低g值慣性延時電熱MEMS安全與解除保險裝置

胡騰江，任 煒,2，趙玉龍

(1.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)重點實驗室，陜西 西安 710061)

0 引言

在武器裝置微型化、集成化、智能化發(fā)展背景的推動下，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的第四代安全與解除保險(S&A)裝置[1-2]結(jié)構(gòu)尺度更小，功能集成度更高，因此被認(rèn)為是未來武器裝備技術(shù)發(fā)展的重要支撐[3-4]。MEMS S&A裝置的概念出現(xiàn)在2000年前后，雖然很多關(guān)鍵技術(shù)都得到了突破，但其仍無法滿足列裝要求，解保方式單一成為制約其發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一。受到制備工藝與設(shè)計思路的限制，目前所報道的MEMS S&A裝置的解除保險方式主要采用單一環(huán)境力，即慣性力或電熱力[5-7]，該方式不滿足冗余解保的設(shè)計要求[8]；因此，相應(yīng)的器件很難得到實際應(yīng)用。此外，在特征尺寸為微米量級的MEMS器件中，慣性力的作用十分有限，因此，很難在非旋火箭彈、無坐力炮彈等低過載場所得到應(yīng)用。本文針對上述技術(shù)難點，將微尺度下電熱力與慣性力結(jié)合，提出了低g值慣性延時電熱MEMS S&A裝置。

1 MEMS S&A裝置驅(qū)動原理

本文所設(shè)計的MEMS S&A裝置主要由硅隔斷、齒輪組、平面扭簧以及電熱鎖銷機構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 MEMS S&A裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of MEMS S&A device

對于MEMS可動器件來說，通常需要制作2～3 μm的間隙來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)定滑動?？紤]到干法刻蝕的負(fù)載效應(yīng)，相應(yīng)器件的結(jié)構(gòu)層厚度一般不超過50 μm。本文所設(shè)計的裝置厚度達到300 μm，因此，對于高深寬比結(jié)構(gòu)來說，無法通過制作細(xì)微間隙來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的相互運動。針對上述技術(shù)難點，本文采用先刻蝕后填充的技術(shù)方案，即先利用干法刻蝕制作出282 μm的結(jié)構(gòu)間隙，然后將相應(yīng)直徑的微米橡膠球(蘇州納微科技股份公司的商用產(chǎn)品，微球直徑精度可以控制在±2 μm)填充在該間隙內(nèi)。采用該種設(shè)計方式，可以成功地實現(xiàn)高深寬比細(xì)微間隙的制作。此外280 μm直徑橡膠球的引入可以將齒輪與軸之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減小了摩擦力對系統(tǒng)帶來的影響。MEMS S&A裝置的驅(qū)動原理為：在無觸發(fā)信號時，鎖銷機構(gòu)將齒輪組鎖死，從而完成了對硅隔斷狀態(tài)的鎖定，確保了武器系統(tǒng)不會在勤務(wù)處理或跌落等情況下的誤解除保險。當(dāng)武器發(fā)射后，電熱鎖銷機構(gòu)在傳感信號的控制下首先解除對齒輪組的約束，此時，硅隔斷在慣性力的作用下開始運動?？紤]到低g值情況下慣性力的作用效果十分有限，因此，本設(shè)計引入了齒輪組來實現(xiàn)作用力的放大。平面扭簧機構(gòu)與齒輪組中的小齒輪相接觸，當(dāng)小齒輪轉(zhuǎn)動時便會撥動扭簧機構(gòu)往復(fù)運動。在上述周期性扭轉(zhuǎn)力的作用下，硅隔斷將緩慢移動。當(dāng)裝置中的硅隔斷對正后，電信號解除對鎖銷機構(gòu)的激勵，在結(jié)構(gòu)彈性回復(fù)力的作用下，電熱鎖銷機構(gòu)重新將齒輪組鎖死，此時系統(tǒng)便完成了相應(yīng)的解除保險動作。

2 MEMS S&A裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 MEMS S&A裝置電熱鎖銷設(shè)計

在微尺度效應(yīng)的影響下，電熱力的作用效果得到了大幅提升，因此基于電熱原理的驅(qū)動單元常被用于微尺度下對物體的精確控制。本文設(shè)計了相應(yīng)的電熱鎖銷機構(gòu)，并將其用于MEMS S&A裝置的一級解鎖。電熱鎖銷機構(gòu)采用了V型梁的布局方式，如圖2所示。

圖2 電熱鎖銷機構(gòu)Fig.2 The structure of electro-thermal lock

當(dāng)電流通過V型梁時，在V型梁的中點便會產(chǎn)生相應(yīng)的位移變形。由于器件在長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于截面方向的尺寸，故可以將其簡化為一維熱穩(wěn)態(tài)模型，此外，微尺度下熱量地傳遞主要以熱傳導(dǎo)的形式為主，忽略熱輻射與熱對流效應(yīng)[9]，則相應(yīng)模型可以用一維、穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程表示：

