工藝制作開(kāi)關(guān)樣機(jī)，如圖4所示。開(kāi)關(guān)基板為正方形,動(dòng)電極與四根對(duì)稱(chēng)分布的微彈簧連接,將彈簧放置在基板的四個(gè)角上,可有效利用空間,而且可通過(guò)調(diào)整每組彈簧之間的角度來(lái)調(diào)節(jié)空隙,改善阻尼特性。慣性開(kāi)關(guān)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)為:響應(yīng)閾值100g,響應(yīng)角度≮120°。

圖4 硅基MEMS慣性開(kāi)關(guān)Fig.4 Silicon based MEMS inertial switch

3 慣性開(kāi)關(guān)性能驗(yàn)證

3.1 開(kāi)關(guān)性能仿真驗(yàn)證

利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)開(kāi)關(guān)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真分析,要使慣性開(kāi)關(guān)響應(yīng)角度達(dá)到預(yù)定值,慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中的可動(dòng)電極質(zhì)量塊必須能在YZ平面翻轉(zhuǎn),其邊緣與固定電極接觸。通過(guò)改變載荷加載方向,分析各著角下慣性開(kāi)關(guān)動(dòng)電極運(yùn)動(dòng)情況。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 慣性開(kāi)關(guān)翻轉(zhuǎn)過(guò)程仿真示意圖Fig.5 The schematic of overturning process of inertia switch

圖6 開(kāi)關(guān)蓋板和動(dòng)電極節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)-時(shí)間曲線Fig.6 Coordinate-time curve of switch cover plate and moving electrodeove node

通過(guò)分析仿真結(jié)果,得到慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)特性,如表1所示。

表1 慣性開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

除0°角以外,動(dòng)電極均發(fā)生翻轉(zhuǎn),與固定電極的接觸點(diǎn)為其邊緣,當(dāng)加載載荷為100g,加載角度小于60°時(shí),慣性開(kāi)關(guān)均可以閉合,即慣性開(kāi)關(guān)的理論響應(yīng)角度可達(dá)到120°。隨著加載角度的增大,質(zhì)量塊的傾斜的角度呈增大趨勢(shì)(0°→1.34°),與設(shè)計(jì)初衷相符。隨著質(zhì)量塊的翻轉(zhuǎn),增加了質(zhì)量塊上部分節(jié)點(diǎn)的位移,從而增大慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)角度。

3.2 開(kāi)關(guān)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

為考核慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)角度,對(duì)閾值為100g慣性開(kāi)關(guān)樣機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由沖擊臺(tái)、開(kāi)關(guān)測(cè)試夾具、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及示波器組成，如圖7所示。為了驗(yàn)證開(kāi)關(guān)的響應(yīng)角度,在試驗(yàn)夾具上設(shè)計(jì)了三個(gè)不同角度的開(kāi)關(guān)安放位置,分別為0°，30°和60°，如圖8所示。

圖7 慣性開(kāi)關(guān)沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Inertial switch impact test system

試驗(yàn)時(shí),將慣性開(kāi)關(guān)樣機(jī)分別放置于夾具的不同安放位置,將夾具及標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器固定于沖擊試驗(yàn)臺(tái)錘頭上,連接好測(cè)試系統(tǒng),啟動(dòng)沖擊試驗(yàn)臺(tái)。完成一次沖擊試驗(yàn)后,示波器同時(shí)采集到慣性開(kāi)關(guān)閉合信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器(傳感器閾值1 000g)輸出沖擊過(guò)載信號(hào),對(duì)比兩條信號(hào)曲線,判斷慣性開(kāi)關(guān)在不同的安放角度能否正常閉合以及響應(yīng)閾值是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果如圖9所示,其中示波器屏幕上方曲線為采集到的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸出的沖擊過(guò)載曲線,下方曲線為開(kāi)關(guān)閉合產(chǎn)生的信號(hào)曲線。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 開(kāi)關(guān)試驗(yàn)夾具Fig.8 Switch test fixture

圖9 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results

序號(hào)安裝角度/(°)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的沖擊過(guò)載/g開(kāi)關(guān)閉合情況開(kāi)關(guān)持續(xù)閉合時(shí)間/μs1076×-2082√8933077×-43084√6056075×-66085√55

沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)開(kāi)關(guān)樣機(jī)的安放角度為60°時(shí),開(kāi)關(guān)能夠正常閉合,由于開(kāi)關(guān)采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因此其對(duì)-60°～60°范圍內(nèi)的過(guò)載均能可靠響應(yīng),故開(kāi)關(guān)響應(yīng)角度為120°,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

利用40 mm槍榴彈對(duì)慣性開(kāi)關(guān)在實(shí)際彈道飛行過(guò)程中的工作性能進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)變換靶板的放置角度,分別為0°,30°和60°,測(cè)試開(kāi)關(guān)在不同著角情況下的工作性能，發(fā)射過(guò)載約為15 000g。試驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)主要由電源、慣性開(kāi)關(guān)以及彈載存儲(chǔ)系統(tǒng)三部分組成，如圖10所示,其中彈載存儲(chǔ)系統(tǒng)中包含一個(gè)閾值1 000g的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器。主要試驗(yàn)過(guò)程為:將測(cè)試樣機(jī)裝入40 mm槍榴彈內(nèi),激發(fā)彈丸,撞擊靶板,彈載存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)彈丸飛行過(guò)程和撞擊目標(biāo)靶板時(shí),慣性開(kāi)關(guān)的工作情況以及標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器測(cè)到的過(guò)載值進(jìn)行存儲(chǔ)記錄,回收彈丸,讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù),判斷開(kāi)關(guān)是否正常工作。

圖10 射擊試驗(yàn)Fig.10 Shoot test

通過(guò)對(duì)回收后的彈載存儲(chǔ)電路所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果如圖11所示。圖中上方曲線為采集到的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸出的沖擊過(guò)載曲線,下方曲線為開(kāi)關(guān)閉合產(chǎn)生的信號(hào)曲線。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 慣性開(kāi)關(guān)射擊試驗(yàn)結(jié)果

圖11 不同著角時(shí)慣性開(kāi)關(guān)工作情況Fig.11 The inertia switch works at different impact angles

試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)彈丸撞擊呈60°角擺放的靶板且撞擊過(guò)載到達(dá)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)閾值時(shí),開(kāi)關(guān)能夠正常閉合,由于開(kāi)關(guān)采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因此其對(duì)-60°～60°范圍內(nèi)的過(guò)載均能可靠響應(yīng),故開(kāi)關(guān)響應(yīng)角度為120°,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文提出了基于動(dòng)電極翻轉(zhuǎn)的MEMS萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān),其開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)采用周向分布彈簧支撐可翻轉(zhuǎn)一定角度的圓形動(dòng)電極,開(kāi)關(guān)蓋板為固定電極。由于動(dòng)電極質(zhì)心高于彈簧質(zhì)心,在引信大著角撞擊目標(biāo)時(shí),慣性力的分量會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩,使得動(dòng)電極能夠翻轉(zhuǎn)一定角度與固定電極接觸,增大了慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)角度。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該結(jié)構(gòu)慣性開(kāi)關(guān)的響應(yīng)角度能夠達(dá)到120°。為引信實(shí)現(xiàn)大著角情況下的可靠響應(yīng)提供設(shè)計(jì)參考。