低g值惯性延时电热MEMS安全与解除保险装置

胡腾江，任 炜,2，赵玉龙

(1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.陕西应用物理化学研究所应用物理化学重点实验室，陕西 西安 710061)

0 引言

在武器装置微型化、集成化、智能化发展背景的推动下，以MEMS技术为基础的第四代安全与解除保险(S&A)装置[1-2]结构尺度更小，功能集成度更高，因此被认为是未来武器装备技术发展的重要支撑[3-4]。MEMS S&A装置的概念出现在2000年前后，虽然很多关键技术都得到了突破，但其仍无法满足列装要求，解保方式单一成为制约其发展的主要技术瓶颈之一。受到制备工艺与设计思路的限制，目前所报道的MEMS S&A装置的解除保险方式主要采用单一环境力，即惯性力或电热力[5-7]，该方式不满足冗余解保的设计要求[8]；因此，相应的器件很难得到实际应用。此外，在特征尺寸为微米量级的MEMS器件中，惯性力的作用十分有限，因此，很难在非旋火箭弹、无坐力炮弹等低过载场所得到应用。本文针对上述技术难点，将微尺度下电热力与惯性力结合，提出了低g值惯性延时电热MEMS S&A装置。

1 MEMS S&A装置驱动原理

本文所设计的MEMS S&A装置主要由硅隔断、齿轮组、平面扭簧以及电热锁销机构组成，如图1所示。

图1 MEMS S&A装置整体结构Fig.1 The structure of MEMS S&A device

对于MEMS可动器件来说，通常需要制作2～3 μm的间隙来实现结构之间的稳定滑动。考虑到干法刻蚀的负载效应，相应器件的结构层厚度一般不超过50 μm。本文所设计的装置厚度达到300 μm，因此，对于高深宽比结构来说，无法通过制作细微间隙来实现结构之间的相互运动。针对上述技术难点，本文采用先刻蚀后填充的技术方案，即先利用干法刻蚀制作出282 μm的结构间隙，然后将相应直径的微米橡胶球(苏州纳微科技股份公司的商用产品，微球直径精度可以控制在±2 μm)填充在该间隙内。采用该种设计方式，可以成功地实现高深宽比细微间隙的制作。此外280 μm直径橡胶球的引入可以将齿轮与轴之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小了摩擦力对系统带来的影响。MEMS S&A装置的驱动原理为：在无触发信号时，锁销机构将齿轮组锁死，从而完成了对硅隔断状态的锁定，确保了武器系统不会在勤务处理或跌落等情况下的误解除保险。当武器发射后，电热锁销机构在传感信号的控制下首先解除对齿轮组的约束，此时，硅隔断在惯性力的作用下开始运动。考虑到低g值情况下惯性力的作用效果十分有限，因此，本设计引入了齿轮组来实现作用力的放大。平面扭簧机构与齿轮组中的小齿轮相接触，当小齿轮转动时便会拨动扭簧机构往复运动。在上述周期性扭转力的作用下，硅隔断将缓慢移动。当装置中的硅隔断对正后，电信号解除对锁销机构的激励，在结构弹性回复力的作用下，电热锁销机构重新将齿轮组锁死，此时系统便完成了相应的解除保险动作。

2 MEMS S&A装置结构设计

2.1 MEMS S&A装置电热锁销设计

在微尺度效应的影响下，电热力的作用效果得到了大幅提升，因此基于电热原理的驱动单元常被用于微尺度下对物体的精确控制。本文设计了相应的电热锁销机构，并将其用于MEMS S&A装置的一级解锁。电热锁销机构采用了V型梁的布局方式，如图2所示。

图2 电热锁销机构Fig.2 The structure of electro-thermal lock

当电流通过V型梁时，在V型梁的中点便会产生相应的位移变形。由于器件在长度方向的尺寸远大于截面方向的尺寸，故可以将其简化为一维热稳态模型，此外，微尺度下热量地传递主要以热传导的形式为主，忽略热辐射与热对流效应[9]，则相应模型可以用一维、稳态、有内热源的导热微分方程表示：

(1)

式(1)中，λ为硅的导热系数，J为电流密度，ρ为电阻率，S为结构的形状因子，RT为V型梁底面与衬底之间的热阻,Tr为参考温度。

相应的边界条件为V型梁两端的温度与参考温度相等，即：T(0)=T(L)=Tr。将上述边界条件代入式(1)中，即可求出稳态温度分布T(x)。

V型梁产生热变形出现在其中点位置，由于变形量较小，可以通过简单几何模型对其进行估算。 参考图2所示的相关结构，V型梁产生的热膨胀变形d可以表示为：

(2)

