非硅MEMS萬向慣性開關(guān)設(shè)計(jì)與動態(tài)可視化測試方法研究.pdf

1、針對智能彈藥與引信微小型化的發(fā)展需求及傳統(tǒng)萬向開關(guān)結(jié)構(gòu)存在體積大、閾值散布大、大著角作用可靠性低及響應(yīng)時(shí)間偏長等問題，本文旨在研制一種適用于引信環(huán)境、萬向敏感、響應(yīng)快速、閉合可靠、能抗高過載且尺寸微小、結(jié)構(gòu)簡易的MEMS萬向慣性開關(guān)，解決彈丸多種姿態(tài)碰擊目標(biāo)的發(fā)火可靠性問題。采用理論建模分析、數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，開展了MEMS萬向慣性開關(guān)的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動態(tài)特性以及測試方法研究。
　　(1)建立了多彈簧支撐多

2、向敏感開關(guān)的基本模型，推導(dǎo)了質(zhì)量塊在沖擊加速度下六自由度動力學(xué)方程，表明在多向敏感開關(guān)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動的出現(xiàn)以提高接觸的穩(wěn)定性和可靠性;建立了沖擊加速度下MEMS慣性開關(guān)柔性接觸過程中質(zhì)量塊與柔性電極未接觸、接觸及反彈分離三個(gè)運(yùn)動階段的動力學(xué)模型，揭示了影響接觸時(shí)間的關(guān)鍵因素為雙質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的耦合固有頻率（或電極剛度）;進(jìn)行了閾值加速度、系統(tǒng)響應(yīng)、彈簧彈性性能及氣膜阻尼特性研究，分析了系統(tǒng)參數(shù)和沖擊加速度載荷特性對開關(guān)性能的

3、影響。
　　(2)在開關(guān)性能理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合引信應(yīng)用環(huán)境，提出了MEMS萬向慣性開關(guān)的模塊化設(shè)計(jì)方法。總結(jié)歸納了萬向性、閉合閾值、快速響應(yīng)、可靠閉合、抗過載及小尺寸6個(gè)方面的性能指標(biāo)要求，確定了傳感、通電和控制三大功能模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容，并給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。
　　(3)設(shè)計(jì)了一種適用于引信環(huán)境，具有在半球面內(nèi)萬向敏感、響應(yīng)快速、閉合可靠及抗高過載等特點(diǎn)，采用多彈簧支撐單一圓形質(zhì)量塊，利用柔性電極變形延長接觸時(shí)間的非硅M

4、EMS萬向慣性開關(guān)。采用數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，優(yōu)化了開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了開關(guān)各向響應(yīng)、閾值、接觸、抗高過載特性及加速度適應(yīng)性等動態(tài)特性研究?；诙鄬覷V-LIGA工藝制作了開關(guān)樣機(jī)，并通過沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了開關(guān)可在半球面內(nèi)萬向敏感、響應(yīng)快速、接觸時(shí)間延長，抗高過載性能好，測試結(jié)果與仿真分析一致性較好，研制了可替代體積大、閾值散布大、大著角作用可靠性低及響應(yīng)時(shí)間偏長的引信傳統(tǒng)萬向開關(guān)的MEMS萬向慣性開關(guān)。
　　(4)針對

5、測試與仿真結(jié)果的誤差，對同一批次加工的多個(gè)開關(guān)樣機(jī)的大量結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了測量并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行了比較，從中掌握了工藝誤差規(guī)律;從UV-LIGA工藝過程的曝光、顯影與電鑄、腐蝕3個(gè)階段，分析了誤差產(chǎn)生機(jī)理，總結(jié)了減小工藝誤差方法;從單一結(jié)構(gòu)誤差、非對稱誤差及偏心誤差3個(gè)方面研究了工藝誤差對開關(guān)性能的影響，測試結(jié)果驗(yàn)證了開關(guān)工藝誤差的正確性及單一結(jié)構(gòu)誤差對開關(guān)閾值影響的正確性。
　　(5)基于傳統(tǒng)電測量方法無法表征MEMS慣性開關(guān)動態(tài)機(jī)械特

6、性的局限性，建立了一種用于高沖擊環(huán)境下微結(jié)構(gòu)瞬態(tài)運(yùn)動過程的可視化測量方法。搭建了高速光學(xué)測量系統(tǒng)平臺，并采用逆光照明方法及利用加速度計(jì)信號同步觸發(fā)高速攝像機(jī)及電測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了MEMS慣性開關(guān)高沖擊激勵、高幀率的非周期瞬態(tài)運(yùn)動的可視化測試。通過該方法驗(yàn)證了開關(guān)柔性接觸過程的設(shè)計(jì)思想以及止擋柱的位移約束性能，進(jìn)一步采用基于灰度矩的亞像素邊緣檢測算法，提取了圖像中開關(guān)結(jié)構(gòu)的邊緣，獲取了質(zhì)量塊的位移-時(shí)間曲線和柔性電極的變形，表征了開關(guān)在時(shí)域