引信用MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)方法

　　目前應(yīng)用在航空航天、汽車電子和彈藥等領(lǐng)域上的開關(guān)有慣性開關(guān)和電子開關(guān)兩大類，電子開關(guān)易受干擾且電子開關(guān)一般要使用電子計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的關(guān)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(huì)較高。機(jī)械式慣性開關(guān)具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)的慣性開關(guān)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(shù)為基礎(chǔ)的MEMS開關(guān)不但體積小、響應(yīng)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(yīng)用于通信、宇航、自動(dòng)化儀器、汽車、軍事等領(lǐng)域，能夠大大降低系統(tǒng)成本，提高工作效率。引信用MEMS開關(guān)使用環(huán)境非常惡劣，和其他工程用MEMS開關(guān)不同，引信用MEMS開關(guān)要求抗高過載、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高以及體積小，有時(shí)還需要解決彈丸多種姿態(tài)碰擊目標(biāo)的發(fā)火可靠性問題以及慣性開關(guān)通用性的問題。《引信用MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)方法》針對特殊環(huán)境需求，開展了MEMS開關(guān)相關(guān)技術(shù)的研究。開關(guān)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(guān)的閉合與否以及閉合時(shí)間、閉合速度等開關(guān)狀態(tài)量，因此多場耦合下器件的物理級模型決定著開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間、閉合時(shí)間以及閾值范圍?！兑庞肕EMS開關(guān)設(shè)計(jì)方法》研究了MEMS開關(guān)的多物理場及耦合現(xiàn)象，針對不同的需求設(shè)計(jì)了3種MEMS開關(guān)模型，介紹了多彈性支撐環(huán)形分布式MEMS萬向慣性開關(guān)的加工工藝流程，研究了開關(guān)的檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)沖擊臺，該沖擊臺能夠通過增加緩沖墊達(dá)到增加加速度脈沖寬度的目的?！兑庞肕EMS開關(guān)設(shè)計(jì)方法》共分6章，第1章主要介紹《引信用MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)方法》的研究背景和研究意義。第2章對MEMS開關(guān)進(jìn)行分類，并且分析了引信用MEMS開關(guān)的特點(diǎn)。第3章針對懸臂梁式的MEMS慣性開關(guān)工作時(shí)受到多個(gè)物理場耦合作用的特點(diǎn)，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(jì)算靜電驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(diǎn)和適用性；建立慣性力和靜電力耦合作用下懸臂梁開關(guān)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(dǎo)出了在靜電力、慣性力耦合作用時(shí)，懸臂梁壓膜阻尼系數(shù)的計(jì)算公式。第4章分析了影響引信MEMS慣性開關(guān)性能的主要因素：開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間、閉合可靠性以及開關(guān)閉合瞬間的接觸電阻。第5章設(shè)計(jì)了3種不同的MEMS開關(guān)模型。針對引信用開關(guān)的通用性要求，基于靜電驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種具有閾值可調(diào)功能的懸臂梁開關(guān)，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(biāo)的打擊；針對引信用慣性開關(guān)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(guān)，研究了開關(guān)萬向性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建立了多物理場耦合作用下開關(guān)的動(dòng)力學(xué)控制方程，推導(dǎo)出加速度閾值和開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系表達(dá)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(guān)，研究了開關(guān)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)。第6章是對環(huán)形萬向慣性開關(guān)這一典型開關(guān)的測試技術(shù)介紹。

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