(1)

式(1)中，λ為硅的導(dǎo)熱系數(shù)，J為電流密度，ρ為電阻率，S為結(jié)構(gòu)的形狀因子，RT為V型梁底面與襯底之間的熱阻,Tr為參考溫度。

相應(yīng)的邊界條件為V型梁兩端的溫度與參考溫度相等，即：T(0)=T(L)=Tr。將上述邊界條件代入式(1)中，即可求出穩(wěn)態(tài)溫度分布T(x)。

V型梁產(chǎn)生熱變形出現(xiàn)在其中點位置，由于變形量較小，可以通過簡單幾何模型對其進行估算。 參考圖2所示的相關(guān)結(jié)構(gòu)，V型梁產(chǎn)生的熱膨脹變形d可以表示為：

(2)

式(2)中，α為硅的熱膨脹系數(shù)，ΔT為V型梁穩(wěn)態(tài)時的平均溫差。

2.2 MEMS S&A裝置延時機構(gòu)設(shè)計

對于低g值的發(fā)射環(huán)境而言，若沿用平面彈簧-質(zhì)量塊-Z型齒的延時模式[10-11]，則需要設(shè)計剛度系數(shù)極低的彈簧，不易實現(xiàn)制作。此外，在低慣性力的作用下，Z型齒與質(zhì)量塊容易出現(xiàn)相互卡死，造成器件失效。因此，本文中MEMS S&A裝置的延時機構(gòu)主要由齒輪組與平面扭簧組成，其中大齒輪分別與小齒輪以及硅隔斷相嚙合，平面扭簧的擺動端與小齒輪相互接觸。當(dāng)有慣性力作用時，硅隔斷帶動齒輪組運動，此時，小齒輪在平面扭簧周期性的撥動下消耗相應(yīng)的能量，從而實現(xiàn)對硅隔斷運動的延時。對上述各部件進行運動分析，如圖3所示。

圖3 延時機構(gòu)運動模型Fig.3 The dynamic model of delay mechanism

對于硅隔斷而言，其運動加速度為a，質(zhì)量為mr，所受慣性力與大齒輪作用力分別為Fs與Fg1，則運動方程可以表示為：

Fs-Fg1=mra

(3)

對大齒輪而言，其所受小齒輪的作用力為Fg2，若其半徑為R，轉(zhuǎn)動慣量為Jg1，角速度為ω1，則運動方程可以表示為：

(4)

對小齒輪而言，其所受平面扭簧的作用力為T，若其半徑為r，轉(zhuǎn)動慣量為Jg2，角速度為ω2，則運動方程可以表示為：

(5)

此外，上述機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)運動還需要滿足嚙合點處線速度相等，即：

ω1R=ω2r

(6)

(7)

將式(3)—式(7)聯(lián)立，可以得到硅隔斷在慣性力Fs作用下的加速度a的表達方程：

(8)

由式(8)可知，增大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量或提高平面扭簧的作用力都可以降低硅隔斷的運動加速度?？紤]到MEMS S&A裝置的質(zhì)量較小，通過增加齒輪轉(zhuǎn)動慣量所帶來的延時效果較為有限，因此，本文將通過優(yōu)化平面扭簧的剛度來實現(xiàn)機構(gòu)的有效延時。

平面扭簧力T可以表示為等效剛度ks與轉(zhuǎn)角θ(t)的乘積。在S&A裝置的工作時間中，可以認(rèn)為后坐力Fs保持不變，對式(8)進行二次積分，就可以得到硅隔板輸出位移D隨時間的變化：

(9)

當(dāng)0<{θ(t)/(2π/40)}≤0.5，即轉(zhuǎn)角處于小齒輪齒頂范圍時，平面扭簧起延時作用；當(dāng)0.5<{θ(t)/(2π/40)}≤1，即轉(zhuǎn)角處于小齒輪齒槽范圍時，平面扭簧不起作用，ksθ(t)=0，硅隔板將在恒定加速度下運動。

在臨界條件下，假設(shè)硅隔斷受大齒輪的力Fg1與其慣性力Fs相同，則經(jīng)過齒輪組放大，傳遞到平面扭簧的作用力為N×Fs，其中N為大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比?？紤]到制作的可實現(xiàn)性，齒輪模數(shù)取0.05，大齒輪與小齒輪齒數(shù)分別為100與40，此時N為2.5。在10g的環(huán)境力下，傳遞到平面扭簧上的力FT可以表示為：

FT=Nηmras

(10)

