一种微机械碰撞开关控制装置转让专利
申请号 : CN201910766388.9
文献号 : CN110571069B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 陈荷娟 , 季兆伟 , 童辉 , 刘向磊 , 徐澍民 , 李智鹏
申请人 : 南京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种微机械碰撞开关控制装置,包括MEMS碰撞开关、发火控制电路构成的结构;MEMS碰撞开关是一个独立的结构,包含MEMS碰合开关S3和MEMS落地开关S4,位于头部机构中心的空腔内;发火控制电路和其他机构位于底部机构;弹丸主装药位于头部机构和底部机构中间;引信电源、爆炸序列位于底部机构,用导线将MEMS碰撞开关、爆炸序列串联于发火控制电路;MEMS碰撞开关控制的发火控制电路由引信电源、控制开关D1、充电开关D2、电子开关S1、短路开关S2、MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4、电容器C、爆炸序列中的电雷管组成;
其中,MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4并联连接构成MEMS碰撞开关,位于头部机构中心的空腔内;发火控制电路的其他元器件位于底部机构内,电路中爆炸序列的电雷管是爆炸序列的第一级火工品,当其上流过电流达到起爆阈值时会发生爆炸;弹丸主装药置于头部机构和底部机构中间,在壳体上留有导线的槽或孔,头部机构顶端密封;所述的发火控制电路是一个包含爆炸序列的电雷管的引信专用发火控制电路,其中,引信电源、电容器C、控制开关D1、充电开关D2构成供电回路;控制开关D1的一端接引信电源正极,另一端接充电开关D2;电容器C正极接充电开关D2,负极接“地”端,短路开关S2是爆炸序列的电雷管的安全开关,位于底部机构内,控制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号VA,电子开关S1是一个延时开关,其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号VB,VB是一个延时脉冲信号,电子开关S1一端接电容器C负极,另一端接短路开关S2与电雷管的并联端;所述的发火控制电路中的控制开关闭合顺序是:控制开关D1、充电开关D2、短路开关S2、电子开关S1、MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4;其特征在于:所述的MEMS碰撞开关由MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4并联连接构成,是基于MEMS工艺制造的常开型微机械开关模块;MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4结构相同,都是薄层结构,包含方形绝缘衬底、柔性斜支撑动电极、固定电极,柔性斜支撑动电极和固定电极位于方形绝缘衬底中央,其中,固定电极在柔性斜支撑动电极内中心位置,但是作用阈值不同,MEMS碰合开关S3的闭合阈值高于MEMS落地开关S4,前者依靠碰装甲时目标反作用力KM闭合,而后者依靠落地时地面介质反作用力KL闭合;所述的柔性斜支撑动电极,包含块形支撑座、柱形弹簧、限位销、质量块结构,材料均为导电金属;其中,质量块是一个有多个平衡孔的圆盘,外圆间隔设计了6个半圆缺口和6个凸起; 6个限位销,固定在方形绝缘衬底上,分别对准质量块外圆的半圆缺口,它们起限制质量块大位移运动的作用;共有6个柱形弹簧,其两端分别连接质量块上凸起、块形支撑座,使质量块悬空于方形绝缘衬底上方;块形支撑座固定于方形绝缘衬底上,将其中的一个块形支撑座接一个连接条,连接条与发火控制电路的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的d端连接。
2.根据权利要求1所述的一种微机械碰撞开关控制装置,其特征在于:所述的固定电极,包含支撑座、螺旋盘簧、齿形导电环、连接条,材料均为导电金属;其中,支撑座固定在方形绝缘衬底上,位于质量块的中心,通过螺旋盘簧连接齿形导电环,连接条与发火控制电路的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的e端连接。
