一种多物理场解保MEMS安保装置，包括衬底层、安保机构层及盖板层，三层装配成一体；衬底层的加速度膛与盖板层的传爆药处于固定对正状态，安保机构层中的起爆药装填在金属隔板中，安全状态下起爆药与加速度膛及传爆药处于不对正状态；安保机构层的质量块在衬底层的后坐机构衬底与盖板层的球锁机构槽之间，并在质量块上表面放有不锈钢球；安全状态下，隔板被电热执行器与后坐机构限制，加速度膛的顶部被金属隔板遮盖，起爆药与传爆药处于不对正状态，飞片无法起爆；在解保状态下，加速度膛、起爆药及传爆药处于同一轴线上，飞片起爆起爆药、传爆药，完成起爆序列能量的传递；本发明具有多物理场解保、高隔爆强度、抗高过载、智能化控制等特点。
1.一种多物理场解保MEMS安保装置，包括由下而上设置的衬底层(100)、安保机构层(200)及盖板层(300)，三层装配成一体；其特征在于：衬底层(100)的加速度膛(101)与盖板层(300)的传爆药(302)处于固定对正状态，安保机构层(200)中的起爆药(214)装填在金属隔板(213)中，安全状态下起爆药(214)与加速度膛(101)及传爆药(302)处于不对正状态；
安保机构层(200)的质量块(219)在衬底层(100)的后坐机构衬底(102)与盖板层(300)的球锁机构槽(307)之间，并在质量块(219)上表面放有不锈钢球(303)；
所述的衬底层(100)为硅单层结构，在其上设置的加速度膛(101)为通孔结构，加速度膛(101)与盖板层(300)中的传爆药(302)在同一轴线上，加速度膛(101)的顶部在安全状态下被安保机构层(200)中的金属隔板(213)遮盖，在解保状态下与安保机构层(200)中的起爆药(214)对正；衬底层(100)中设置的后坐机构衬底(102)为凹槽结构，与安保机构层(200)中的质量块(219)对正；
所述的安保机构层(200)采用SOI硅片，SOI硅片分为顶硅(201)和底硅(202)；顶硅(201)中设置有隔板滑道(203)，隔板滑道(203)的中间布置有隔板(Ⅰ)，隔板(Ⅰ)左侧与电热执行器(Ⅱ)配合，隔板(Ⅰ)右侧与后坐机构(Ⅲ)配合；安保机构层(200)的左侧两端设置有电热执行器驱动电极(204)，安保机构层(200)的右侧两端设置有后坐机构反馈电极(205)；
电热执行器(Ⅱ)位于顶硅(201)中，在电热执行器(Ⅱ)底部的底硅(202)中设置有绝热腔(206)；
所述的后坐机构(Ⅲ)由弹性梁(218)与质量块(219)组成，弹性梁(218)为设置在顶硅(201)上的宽梁，弹性梁(218)固定端连接在顶硅(201)上，弹性梁(218)活动端连接质量块(219)；在质量块(219)左侧设置有后坐机构锁销(220)，弹性梁(218)上方设置有金属应变片(221)；
所述的盖板层(300)包括盖板基板(301)，传爆药(302)及不锈钢球(303)；盖板基板(301)为硅材质，在其四个角分别设置了电极引出窗(304)；盖板基板(301)的左侧设置有电热执行机构观察窗(305)，中间位置处设置有传爆药腔(306)用于填装传爆药(302)，右侧设置有球锁机构槽(307)，球锁机构槽(307)在后坐机构(Ⅲ)的质量块(219)上方对应位置处，质量块(219)上表面与球锁机构槽(307)将不锈钢球(303)封装在内部，不锈钢球(303)被球锁机构槽(307)顶部的安全限位槽(308)及解保限位槽(309)限制在不同位置处。
