非硅MEMS萬向慣性開關設計與動態(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)萬向開關結構存在體積大、閾值散布大、大著角作用可靠性低及響應時間偏長等問題，本文旨在研制一種適用于引信環(huán)境、萬向敏感、響應快速、閉合可靠、能抗高過載且尺寸微小、結構簡易的MEMS萬向慣性開關，解決彈丸多種姿態(tài)碰擊目標的發(fā)火可靠性問題。采用理論建模分析、數(shù)值模擬計算與實驗相結合的研究方法，開展了MEMS萬向慣性開關的設計方法、結構設計、動態(tài)特性以及測試方法研究。
　　(1)建立了多彈簧支撐多

2、向敏感開關的基本模型，推導了質(zhì)量塊在沖擊加速度下六自由度動力學方程，表明在多向敏感開關設計中應盡量避免質(zhì)量塊轉動的出現(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運動階段的動力學模型，揭示了影響接觸時間的關鍵因素為雙質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的耦合固有頻率（或電極剛度）;進行了閾值加速度、系統(tǒng)響應、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性能的

3、影響。
　　(2)在開關性能理論研究的基礎上，結合引信應用環(huán)境，提出了MEMS萬向慣性開關的模塊化設計方法?？偨Y歸納了萬向性、閉合閾值、快速響應、可靠閉合、抗過載及小尺寸6個方面的性能指標要求，確定了傳感、通電和控制三大功能模塊的設計內(nèi)容，并給出了系統(tǒng)的設計流程。
　　(3)設計了一種適用于引信環(huán)境，具有在半球面內(nèi)萬向敏感、響應快速、閉合可靠及抗高過載等特點，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間的非硅M

4、EMS萬向慣性開關。采用數(shù)值模擬計算與實驗相結合的研究方法，優(yōu)化了開關結構設計，進行了開關各向響應、閾值、接觸、抗高過載特性及加速度適應性等動態(tài)特性研究。基于多層UV-LIGA工藝制作了開關樣機，并通過沖擊試驗驗證了開關可在半球面內(nèi)萬向敏感、響應快速、接觸時間延長，抗高過載性能好，測試結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時間偏長的引信傳統(tǒng)萬向開關的MEMS萬向慣性開關。
　　(4)針對

5、測試與仿真結果的誤差，對同一批次加工的多個開關樣機的大量結構尺寸進行了測量并與設計值進行了比較，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個階段，分析了誤差產(chǎn)生機理，總結了減小工藝誤差方法;從單一結構誤差、非對稱誤差及偏心誤差3個方面研究了工藝誤差對開關性能的影響，測試結果驗證了開關工藝誤差的正確性及單一結構誤差對開關閾值影響的正確性。
　　(5)基于傳統(tǒng)電測量方法無法表征MEMS慣性開關動態(tài)機械特

6、性的局限性，建立了一種用于高沖擊環(huán)境下微結構瞬態(tài)運動過程的可視化測量方法。搭建了高速光學測量系統(tǒng)平臺，并采用逆光照明方法及利用加速度計信號同步觸發(fā)高速攝像機及電測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了MEMS慣性開關高沖擊激勵、高幀率的非周期瞬態(tài)運動的可視化測試。通過該方法驗證了開關柔性接觸過程的設計思想以及止擋柱的位移約束性能，進一步采用基于灰度矩的亞像素邊緣檢測算法，提取了圖像中開關結構的邊緣，獲取了質(zhì)量塊的位移-時間曲線和柔性電極的變形，表征了開關在時域