惯性闭锁开关的结构设计与分析*

许马会，刘凤丽，郭 航

(1.沈阳理工大学 CAD/CAM技术研究与开发中心，辽宁 沈阳 110159； 2厦门大学 萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005)



惯性闭锁开关的结构设计与分析*

许马会1，2，刘凤丽1，郭 航2

(1.沈阳理工大学 CAD/CAM技术研究与开发中心，辽宁 沈阳 110159； 2厦门大学 萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005)

针对引信用电源系统开关的使用要求，设计一种可实现闭锁功能的微机械惯性接电开关，该接电开关能够保证在满足预设的条件时迅速闭合、闭合时间短、闭合过程稳定且能实现自锁，确保电源接通之后在复杂的弹道环境中，能够始终处于被接通状态,为引信电源系统提供技术支持。在正常发射加速度475～1 500 gn作用下，开关可实现稳定闭锁；在勤务处理中意外跌落加速度作用下，开关保持断开状态，并可以恢复至初始位置。在多物理场耦合下对开关进行响应分析，得出开关的加速度值与闭合时间基本呈线性分布，证明开关在达到预设的条件时迅速闭合，闭合过程稳定且能实现自锁。

引信电源； 闭锁开关； 响应分析； 多物理耦合

0 引 言

基于微机电系统(MEMS)技术的微机械惯性开关，拥有尺寸小、集成性好、重量小、功耗低、可批量生产以及抗过载能力强等特点[1，2]，因此被广泛应用在航空航天、汽车安全、消费电器、医疗器机械及武器系统等领域[3，4]。目前，引信中的MEMS开关主要有引爆开关和电源接通开关两类[5]。引爆开关主要是弹道末端感受目标信息并正确点火；电源接通开关主要在引信中使用，负责在发射后一段时间内正确地接通引信电源。用于引信电源的接电开关，既可以提高引信电源和引信后续电路的安全性，又可以保证引信电源能够被快速、持续地接通，确保引信电路可靠工作。研究引信用MEMS接电开关对实现引信的小型化及弹药系统的灵巧化和信息化有着重要的意义[6，7]。

针对引信用电源的接电开关的要求，本文设计了一种微机电惯性闭锁开关，该接电开关能够保证在满足预设的条件时迅速闭合、闭合时间短、闭合过程稳定且能实现自锁，确保电源在接通之后复杂的弹道环境中，能够始终处于被接通状态。开关还可以在各种勤务环境(意外跌落和震动)中都不闭合，保证引信电源平时勤务的安全。

1 闭锁开关的结构设计

1.1 整体结构

该开关釆用两端固定悬臂梁支撑结构，开关的断开和闭合结构如图1所示。

图1 开关断开和闭合Fig 1 Switch off and on

可动电极可以在冲击加速度作用下与底部电极接触实现闭合，开关导通。当开关受到勤务处理意外跌落和加速度脉冲作用时，可动极板往上运动，使两卡销脱离，开关保持断开状态。由于基于静电原理的自锁也不足以承受引信发射时的高过载冲击，可能会使开关出现导通中断现象，使武器系统出现瞎火等故障[8]，故本次设计中增加了微型闭锁机构，该闭锁机构锁定后，即使在高速旋转所产生的离心力作用下，仍能够保持这种导通状态不出现中断，保证引信电源持续供电，使引信电源为引信电路提供连续的、稳定的电压或者电流。另一方面，接电触头间的导电面积比较大，开关保持导通状态的同时电阻较小，导通电流增大。在MEMS专用设计软件Coventorware中设定器件的加工工艺如表1所示。

表1 CoventorWare工艺设计流程

结合开关的工艺过程和掩膜板图形，得到开关的实体模型如图2所示。

图2 开关实体模型Fig 2 Switch solid model

1.2 工作原理

该开关安装在与弹轴平行方向，弹在沿y轴发射过程中，可动极板在惯性力的作用下沿y轴正方向快速移动，达到工作阈值后，可动极板和固定极板接触，开关导通，同时卡销搭接，保持电极的持续接触。载荷消失后，可动极板恢复至初始位置，保证了开关可以多次识别意外跌落情况，在正常发射情况下顺利完成开关的闭锁。

2 结构分析与优化

2.1 结构分析

开关采用硅衬底，相对介电常数εr=11.9,衬底厚度50 μm。同时为了减少传输线的导体损耗,选用金作为导体材料,金的电导率为4.2×107S/m,厚度为20 μm。开关的闭合阈值不仅和开关的材料有关，而且还和开关的结构尺寸、工艺过程紧密相关。

惯性驱动机构能够感受加速度冲击并迅速完成致动动作，惯性驱动机构一般可以抽象成如图3所示的弹簧—质量系统模型[9]。

图3 弹簧—质量系统物理模型Fig 3 Physical model for spring-mass system

由于可动电极由两端固定梁支持，忽略质量块的质量，故系统的刚度为

(1)

式中 km为单个悬臂梁的弹性系数；F为作用于悬臂梁末端的作用力；d为梁末端产生的位移；E为弹性模量1.6×105MPa；I为惯性矩；w为梁宽度50μm；t为梁厚度20μm；L为梁长度2 245μm。