式(2)中，α为硅的热膨胀系数，ΔT为V型梁稳态时的平均温差。

2.2 MEMS S&A装置延时机构设计

对于低g值的发射环境而言，若沿用平面弹簧-质量块-Z型齿的延时模式[10-11]，则需要设计刚度系数极低的弹簧，不易实现制作。此外，在低惯性力的作用下，Z型齿与质量块容易出现相互卡死，造成器件失效。因此，本文中MEMS S&A装置的延时机构主要由齿轮组与平面扭簧组成，其中大齿轮分别与小齿轮以及硅隔断相啮合，平面扭簧的摆动端与小齿轮相互接触。当有惯性力作用时，硅隔断带动齿轮组运动，此时，小齿轮在平面扭簧周期性的拨动下消耗相应的能量，从而实现对硅隔断运动的延时。对上述各部件进行运动分析，如图3所示。

图3 延时机构运动模型Fig.3 The dynamic model of delay mechanism

对于硅隔断而言，其运动加速度为a，质量为mr，所受惯性力与大齿轮作用力分别为Fs与Fg1，则运动方程可以表示为：

Fs-Fg1=mra

(3)

对大齿轮而言，其所受小齿轮的作用力为Fg2，若其半径为R，转动惯量为Jg1，角速度为ω1，则运动方程可以表示为：

(4)

对小齿轮而言，其所受平面扭簧的作用力为T，若其半径为r，转动惯量为Jg2，角速度为ω2，则运动方程可以表示为：

(5)

此外，上述机构能够实现运动还需要满足啮合点处线速度相等，即：

ω1R=ω2r

(6)

(7)

将式(3)—式(7)联立，可以得到硅隔断在惯性力Fs作用下的加速度a的表达方程：

(8)

由式(8)可知，增大齿轮的转动惯量或提高平面扭簧的作用力都可以降低硅隔断的运动加速度。考虑到MEMS S&A装置的质量较小，通过增加齿轮转动惯量所带来的延时效果较为有限，因此，本文将通过优化平面扭簧的刚度来实现机构的有效延时。

平面扭簧力T可以表示为等效刚度ks与转角θ(t)的乘积。在S&A装置的工作时间中，可以认为后坐力Fs保持不变，对式(8)进行二次积分，就可以得到硅隔板输出位移D随时间的变化：

(9)

当0<{θ(t)/(2π/40)}≤0.5，即转角处于小齿轮齿顶范围时，平面扭簧起延时作用；当0.5<{θ(t)/(2π/40)}≤1，即转角处于小齿轮齿槽范围时，平面扭簧不起作用，ksθ(t)=0，硅隔板将在恒定加速度下运动。

在临界条件下，假设硅隔断受大齿轮的力Fg1与其惯性力Fs相同，则经过齿轮组放大，传递到平面扭簧的作用力为N×Fs，其中N为大齿轮与小齿轮的齿数比。考虑到制作的可实现性，齿轮模数取0.05，大齿轮与小齿轮齿数分别为100与40，此时N为2.5。在10g的环境力下，传递到平面扭簧上的力FT可以表示为：

FT=Nηmras

(10)

式(10)中，as为环境加速度，η为齿轮组的传动效率，这里取0.96[12]。将硅隔断等效为7 mm×3 mm×0.28 mm的矩形结构，则通过式(10)可以计算出在10g环境力的作用下，传递到平面扭簧上的力为3 356 μN。若此时拨动端的变形超过其与小齿轮的重合长度40 μm，则可以认为该平面扭簧的刚度可以实现延时功能，因此，所设计的平面扭簧刚度需要小于上述临界刚度，就可以保证机构的顺利拨动。

3 MEMS S&A装置仿真验证

3.1 MEMS S&A装置电热锁销机构仿真验证

为了便于分析电热锁销机构的运动状态，采用ANSYS软件对其进行仿真，相关的结构参数如表1所示。

表1 电热锁销机构结构参数Tab.1 The parameters of electro-thermal lock

图4为电热锁销机构在10 V直流电压的激励下，达到热稳态时的温度分布结果。

图4 电热锁销机构稳态温度分布Fig.4 The temperature distribution of electro-thermal lock

从图4可以看出V型梁稳态时的温度分布呈现出良好的对称性，其最高温度为1 047.22 K，出现在V型梁的中部，最高温度低于硅熔点1 683 K，因此电热锁销机构可以维持正常工作。梁的两端锚点处与衬底相连，故其温度与参考温度300 K相同。V型梁的最大变形同样出现在结构的中点，其数值为57.2 μm，大于锁销机构与大齿轮之间的重合长度40 μm，说明本文所设计的电热锁销机构在10 V的特定电压下，可以顺利实现对齿轮组的解锁。