2.根据权利要求1所述的一种多物理场解保MEMS安保装置，其特征在于：所述的隔板(Ⅰ)四角处设置的滑块(207)与隔板滑道(203)相配合，隔板(Ⅰ)左侧边沿设置的电热执行机构锁槽(208)和电热执行器(Ⅱ)配合，隔板(Ⅰ)右侧边沿设置的后坐机构锁槽(209)和后坐机构(Ⅲ)配合，隔板(Ⅰ)中间部分为硅隔板(210)，其中间开有装药孔(211)，隔板(Ⅰ)的背部设置的金属隔板安装框(212)用于安装金属隔板(213)，金属隔板(213)和硅隔板(210)组成复合隔板结构；金属隔板(213)的中间位置处安装有起爆药(214)；隔板(Ⅰ)上设置有S型微弹簧(215)，S型微弹簧(215)顶部与顶硅(201)相连。
3.根据权利要求1所述的一种多物理场解保MEMS安保装置，其特征在于：所述的电热执行器(Ⅱ)包括多组V型硅梁(216)，V型硅梁(216)两端固定连接到顶硅(201)上并通过电热执行器驱动电极(204)施加电压，V型硅梁(216)的中间位置处设置有电热执行机构锁销(217)。
一种多物理场解保MEMS安保装置
技术领域
[0001] 本发明涉及安保装置技术领域，具体涉及一种多物理场解保MEMS安保装置。
背景技术
[0002] 安保装置是武器装备系统中控制爆炸能力传递的核心部件，是武器弹药中重要的组成部件，在安全状态下，可以阻隔意外爆轰能量的传递，在解保状态下，可以使起爆序列能量顺利传递。安保装置通常采用可动隔板结构来实现对武器弹药状态的控制，其性能影响着整个武器装备系统的安全性及可靠性。因此，结合MEMS技术的优势，发展具有驱动智能化、结构微型化及序列集成化特点的新一代MEMS安保装置技术已经成为国防发展的重要需求。
[0003] MEMS安保装置功能的实现主要依托于可动隔板可靠的条件解保，当前驱动隔板的主要方式有惯性驱动、电热驱动及电磁驱动。惯性驱动依靠弹药飞行过程中的环境力信息对安保装置的解保条件进行判断，具有较高的可靠性与安全性，但为被动解保，智能化程度较低；电热驱动及电磁驱动方式虽然可以通过电信号实现对安保装置状态的主动化智能控制，但是其安全性及可靠性比惯性驱动相对较低。
[0004] 现有的MEMS安保装置难以实现在保证其高安全及可靠性的同时，提高其智能化程度。
发明内容
[0005] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种多物理场解保MEMS安保装置，具有多物理场解保、高隔爆强度、抗高过载、智能化控制等特点。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 一种多物理场解保MEMS安保装置，包括由下而上设置的衬底层100、安保机构层200及盖板层300，三层装配成一体；衬底层100的加速度膛101与盖板层300的传爆药302处于固定对正状态，安保机构层200中的起爆药214装填在金属隔板213中，安全状态下起爆药
214与加速度膛101及传爆药302处于不对正状态；安保机构层200的质量块219在衬底层100的后坐机构衬底102与盖板层300的球锁机构槽307之间，并在质量块219上表面放有不锈钢球303。
[0008] 所述的衬底层100为硅单层结构，在其上设置的加速度膛101为通孔结构，加速度膛101与盖板层300中的传爆药302在同一轴线上，加速度膛101的顶部在安全状态下被安保机构层200中的金属隔板213遮盖，在解保状态下与安保机构层200中的起爆药214对正；衬底层100中设置的后坐机构衬底102为凹槽结构，与安保机构层200中的质量块219对正。
[0009] 所述的安保机构层200采用SOI硅片，SOI硅片分为顶硅201和底硅202；顶硅201中设置有隔板滑道203，隔板滑道203的中间布置有隔板Ⅰ，隔板Ⅰ左侧与电热执行器Ⅱ配合，隔板Ⅰ右侧与后坐机构Ⅲ配合；安保机构层200的左侧两端设置有电热执行器驱动电极204，安保机构层200的右侧两端设置有后坐机构反馈电极205；电热执行器Ⅱ位于顶硅201中，在电热执行器Ⅱ底部的底硅202中设置有绝热腔206。