3.根据权利要求1所述的一种微机械碰撞开关控制装置,其特征在于:所述的微机械碰撞开关中心轴与弹轴重合,柱形弹簧不在径向线的延长上,而是斜置于质量块外侧,柱形弹簧中心轴与径向线的夹角为锐角α;设计6个半圆缺口的弧半径85微米,限位销半径为60微米,限位间隙大于径向接触间隙,可以满足限制质量块受到过大冲击时产生过大位移和旋转;齿形导电环的外圆有16个齿,厚为15微米,内圆直径为380微米,与质量块环隙为80微米;螺旋盘簧线宽为10微米、厚为30微米;当MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的质量块受到碰装甲时目标反作用力KM或落地时地面介质反作用力KL作用,则MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合。
说明书 :
一种微机械碰撞开关控制装置
技术领域
背景技术
配用于破甲弹。破甲弹是一种以聚能效应形成的金属射流穿透装甲目标的炮弹,是对付坦
克、装甲车和土木工事等的有效武器,可配用于加农炮、榴弹炮、火箭筒、无后坐力炮等,在
直射和有效射程内射角很小,不可能百分之百地命中装甲目标,多数情况下弹丸落于装甲
目标附近地面,着落时往往还会出现擦地现象。引信是配用于破甲弹的一种利用目标信息
和环境信息在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制系统。为了保证破甲弹碰击装
甲目标和落地时都能够可靠爆炸,杀伤随进人员,要求引信具有极高的触发灵敏度。
武器效能得不到充分发挥,给部队训练也带来一定的困难。随着装甲防护技术的进一步提
高,复合装甲、第三代反坦克武器的相继出现,上世纪九十年代发展了一种利用机电技术的
储电式机电引信,代替压电引信,增加了擦地炸功能,如美国M764机电引信、我国的DRD系列
储电式机电引信。
地面反作用力直接作用的刚性支撑碰撞开关,有针刺火帽式惯性触发、带碰合开关电源控
制式、电源风帽控制结构式、风帽‑销状极结构碰合开关式、弹簧‑质量块式等多种结构。发
火控制电路由储能电容器、带短路开关的电雷管、碰合开关等组成。储能电容器的充、放电
受引信电源、短路开关、碰合开关、落地开关控制,引信电源在膛内为储能电容器充电,平时
短路开关闭合、在出炮膛几十米的飞行弹道上打开,碰目标时碰合开关闭合或落地时落地
开关闭合此时储能电容器才能放电,然后,电雷管爆炸,依次引爆弹丸。
合)线上。由于只能在偏离引信轴的很小角度内擦地发火,这种擦地炸装置的各向灵敏度一
致性较差,其它方向发火性能很差,降低了破甲弹引信的小落角擦地炸性能。弹丸落地碰击
的姿态随意性很大,以上置于引信头部的刚性支撑碰撞开关难以敏感任意方向地面介质反
作用力。由于开关在头部不能使引信结构全密封,造成引信总体设计密封的问题。
集成化的发展趋势,利用MEMS制造技术设计的MEMS开关在引信中应用备受关注。目前,引信
中使用的MEMS开关都是MEMS惯性开关,利用弹簧‑质量块系统振动原理闭合或断开,感知加
速度产生的惯性力(也称后坐力),质量块受惯性力运动的方向与加速度方向相反。近年来,
随着结构小型化和模块化的发展需要,引信技术领域出现了多种基于MEMS工艺制造的MEMS
惯性开关,最早出现的MEMS惯性开关,是一种单自由度的MEMS惯性开关,敏感一个方向的惯
性力,后来出现了MEMS万向惯性开关。例如,中国发明专利“一种可识别载荷方位区间的
MEMS万向惯性开关”(专利号:CN107359057A,南京理工大学席占稳等),可动电极是一个多
个径向弹簧支撑的环形质量块,中心轴水平方向、轴方向设计多个固定电极,可以构成多个
并联连接惯性开关,敏感径向、轴向的加速度载荷。美国发明专利US8237521 B1也设计了一
种置于轴线上的多方向敏感MEMS加速度开关,将内侧由一个盘簧支撑的圆环形质量快作为
可动电极,周向均匀设置8个质量块、轴向的盖板作为固定电极,闭合,质量块外侧(外侧圆)
与固定电极闭合,可以构成9个并联连接的惯性开关,实现径向和轴向多方向敏感加速度作