式(10)中，as為環(huán)境加速度，η為齒輪組的傳動效率，這里取0.96[12]。將硅隔斷等效為7 mm×3 mm×0.28 mm的矩形結(jié)構(gòu)，則通過式(10)可以計算出在10g環(huán)境力的作用下，傳遞到平面扭簧上的力為3 356 μN。若此時撥動端的變形超過其與小齒輪的重合長度40 μm，則可以認(rèn)為該平面扭簧的剛度可以實現(xiàn)延時功能，因此，所設(shè)計的平面扭簧剛度需要小于上述臨界剛度，就可以保證機構(gòu)的順利撥動。

3 MEMS S&A裝置仿真驗證

3.1 MEMS S&A裝置電熱鎖銷機構(gòu)仿真驗證

為了便于分析電熱鎖銷機構(gòu)的運動狀態(tài)，采用ANSYS軟件對其進行仿真，相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電熱鎖銷機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The parameters of electro-thermal lock

圖4為電熱鎖銷機構(gòu)在10 V直流電壓的激勵下，達到熱穩(wěn)態(tài)時的溫度分布結(jié)果。

圖4 電熱鎖銷機構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度分布Fig.4 The temperature distribution of electro-thermal lock

從圖4可以看出V型梁穩(wěn)態(tài)時的溫度分布呈現(xiàn)出良好的對稱性，其最高溫度為1 047.22 K，出現(xiàn)在V型梁的中部，最高溫度低于硅熔點1 683 K，因此電熱鎖銷機構(gòu)可以維持正常工作。梁的兩端錨點處與襯底相連，故其溫度與參考溫度300 K相同。V型梁的最大變形同樣出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中點，其數(shù)值為57.2 μm，大于鎖銷機構(gòu)與大齒輪之間的重合長度40 μm，說明本文所設(shè)計的電熱鎖銷機構(gòu)在10 V的特定電壓下，可以順利實現(xiàn)對齒輪組的解鎖。

當(dāng)無電信號激勵時，電熱鎖銷機構(gòu)與齒輪組相互鎖死，為確保所設(shè)計系統(tǒng)的安全性，需要對該結(jié)構(gòu)在勤務(wù)處理或跌落等條件下的響應(yīng)進行分析。由于電熱鎖銷機構(gòu)的尺寸較小，質(zhì)量不足硅隔斷的3%，因此，其在跌落條件下所受到的外力主要來自于硅隔斷的慣性力。大齒輪將硅隔斷所受的慣性力傳遞到電熱鎖銷機構(gòu)，若電熱鎖銷機構(gòu)所產(chǎn)生的變形超過其與大齒輪之間的重合長度40 μm，則整個MEMS S&A裝置將脫離安全狀態(tài)，此時系統(tǒng)失效。將上述零界點作為分析的邊界條件，相關(guān)的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 電熱鎖銷機構(gòu)跌落極限Fig.5 The falling test of electro-thermal lock

由圖5的分析結(jié)果可以看出，電熱鎖銷機構(gòu)在跌落中所發(fā)生的最大變形出現(xiàn)在其與大齒輪相互接觸的鎖銷結(jié)構(gòu)上，當(dāng)器件受到13 868g的加速度時，鎖銷結(jié)構(gòu)的變形達到40 μm的零界值，內(nèi)部最大的應(yīng)力達到4.8 GPa，接近硅材料的斷裂極限7 GPa，此時結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂紋，進而導(dǎo)致器件的失效。在實際運輸或勤務(wù)處理情況下，武器受到的慣性加速度通常在3～4g，即使在卡車內(nèi)部不固定，其加速度峰值也不超過300g[13]，遠(yuǎn)小于本設(shè)計的臨界值13 869g，因此，運輸與一般勤務(wù)處理不會對MEMS S&A裝置的性能帶來影響。武器跌落時所受到加速度與其跌落高度、跌落姿態(tài)以及碰撞目標(biāo)等都有很大關(guān)系[14]，如105 mm火炮榴彈從1.5 m高度處以水平姿態(tài)跌落至土堆上時，器件所受加速度為3 000g時，小于臨界值，但若跌落至鋼板上時，相應(yīng)加速度將達到80 000g[13]，此時便會造成器件的失效。本文所提出的MEMS S&A裝置主要用于低g值的發(fā)射環(huán)境，為了實現(xiàn)順利驅(qū)動，引入了較大質(zhì)量的隔板結(jié)構(gòu)，因此也降低了器件的抗過載能力(不超過10 000g)，但對于大多數(shù)勤務(wù)環(huán)境而言，本設(shè)計可以滿足相應(yīng)的使用需求。

3.2 MEMS S&A裝置延時機構(gòu)仿真驗證

平面扭簧為MEMS S&A裝置延時機構(gòu)中的關(guān)鍵元件，其相應(yīng)的參數(shù)如表2所示。

表2 平面扭簧結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 The parameters of plane torsion spring

