非硅高g值微機械加速度開關設計基礎研究.pdf

1、針對引信電源所提出微型化、靈巧化以及實時快速準確響應供電的技術要求，本文以一種可與引信微型電源結合使用，且具有可識別中大口徑滑膛炮引信正常發(fā)射和勤務跌落兩種典型加速度環(huán)境、體積小、可靠性高、通電性能良好以及耐沖擊等特點的非硅高g值微機械加速度開關為研究對象，采用數(shù)值模擬計算與實驗相結合的研究方法，開展了雙閾值加速度環(huán)境識別機理、開關通電可靠性和通電性能技術研究。
　　首先，根據(jù)開關在整個生命周期中所受引信環(huán)境力的特點和針對開關提出

2、的性能要求，基于開關工作原理，建立了由環(huán)境識別模塊與通電模塊組成的物理模型，并對其進行了動力學、系統(tǒng)響應以及碰撞過程分析，確定采用曲線運動識別法進行開關的設計。從彈簧及其與質量塊的組合布置選型入手分析，結合數(shù)值模擬方法，分析各結構參數(shù)對開關性能的影響，進而設計了具有較好抗過載性能且可同時識別兩種典型加速度環(huán)境的牙型環(huán)境識別模塊、基于軟接觸電極設計的通電模塊以及相應的輔助功能部件，并對開關整體結構進行了瞬態(tài)數(shù)值分析，最終確定設計結構。根據(jù)

3、器件性能要求、加工周期、加工難易程度以及加工成本等因素，選取多層UV-LIGA(Ultraviolet Lithographie，Galvanoformung and Abformung)技術進行開關芯片的加工，封裝后芯片樣機的整體尺寸為11.43mm×11.43mm×2.05mm。
　　其次，分析了影響開關通電可靠性的各種因素，并從機械和電氣兩方面進行組合設計以提高開關的通電可靠性?；陔娙莩浞烹娫恚O計了相應的RC防抖電路以

4、去除因外部機械沖擊影響而可能出現(xiàn)的電壓抖動和瞬間中斷失效。針對開關進行了閉合過程、正常飛行以及碰擊目標三個模擬環(huán)境測試，且結果表明結合RC防抖電路的閉鎖機構可有效去除電壓抖動，能確保后續(xù)電路穩(wěn)定運行。同時，利用耐電流測試系統(tǒng)進行測試可知開關可承受1.8A的負載電流，滿足引信電路對電流的要求。
　　再次，從經典Hertz彈性、彈塑性以及塑性接觸理論入手，對微觀環(huán)境接觸電阻進行了分析研究，并對收縮電阻模型和薄膜電阻模型進行討論。首先對

5、單個微觸點進行研究，隨后通過分析接觸電極表面幾何形貌以及外界載荷，導出了具有工程實際應用意義的粗糙表面接觸電阻模型，并結合接觸力計算公式，獲得了接觸電阻-接觸力特性曲線?；跍y量所得表面幾何形貌，通過測試得到三種接觸機制下理論值和實驗值對應的接觸電阻-接觸力關系曲線吻合較好，可為后期基于UV-LIGA技術設計的微開關提供理論參考。另外，實驗結果表明開關閉合后的接觸電阻約為2Ω。
　　最后，對封裝后的高g值微機械加速度開關原理樣機進

6、行了動、靜態(tài)性能測試，研究了原理樣機的環(huán)境識別性能和抗沖擊性能。結果表明，開關可有效識別兩種典型加速度環(huán)境，即在模擬正常發(fā)射的空氣炮射實驗環(huán)境（幅值:3682g，脈寬:4ms）下可靠閉合，而在模擬勤務跌落的馬希特錘擊實驗環(huán)境（幅值:15300g，脈寬:133μs）下始終保持斷開，驗證了設計準確性;在模擬飛行環(huán)境和碰擊目標環(huán)境中，開關始終保持穩(wěn)定接通;利用馬希特錘擊系統(tǒng)進行了抗高過載性能沖擊實驗，結果表明開關在高沖擊環(huán)境下（幅值:3020