用。这两个例子的MEMS惯性开关都是采用柔性支撑动电极、刚性固定电极。专利
CN107359057A是在圆环形质量快外侧径向线的延长线上设计了柱弹簧支撑动柱,专利
US8237521柔性支撑动电极是在圆环形质量快内侧设计了一个阿基米德螺线型盘簧作支
撑。
极,密封性差,闭合过程较长,接电稳定性差;MEMS万向惯性开关电极闭合的力阈值峰值小、
作用时间较长,飞行和落地环境力学特征差别小,容易造成早炸事故。
发明内容
题。
6中心的空腔内;发火控制电路2和其他机构位于底部机构3;弹丸主装药4位于头部机构6和
底部机构3中间;引信电源21、爆炸序列5位于底部机构3,用导线将MEMS碰撞开关1、爆炸序
列5串联于发火控制电路2。
的电雷管22组成;其中,MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4 并联连接构成MEMS碰撞开关1,
位于头部机构6中心的空腔内;发火控制电路2的其他元器件位于底部机构3内,电路中的电
雷管22是爆炸序列7的第一级火工品,当其上流过电流达到起爆阈值时会发生爆炸;弹丸主
装药4置于头部机构6和底部机构3中间,在壳体(也称引信本体)上留有导线的槽或孔(图1
中未画出);头部机构6顶端密封。
一端接引信电源1正极,另一端接充电开关D2;电容器C正极接充电开关D2,负极接“地”端
(通常接引信壳体);短路开关S2是爆炸序列5的电雷管22的安全开关,位于底部机构3内,控
制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号VA(对应弹丸出炮口后安全距离位置);电
子开关S1是一个延时开关,其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号
VB,VB是一个延时脉冲信号(比VA晚出现,对于弹丸出炮口后大于安全距离位置);S1一端接
电容器C负极,另一端接S2与电雷管(3)的并联端。
底7、柔性斜支撑动电极8、固定电极9。柔性斜支撑动电极8和固定电极9位于方形绝缘衬底8
中央,其中,固定电极10在柔性斜支撑动电极9内中心位置。但是作用阈值不同,MEMS碰合开
关S3的闭合阈值高于MEMS落地开关S4,前者依靠碰装甲时目标反作用力KM闭合,而后者依
靠落地时地面介质反作用力KL闭合。
另一物体时受到另一个物体时所受的作用力是碰撞力,属于瞬时力,碰撞力值很大、作用时
间极短。因此,本发明将MEMS碰撞开关设计在引信结构内部,尺寸很小,也有利于引信结构
的密封。
设计了6个半圆缺口841和6个凸起842及6个限位销83,固定在方形绝缘衬底7上,分别对准
质量块84外圆的半圆缺口841,它们起限制质量块84大位移运动的作用;共有6个柱形弹簧
82,其两端分别连接质量块84上凸起842、块形支撑座81,使质量块84悬空于方形绝缘衬底7
上方;块形支撑座81固定于方形绝缘衬底7上,将其中的一个块形支撑座81接一个长连接条
85,长连接条85与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的d端连接。
簧92连接齿形导电环93。短连接条94与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关
S4的e端连接。
弧半径85微米,限位销93半径为60微米,限位间隙大于径向接触间隙,可以满足限制质量块
84受到过大冲击时产生过大位移和旋转。齿形导电环93的外圆有16个齿,厚为15微米,内圆
直径为380微米,与质量块84环隙为80微米。螺旋盘簧92线宽为10微米、厚为30微米。当MEMS
碰合开关S3或MEMS落地开关S4的质量块84受到碰装甲时目标反作用力KM或落地时地面介
质反作用力KL作用,则MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合。
作用可靠性。
具体实施方式
说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护
范围。
关S3和MEMS落地开关S4,位于头部机构6中心的空腔内;发火控制电路2和其他机构位于底
部机构3;弹丸主装药4位于头部机构6和底部机构3中间;引信电源21、爆炸序列5位于引信