[0010] 所述的隔板Ⅰ四角处设置的滑块207与隔板滑道203相配合，隔板Ⅰ左侧边沿设置的电热执行机构锁槽208和电热执行器Ⅱ配合，隔板Ⅰ右侧边沿设置的后坐机构锁槽209和后坐机构Ⅲ配合，隔板Ⅰ中间部分为硅隔板210，其中间开有装药孔211，隔板Ⅰ的背部设置的金属隔板安装框212用于安装金属隔板213，金属隔板213和硅隔板210组成复合隔板结构；金属隔板213的中间位置处安装有起爆药214；隔板Ⅰ上设置有S型微弹簧215，S型微弹簧215顶部与顶硅201相连。
[0011] 所述的电热执行器Ⅱ包括三组V型硅梁216，V型硅梁216两端固定连接到顶硅201上并通过电热执行器驱动电极204施加电压，V型硅梁216的中间位置处设置有电热执行机构锁销217。
[0012] 所述的后坐机构Ⅲ由弹性梁218与质量块219组成，弹性梁218为设置在顶硅201上的宽梁，弹性梁218固定端连接在顶硅201上，弹性梁218活动端连接质量块219；在质量块219左侧设置有后坐机构锁销220，弹性梁218上方设置有金属应变片221。
[0013] 所述的盖板层300包括盖板基板301，传爆药302及不锈钢球303；盖板基板301为硅材质，在其四个角分别设置了电极引出窗304；盖板基板301的左侧设置有电热执行机构观察窗305，中间位置处设置有传爆药腔306用于填装传爆药302，右侧设置有球锁机构槽307，球锁机构槽307在后坐机构Ⅲ的质量块219上方对应位置处，质量块219上表面与球锁机构槽307将不锈钢球303封装在内部，不锈钢球303被球锁机构槽307顶部的安全限位槽308及解保限位槽309限制在不同位置处。
[0014] 与传统安保装置相比，本发明的有益效果为：
[0015] 本发明利用了金属隔板213和硅隔板210组成金属‑硅复合隔板结构在保证加工精度的同时提高隔板强度；后坐机构Ⅲ、不锈钢球303、球锁机构槽307及后坐机构衬底102实现了装置的面外后坐解保、解保状态锁定、抗过载及状态反馈；电热执行器Ⅱ、隔板Ⅰ及S型微弹簧215实现了装置的智能解保控制、离心加速度的判断及解保状态锁定；通过后坐及离心惯性驱动和电热驱动智能主动化控制实现了装置的多物理场解保能力。
附图说明
[0016] 图1为本发明的结构示意图。
[0017] 图2为本发明的剖视图。
[0018] 图3为本发明衬底层的结构示意图。
[0019] 图4为本发明安保机构层的结构示意图。
[0020] 图5为本发明隔板的结构示意图，其中图(a)为隔板正面图，图(b)为隔板背面图。
[0021] 图6为本发明电热执行器的结构示意图。
[0022] 图7为本发明后坐机构的结构示意图。
[0023] 图8为本发明盖板层的结构示意图。
[0024] 图9为本发明后坐机构原理图，其中图(a)为后坐机构安全状态图，图(b)为后坐机构解保状态图，图(c)为后坐机构安全状态剖视图，图(d)为后坐机构过载状态剖视图，图(e)为后坐机构解保过程剖视图，图(f)为后坐机构解保状态剖视图。
[0025] 图10为本发明电热执行机构原理图，其中图(a)为电热执行机构安全状态图，图(b)为电热执行机构未解保图，图(c)为电热执行机构解保状态图。
[0026] 图11为本发明的基本原理图，其中图(a)为装置安全状态图，图(b)为装置解保状态图。
具体实施方式
[0027] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
[0028] 参照图1，一种多物理场解保MEMS安保装置，包括由下而上设置的衬底层100、安保机构层200及盖板层300。