將相關(guān)參數(shù)代入ANSYS軟件中進行分析，相關(guān)結(jié)果如圖6所示。當(dāng)平面扭簧的撥動端受到1 200 μN的作用力時，結(jié)構(gòu)的最大變形為45.6 μm，大于其與小齒輪的重合長度，而其最大應(yīng)力僅為11.8 MPa，滿足延時功能的設(shè)計要求。上述平面扭簧擺動端至其圓心的距離為1 150 μm，因此等效剛度為3.48×10-5N·m/(°)。

圖6 平面扭簧運動仿真結(jié)果Fig.6 The simulation result of plane torsion spring

將所設(shè)計的硅隔斷、齒輪組以及平面扭簧導(dǎo)入ADAMS動力學(xué)仿真軟件中進行分析，硅隔板與邊框為滑動約束，并與齒輪組構(gòu)成耦合約束；平面扭簧的圓心設(shè)置為旋轉(zhuǎn)約束，并添加相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)彈簧系數(shù)；平面扭簧的擺動端與小齒輪設(shè)置成碰撞約束。仿真的結(jié)束時間為0.8 s，步數(shù)設(shè)置為1 500步[15]，選取硅隔斷上的點作為記錄點，當(dāng)器件受到10g環(huán)境力作用時，其速度以及位移的結(jié)果如圖7所示。

圖7 硅隔斷運動狀態(tài)仿真結(jié)果Fig.7 The motion result of silicon barrier

圖7(a)的虛線代表沒有添加平面扭簧約束時硅隔斷運動速度的變化?？梢钥闯?，硅隔斷在15 ms的時間內(nèi)達到最大的速度0.225 m/s，此后由于與器件外框碰撞，進而速度又迅速降至0 m/s；實線代表有平面扭簧約束時硅隔斷運動速度的變化，可以看出，硅隔斷的速度呈現(xiàn)出明顯的周期變化的特征：初始階段，由于平面扭簧與小齒輪之間存在結(jié)構(gòu)間隙，因此兩者之間無接觸約束，此時硅隔斷呈現(xiàn)加速運動狀態(tài)；當(dāng)小齒輪與平面扭簧接觸后，硅隔斷的速度迅速降低，在小齒輪轉(zhuǎn)至下一齒槽之前，硅隔斷的運動速度近似為0 m/s。

當(dāng)轉(zhuǎn)至下一齒槽時，平面扭簧再次與小齒輪脫離接觸，此時硅隔斷又呈現(xiàn)加速運動狀態(tài)。每個速度峰值以及峰值之間的時間間隔與平面扭簧的剛度以及小齒輪的齒形有關(guān)，具體到本文所選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)，速度峰值不超過0.16 m/s，峰值間隔為50 ms。當(dāng)運動560 ms后，硅隔斷與器件外框相接觸并到達所設(shè)計的解除保險位置。

圖7(b)為硅隔斷位移變化曲線，同樣可以看出，沒有平面扭簧的約束，硅隔斷會迅速到達解除保險位置(約1.5 mm)。相反，具有平面扭簧的約束，硅隔斷的位移則呈現(xiàn)階梯式的下降趨勢，每層階梯之間的間距約為40 μm，恰好為平扭簧與小齒輪之間的運動間隙。

綜合圖7的仿真結(jié)果可以看出，平面扭簧機構(gòu)的引入可以有效提升MEMS S&A裝置在低g值環(huán)境力作用下的延時效果，通過優(yōu)化平面扭簧的剛度與小齒輪的齒形，可以實現(xiàn)硅隔斷低速平穩(wěn)的運動。

4 結(jié)論

本文提出了低g值慣性延時MEMS S&A裝置。該裝置主要由硅隔斷、齒輪組、平面扭簧以及電熱鎖銷機構(gòu)組成。在無觸發(fā)信號時，鎖銷機構(gòu)將器件鎖死，確保了武器系統(tǒng)不會在勤務(wù)處理或跌落等情況下誤解除保險；當(dāng)武器發(fā)射后，電熱鎖銷機構(gòu)解除對齒輪組的約束，此時，硅隔斷在延時機構(gòu)以及慣性力的共同作用下開始緩慢運動直至到達解除保險位置。本文分別建立了電熱鎖銷機構(gòu)以及延時機構(gòu)的動力學(xué)模型，并通過ADAMS軟件與ANSYS軟件對相應(yīng)模型進行了驗證。結(jié)果表明，本文所設(shè)計的鎖銷機構(gòu)可以在10 V直流電壓的控制下輸出57.2 μm的位移，滿足相應(yīng)的解鎖要求。本文所設(shè)計的延時機構(gòu)可以在10g環(huán)境力(持續(xù)時間約700 ms)的作用下，實現(xiàn)560 ms的延時輸出，輸出位移達到1.5 mm。MEMS安全解除保險裝置的整體尺寸為10×10×0.28 mm，抗過載能力為10 000g。