底部机构3。用导线将MEMS碰撞开关1、爆炸序列5串联于发火控制电路2。
电雷管22组成。其中,MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4 并联连接构成MEMS碰撞开关1,位
于头部机构6中心的空腔内;发火控制电路1的其他元器件位于底部机构3内,电路中爆炸序
列5的电雷管22是爆炸序列5的第一级火工品,当其上流过电流达到起爆阈值时会发生爆
炸;弹丸主装药4置于头部机构6和底部机构3中间,在壳体(也称引信本体)上留有导线的槽
或孔(图1中未画出);头部机构6顶端密封。
端接引信电源21正极,另一端接充电开关D2;电容器C正极接充电开关D2,负极接“地”端
(通常接引信壳体);短路开关S2是爆炸序列5的电雷管22的安全开关,位于底部机构3内,控
制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号VA(对应弹丸出炮口后安全距离位置);电
子开关S1是一个延时开关,其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号
VB,VB是一个延时脉冲信号(比VA晚出现,对于弹丸出炮口后大于安全距离位置);电子开关
S1一端接电容器C负极,另一端接短路开关S2与电雷管22的并联端。
薄层结构,包含方形绝缘衬底7、柔性斜支撑动电极8、固定电极9。柔性斜支撑动电极8和固
定电极9位于方形绝缘衬底7中央,其中,固定电极9在柔性斜支撑动电极8内中心位置。但是
作用阈值不同,MEMS碰合开关S3的闭合阈值高于MEMS落地开关S4,前者依靠碰装甲时目标
反作用力KM闭合,而后者依靠落地时地面介质反作用力KL闭合。
半圆缺口841和6个凸起842;6个限位销83,固定在方形绝缘衬底7上,分别对准质量块84外
圆的半圆缺口841,它们起限制质量块84大位移运动的作用;共有6个柱形弹簧82,其两端分
别连接质量块84上凸起842、块形支撑座81,使质量块84悬空于方形绝缘衬底7上方;块形支
撑座81固定于方形绝缘衬底7上,将其中的一个块形支撑座81接一个长连接条85,长连接条
85与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的d端连接。
簧92连接齿形导电环93。短连接条94与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关
S4的e端连接。
口841的弧半径85微米,限位销83半径为60微米,限位间隙大于径向接触间隙,可以满足限
制质量块84受到过大冲击时产生过大位移和旋转。齿形导电环93的外圆有16个齿,厚为15
微米,内圆直径为380微米,与质量块84环隙为80微米。螺旋盘簧 线宽为10微米、厚为30
微米。当MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的质量块94受到碰装甲时目标反作用力KM或落
地时地面介质反作用力KL作用,则MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合。
2的控制开关D1闭合;在炮口处,其他机构X输出F3(远远小于F2),使充电开关D2闭合,此时
电路导通电容器C立即充电到要求的电压值(一般起爆电压为12~25V)。弹丸飞离炮口,到
达一个安全距离(由战术技术指标规定的距离,一般为几十到几百米)时,其他机构X输出
VA,使短路开关S2断开,解除电雷管22的短路状态,但此时因电子开关S1未闭合,即使MEMS
碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合,电路不会导通,电容器C不能放电,即电雷管22上不会
有电流流过,所以,电雷管22不会爆炸是“安全”的。弹丸飞行到远距离解除保险距离时,其
他机构X输出远距离解除保险信号VB,电子开关S1闭合,一旦MEMS碰合开关S3或MEMS落地开
关S4闭合,电容器C就放电,电路就会导通,电雷管22上就有电流流过。因此,此时电雷管22
由“安全”状态转为“待发”状态。
接通,电容器C很快放电,电雷管22上电流立刻达到起爆电流而爆炸。