[0029] 参照图2，所述的衬底层100、安保机构层200及盖板层300的整体长度及宽度均一致，自下往上装配成一体。衬底层100的加速度膛101与盖板层300的传爆药302处于固定对正状态，安保机构层200中的起爆药214装填在金属隔板213中，安全状态下起爆药214与加速度膛101及传爆药302处于不对正状态；安保机构层200的质量块219在衬底层100的后坐机构衬底102与盖板层300的球锁机构槽307之间，并在质量块219上表面放有不锈钢球303。
[0030] 参照图3，所述的衬底层100为硅单层结构，在其上设置的加速度膛101为通孔结构，加速度膛101底部配合飞片起爆方式可以提高飞片飞行速度，加速度膛101与盖板层300中的传爆药302在同一轴线上，加速度膛101的顶部在安全状态下被安保机构层200中的金属隔板213遮盖，在解保状态下与安保机构层200中的起爆药214对正；衬底层100中设置的后坐机构衬底102为凹槽结构，后坐机构衬底102为安保机构层200中的质量块219提供位移空间，并在高过载环境下为质量块219提供支撑以防止结构断裂。
[0031] 参照图4，所述的安保机构层200采用SOI硅片，SOI硅片分为顶硅201和底硅202，顶硅201和底硅202通过腐蚀工艺分离；顶硅201中设置有隔板滑道203，隔板滑道203的中间布置有隔板Ⅰ，隔板Ⅰ左侧与电热执行器Ⅱ配合，隔板Ⅰ右侧与后坐机构Ⅲ配合；安保机构层200的左侧两端设置有电热执行器驱动电极204，安保机构层200的右侧两端设置有后坐机构反馈电极205；电热执行器Ⅱ位于顶硅201中，在电热执行器Ⅱ底部的底硅202中设置有绝热腔206可降低热执行器Ⅱ底部散热以提高驱动效率。
[0032] 参照图5中的图(a)，所述的隔板Ⅰ主体结构布置在顶硅201中，隔板Ⅰ四角处设置的滑块207与隔板滑道203相配合以限制隔板Ⅰ位移方向，隔板Ⅰ左侧边沿设置的电热执行机构锁槽208用于和电热执行器Ⅱ的配合，隔板Ⅰ右侧边沿设置有后坐机构锁槽209用于和后坐机构Ⅲ的配合，隔板Ⅰ中间部分为硅隔板210，硅隔板210中间开有装药孔211。参照图5中的图(b)，所述的隔板Ⅰ的背部设置的金属隔板安装框212用于安装金属隔板213，金属隔板213和硅隔板210组成复合隔板结构，可增加隔板的隔爆强度；金属隔板213的中间位置处安装有起爆药214，起爆药214尺寸略小于装药孔211；隔板Ⅰ上设置有S型微弹簧215，S型微弹簧215顶部与顶硅201相连，S型微弹簧215用于对弹药飞行环境中离心加速度的判断。
[0033] 参照图6，所述的电热执行器Ⅱ主体部分由三组V型硅梁216组成，V型硅梁216两端固定连接到顶硅201上并通过电热执行器驱动电极204施加电压；V型硅梁216在通过电流时会产生热膨胀变形，进而具有一定驱动能力；V型硅梁216的中间位置处设置有电热执行机构锁销217，通过电热执行器Ⅱ的驱动能力可以控制电热执行机构锁销217与隔板Ⅰ的电热执行机构锁槽208的啮合状态，进而实现对隔板Ⅰ运动的控制。
[0034] 参照图7，所述的后坐机构Ⅲ主要由弹性梁218与质量块219组成；弹性梁218为设置在顶硅201上的宽梁，在垂直方向上具有较低刚度，弹性梁218固定端连接在顶硅201上，弹性梁218活动端连接质量块219，在质量块219左侧设置有后坐机构锁销220；在加速度作用下，质量块219带动弹性梁218向下弯曲来控制后坐机构锁销220与隔板Ⅰ的后坐机构锁槽209的啮合状态；弹性梁218上方设置有金属应变片221，金属应变片221可将弹性梁218的弯曲状态通过后坐机构反馈电极205以电信号的形式反馈给控制系统。
