引信用MEMS開關設計方法

　　目前應用在航空航天、汽車電子和彈藥等領域上的開關有慣性開關和電子開關兩大類，電子開關易受干擾且電子開關一般要使用電子計時器，計時器的關鍵部件為石英晶體或晶體振蕩器。普通的石英晶體在高過載情況下易受損，若采用特殊的抗沖擊晶體成本會較高。機械式慣性開關具有成本低、抗干擾能力強的特點。但是，傳統(tǒng)的慣性開關采用的是彈簧和質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，體積較大而且由于加工和裝配誤差，彈簧的一致性很難保證，造成閾值的散布范圍大，可靠性和安全性不高。以MEMS技術為基礎的MEMS開關不但體積小、響應快、能夠捕捉微弱的信號，而且工藝性能好，適合批量生產(chǎn)，可以廣泛應用于通信、宇航、自動化儀器、汽車、軍事等領域，能夠大大降低系統(tǒng)成本，提高工作效率。引信用MEMS開關使用環(huán)境非常惡劣，和其他工程用MEMS開關不同，引信用MEMS開關要求抗高過載、抗干擾能力強、靈敏度高以及體積小，有時還需要解決彈丸多種姿態(tài)碰擊目標的發(fā)火可靠性問題以及慣性開關通用性的問題。《引信用MEMS開關設計方法》針對特殊環(huán)境需求，開展了MEMS開關相關技術的研究。開關在閉合的瞬間，系統(tǒng)的靜電力、彈性力、慣性力、阻尼力等多種物理場耦合作用的結(jié)果直接決定開關的閉合與否以及閉合時間、閉合速度等開關狀態(tài)量，因此多場耦合下器件的物理級模型決定著開關的響應時間、閉合時間以及閾值范圍?！兑庞肕EMS開關設計方法》研究了MEMS開關的多物理場及耦合現(xiàn)象，針對不同的需求設計了3種MEMS開關模型，介紹了多彈性支撐環(huán)形分布式MEMS萬向慣性開關的加工工藝流程，研究了開關的檢測技術，設計了一種試驗沖擊臺，該沖擊臺能夠通過增加緩沖墊達到增加加速度脈沖寬度的目的。《引信用MEMS開關設計方法》共分6章，第1章主要介紹《引信用MEMS開關設計方法》的研究背景和研究意義。第2章對MEMS開關進行分類，并且分析了引信用MEMS開關的特點。第3章針對懸臂梁式的MEMS慣性開關工作時受到多個物理場耦合作用的特點，分別分析了結(jié)構(gòu)場（彈性力）、靜電場（靜電力）以及外部的體積力場（慣性力）的特性；給出計算靜電驅(qū)動懸臂梁結(jié)構(gòu)變形的3種方法，即等效剛度法、模態(tài)疊加法和有限元反饋法；分別應用等效剛度法和有限元反饋法求解靜電力作用下懸臂梁的變形特性，并比較3種方法的優(yōu)缺點和適用性；建立慣性力和靜電力耦合作用下懸臂梁開關擠壓膜阻尼模型，引入表征流體性能的雷諾方程，建立懸臂梁的流一固耦合模型，推導出了在靜電力、慣性力耦合作用時，懸臂梁壓膜阻尼系數(shù)的計算公式。第4章分析了影響引信MEMS慣性開關性能的主要因素：開關的響應時間、閉合可靠性以及開關閉合瞬間的接觸電阻。第5章設計了3種不同的MEMS開關模型。針對引信用開關的通用性要求，基于靜電驅(qū)動原理，設計了一種具有閾值可調(diào)功能的懸臂梁開關，滿足了引信零部件通用性的要求，可以適用彈丸對不同目標的打擊；針對引信用慣性開關萬向性的要求，提出了一種多彈性支撐的環(huán)形萬向慣性開關，研究了開關萬向性的結(jié)構(gòu)設計；建立了多物理場耦合作用下開關的動力學控制方程，推導出加速度閾值和開關結(jié)構(gòu)參數(shù)的關系表達式；針對低g的要求，提出了一種螺旋線狀懸臂梁支撐的低g值慣性開關，研究了開關的瞬態(tài)動力學。第6章是對環(huán)形萬向慣性開關這一典型開關的測試技術介紹。

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