非硅高g值微機(jī)械加速度開關(guān)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究.pdf

1、針對(duì)引信電源所提出微型化、靈巧化以及實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確響應(yīng)供電的技術(shù)要求，本文以一種可與引信微型電源結(jié)合使用，且具有可識(shí)別中大口徑滑膛炮引信正常發(fā)射和勤務(wù)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(diǎn)的非硅高g值微機(jī)械加速度開關(guān)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，開展了雙閾值加速度環(huán)境識(shí)別機(jī)理、開關(guān)通電可靠性和通電性能技術(shù)研究。
　　首先，根據(jù)開關(guān)在整個(gè)生命周期中所受引信環(huán)境力的特點(diǎn)和針對(duì)開關(guān)提出

2、的性能要求，基于開關(guān)工作原理，建立了由環(huán)境識(shí)別模塊與通電模塊組成的物理模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)響應(yīng)以及碰撞過程分析，確定采用曲線運(yùn)動(dòng)識(shí)別法進(jìn)行開關(guān)的設(shè)計(jì)。從彈簧及其與質(zhì)量塊的組合布置選型入手分析，結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開關(guān)性能的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)了具有較好抗過載性能且可同時(shí)識(shí)別兩種典型加速度環(huán)境的牙型環(huán)境識(shí)別模塊、基于軟接觸電極設(shè)計(jì)的通電模塊以及相應(yīng)的輔助功能部件，并對(duì)開關(guān)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值分析，最終確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。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(shù)進(jìn)行開關(guān)芯片的加工，封裝后芯片樣機(jī)的整體尺寸為11.43mm×11.43mm×2.05mm。
　　其次，分析了影響開關(guān)通電可靠性的各種因素，并從機(jī)械和電氣兩方面進(jìn)行組合設(shè)計(jì)以提高開關(guān)的通電可靠性。基于電容充放電原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的RC防抖電路以

4、去除因外部機(jī)械沖擊影響而可能出現(xiàn)的電壓抖動(dòng)和瞬間中斷失效。針對(duì)開關(guān)進(jìn)行了閉合過程、正常飛行以及碰擊目標(biāo)三個(gè)模擬環(huán)境測(cè)試，且結(jié)果表明結(jié)合RC防抖電路的閉鎖機(jī)構(gòu)可有效去除電壓抖動(dòng)，能確保后續(xù)電路穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，利用耐電流測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試可知開關(guān)可承受1.8A的負(fù)載電流，滿足引信電路對(duì)電流的要求。
　　再次，從經(jīng)典Hertz彈性、彈塑性以及塑性接觸理論入手，對(duì)微觀環(huán)境接觸電阻進(jìn)行了分析研究，并對(duì)收縮電阻模型和薄膜電阻模型進(jìn)行討論。首先對(duì)

5、單個(gè)微觸點(diǎn)進(jìn)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(dǎo)出了具有工程實(shí)際應(yīng)用意義的粗糙表面接觸電阻模型，并結(jié)合接觸力計(jì)算公式，獲得了接觸電阻-接觸力特性曲線。基于測(cè)量所得表面幾何形貌，通過測(cè)試得到三種接觸機(jī)制下理論值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)的接觸電阻-接觸力關(guān)系曲線吻合較好，可為后期基于UV-LIGA技術(shù)設(shè)計(jì)的微開關(guān)提供理論參考。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開關(guān)閉合后的接觸電阻約為2Ω。
　　最后，對(duì)封裝后的高g值微機(jī)械加速度開關(guān)原理樣機(jī)進(jìn)

6、行了動(dòng)、靜態(tài)性能測(cè)試，研究了原理樣機(jī)的環(huán)境識(shí)別性能和抗沖擊性能。結(jié)果表明，開關(guān)可有效識(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境（幅值:3682g，脈寬:4ms）下可靠閉合，而在模擬勤務(wù)跌落的馬希特錘擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境（幅值:15300g，脈寬:133μs）下始終保持?jǐn)嚅_，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性;在模擬飛行環(huán)境和碰擊目標(biāo)環(huán)境中，開關(guān)始終保持穩(wěn)定接通;利用馬希特錘擊系統(tǒng)進(jìn)行了抗高過載性能沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明開關(guān)在高沖擊環(huán)境下（幅值:3020