[0035] 参照图8，所述的盖板层300包括盖板基板301、传爆药302及不锈钢球303；盖板基板301为硅材质，在其四个角分别设置了电极引出窗304，电极引出窗304分别用于引出安保机构层200中的电热执行器驱动电极204及后坐机构反馈电极205；盖板基板301的左侧设置有电热执行机构观察窗305用于观察电热执行器Ⅱ与隔板Ⅰ啮合情况，并且电热执行机构观察窗305可以降低V型硅梁216顶部散热以提高驱动效率；盖板基板301中间位置处设置有传爆药腔306用于填装传爆药302作为爆炸序列能量输出端；盖板基板301的右侧设置有球锁机构槽307，球锁机构槽307在后坐机构Ⅲ的质量块219上方对应位置处，质量块219上表面与球锁机构槽307将不锈钢球303封装在内部，不锈钢球303被球锁机构槽307顶部的安全限位槽308及解保限位槽309限制在不同位置处。
[0036] 本发明的工作原理为：
[0037] 参照图9中的图(a)，后坐机构Ⅲ在安全状态下，质量块219处于静止状态，不锈钢球303被安全限位槽308限制在安全位置处，后坐机构锁销220与后坐机构锁槽209处于平面内啮合状态。参照图9中的图(b)，后坐机构Ⅲ在解保状态下，不锈钢球303被质量块219与解保限位槽309压紧在中间位置处，质量块219被向下压弯一定位移，使得后坐机构锁销220与后坐机构锁槽209处于平面外脱啮合状态。具体过程如下：参照图9中的图(c)，在无加速度作用下，质量块219无位移，不锈钢球303被安全限位槽308限制在安全位置处；参照图9中的图(d)，在高过载加速度的冲击下，后坐机构衬底102会为质量块219提供支撑，使其具有一定抗过载能力，不锈钢球303在短脉冲高过载加速度作用下不会发生滚动；参照图9中的图(e)，在规定的后坐加速度持续作用下，质量块219向下弯曲一定位移，不锈钢球303沿其上表面滚动，不锈钢球303滚动的时间可作为对后坐加速度作用时间的判断；参照图9中的图(f)，在规定后坐加速度作用消失后，质量块219回弹，将不锈钢球303压在解保限位槽309上，质量块219被限制在脱离啮合平面状态，完成后坐机构解保动作。解保完成后，质量块219顶端的金属应变片221通过梁弯曲产生的应变，将电阻变化以电信号的形式反馈给控制系统。
[0038] 参照图10中的图(a)，当控制系统接收到后坐机构Ⅲ的反馈信号后，控制系统将会根据其他预设信息或判断条件在适当的时机驱动电热执行器Ⅱ，电热执行机构锁槽208与电热执行机构锁销217将脱啮合，在这之前，隔板Ⅰ将限制在安全位置处。参照图10中的图(b)，在电热执行器Ⅱ与后坐机构Ⅲ均与隔板Ⅰ脱啮合后，隔板Ⅰ将在离心加速度产生的惯性力作用下沿着隔板滑道203向下滑动。当弹药的转速小于规定值时，隔板Ⅰ的惯性力将不足以驱动S型微弹簧215，进而维持在力平衡位置，距离解保位置仍有一定距离。或者当控制系统遇到意外情况，电热执行器Ⅱ断电，电热执行机构锁槽208与电热执行机构锁销217啮合将隔板Ⅰ锁定在解保位置之前。参照图10中的图(c)，在隔板Ⅰ的运动过程中无任何意外情况发生，隔板Ⅰ将移动到底部的解保位置，控制系统在电热执行器Ⅱ驱动一定时间，保证隔板Ⅰ运动到解保位置后，停止对电热执行器Ⅱ的驱动，使电热执行机构锁槽208与电热执行机构锁销217啮合将隔板Ⅰ锁定到解保位置。
[0039] 参照图11中的图(a)，在安全状态下，隔板Ⅰ被电热执行器Ⅱ与后坐机构Ⅲ限制，加速度膛101的顶部被金属隔板213遮盖，起爆药214与传爆药302处于不对正状态，飞片无法起爆。经过弹药出膛时的后坐加速度的作用，后坐机构Ⅲ解保；控制系统对电热执行器Ⅱ驱动进行解保；隔板Ⅰ在弹药旋转产生的离心加速度的作用下，运动到解保位置。参照图11中的图(b)，在解保状态下，加速度膛101、起爆药214及传爆药302处于同一轴线上，飞片将起爆药214起爆后可进一步起爆传爆药302，完成起爆序列能量的传递。