当运动卡头和固定卡头接触后，可动卡头受力关系矢量图如图4所示。

图4 可动卡头受力关系矢量图Fig 4 Force relationship vectors of movable chuck

F为锁定机构所受惯性力，N1为固定卡头对可动卡头的正压力，Nf为运动卡头与固定卡头相对运动中受到的摩擦力，α为卡销夹角，F=N1cosα+Nfsinα。根据受力分析可得，使得可动卡头发生弯曲的力fx为惯性力在x方向的分力

fx=N1sinα-Nfcosα

(2)

设可动卡头在fx作用下产生的位移量为δx，要实现可靠的闭锁，卡头在x方向发生的位移要大于δm才能满足可动卡头与固定卡头搭接完成锁死,即δx要满足式(4)的要求[10]

(3)

式中 I为悬臂梁相对y轴的惯性矩，由式(3)可以得到fx要满足式(4)的要求

(4)

2.2 参数优化

固定卡销的长宽比是影响整个结构稳定的主要因素。长宽比越大，结构就越大，受振动的影响也越大，结构越不稳定。因此,固定卡销的长宽比越小越好，一般要求小于等于20[11]，此结构固定卡销初始长宽比为23.6大于20，因此,需要对此结构进行参数优化。优化之后结构的参数尺寸如表2所示。

将优化之后的数据代入式(2)、式(3)、式(4)，可得出

F=1 972 N

(5)

表2 优化后结构的参数尺寸

将F=1 972 N,ρ=1.93×10-14kg/μm3，v=2.11×106μm3代入式(5)，可得出能使固定卡销和运动卡销完全搭接的加速度a=493.2 gn，且固定卡销初始长宽比为14.1小于20，说明优化之后的结构设计的较合理，且结构稳定。当载荷增大时，结构的运动的最大位移也随之增大，两者呈线性关系，如图5所示。当载荷为475 gn时，结构运动的位移为68 μm，等于两接触极板的距离，两卡销正好完全搭接。这与理论计算值493.2 gn存在一定的误差，误差主要来源于设计中对弹簧弹性系数的近似取值，两值之间的误差为3.7 %。

图5 最大位移与载荷的关系Fig 5 Relationship between the maximum displacement and load

3 特性分析

3.1 模态分析

结构的动态特性分析主要包括模态分析和动力学分析。模态分析主要分析开关结构的易振动方向，它对结构的设计和优化有重要的指导作用。对开关进行模态分析得出的频率为开关的振动频率fn，它与固有频率之间满足一下关系[12]

(6)

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

结合Analyzer模块对悬臂梁的进行模态分析，结构的前三阶模态的振动形式和频率值如图6所示。

图6 开关模态图Fig 6 Modal of switch

从仿真结果中可以看出，开关的一阶模态沿着y轴方向振动是工作模态。当对结构加载负荷时，在y轴方向上容易发生变形，与其他模态频率相比相差较大，降低了交叉耦合的影响。将一阶模态振动频率的理论计算值1 054.6 Hz与仿真结果1 032.84 Hz对比，两者相对误差为2.1 %，在误差范围内(≤3 %)，满足仿真误差要求。

3.2 多物理场耦合下开关的动力学仿真

当开关受到惯性力的作用时，假设对开关输入周期为400 μs阈值为1 000 gn的半正弦加速度信号，如图7所示。然后对开关在静电力、惯性力、弹性力和阻尼力等多物理场耦合作用下的瞬态响应进行分析。开关的响应曲线图如图8所示。

图7 半正弦加速度信号Fig 7 Half sine acceleration signal

图8 开关响应曲线Fig 8 Switching response curve

当开关加速度以步长500 gn，从500 gn到3 000 gn变化时，开关闭合时的闭合时间分别为89.52,71.28,60.43,53.12,49.89 μs。图9为半正弦加速度与闭合时间的关系曲线，曲线基本上呈线性分布，证明开关在满足达到预设的条件时能迅速闭合，闭合过程稳定且能实现自锁。

图9 半正弦加速度阈值与闭合时间的关系曲线Fig 9 Curve of relationship between half-sine acceleration threshold and closing time

4 结 论

根据引信电源机械开关微型化要求，提出一种能够实现闭锁的MEMS微机械惯性接电开关。建立开关的制作工艺，对结构参数进行优化设计，得到开关位移与载荷间的关系。模态分析得到其工作模态与其他模态频率相比相差较大，降低交叉耦合的影响。对开关在多物理场下进行耦合瞬态响应分析，证明开关在满足达到预设的条件时迅速闭合，闭合过程稳定且能实现自锁。

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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

福建省高校产学合作项目(2015H6021)； 厦门市科技项目(3502Z1430030)； 国家“863”计划资助资助项目(2015AA042701)

TM 564.6

A

1000—9787(2016)11—0036—04

许马会(1986-)，女，山东菏泽人，博士研究生，研究方向为MEMS微小器件探测技术。

郭 航，通讯作者，Email：hangguo@xmu.edu.cn。