当无电信号激励时，电热锁销机构与齿轮组相互锁死，为确保所设计系统的安全性，需要对该结构在勤务处理或跌落等条件下的响应进行分析。由于电热锁销机构的尺寸较小，质量不足硅隔断的3%，因此，其在跌落条件下所受到的外力主要来自于硅隔断的惯性力。大齿轮将硅隔断所受的惯性力传递到电热锁销机构，若电热锁销机构所产生的变形超过其与大齿轮之间的重合长度40 μm，则整个MEMS S&A装置将脱离安全状态，此时系统失效。将上述零界点作为分析的边界条件，相关的分析结果如图5所示。

图5 电热锁销机构跌落极限Fig.5 The falling test of electro-thermal lock

由图5的分析结果可以看出，电热锁销机构在跌落中所发生的最大变形出现在其与大齿轮相互接触的锁销结构上，当器件受到13 868g的加速度时，锁销结构的变形达到40 μm的零界值，内部最大的应力达到4.8 GPa，接近硅材料的断裂极限7 GPa，此时结构容易出现裂纹，进而导致器件的失效。在实际运输或勤务处理情况下，武器受到的惯性加速度通常在3～4g，即使在卡车内部不固定，其加速度峰值也不超过300g[13]，远小于本设计的临界值13 869g，因此，运输与一般勤务处理不会对MEMS S&A装置的性能带来影响。武器跌落时所受到加速度与其跌落高度、跌落姿态以及碰撞目标等都有很大关系[14]，如105 mm火炮榴弹从1.5 m高度处以水平姿态跌落至土堆上时，器件所受加速度为3 000g时，小于临界值，但若跌落至钢板上时，相应加速度将达到80 000g[13]，此时便会造成器件的失效。本文所提出的MEMS S&A装置主要用于低g值的发射环境，为了实现顺利驱动，引入了较大质量的隔板结构，因此也降低了器件的抗过载能力(不超过10 000g)，但对于大多数勤务环境而言，本设计可以满足相应的使用需求。

3.2 MEMS S&A装置延时机构仿真验证

平面扭簧为MEMS S&A装置延时机构中的关键元件，其相应的参数如表2所示。

表2 平面扭簧结构参数Tab.2 The parameters of plane torsion spring

将相关参数代入ANSYS软件中进行分析，相关结果如图6所示。当平面扭簧的拨动端受到1 200 μN的作用力时，结构的最大变形为45.6 μm，大于其与小齿轮的重合长度，而其最大应力仅为11.8 MPa，满足延时功能的设计要求。上述平面扭簧摆动端至其圆心的距离为1 150 μm，因此等效刚度为3.48×10-5N·m/(°)。

图6 平面扭簧运动仿真结果Fig.6 The simulation result of plane torsion spring

将所设计的硅隔断、齿轮组以及平面扭簧导入ADAMS动力学仿真软件中进行分析，硅隔板与边框为滑动约束，并与齿轮组构成耦合约束；平面扭簧的圆心设置为旋转约束，并添加相应的扭转弹簧系数；平面扭簧的摆动端与小齿轮设置成碰撞约束。仿真的结束时间为0.8 s，步数设置为1 500步[15]，选取硅隔断上的点作为记录点，当器件受到10g环境力作用时，其速度以及位移的结果如图7所示。

图7 硅隔断运动状态仿真结果Fig.7 The motion result of silicon barrier

图7(a)的虚线代表没有添加平面扭簧约束时硅隔断运动速度的变化。可以看出，硅隔断在15 ms的时间内达到最大的速度0.225 m/s，此后由于与器件外框碰撞，进而速度又迅速降至0 m/s；实线代表有平面扭簧约束时硅隔断运动速度的变化，可以看出，硅隔断的速度呈现出明显的周期变化的特征：初始阶段，由于平面扭簧与小齿轮之间存在结构间隙，因此两者之间无接触约束，此时硅隔断呈现加速运动状态；当小齿轮与平面扭簧接触后，硅隔断的速度迅速降低，在小齿轮转至下一齿槽之前，硅隔断的运动速度近似为0 m/s。

当转至下一齿槽时，平面扭簧再次与小齿轮脱离接触，此时硅隔断又呈现加速运动状态。每个速度峰值以及峰值之间的时间间隔与平面扭簧的刚度以及小齿轮的齿形有关，具体到本文所选用的结构参数，速度峰值不超过0.16 m/s，峰值间隔为50 ms。当运动560 ms后，硅隔断与器件外框相接触并到达所设计的解除保险位置。

图7(b)为硅隔断位移变化曲线，同样可以看出，没有平面扭簧的约束，硅隔断会迅速到达解除保险位置(约1.5 mm)。相反，具有平面扭簧的约束，硅隔断的位移则呈现阶梯式的下降趋势，每层阶梯之间的间距约为40 μm，恰好为平扭簧与小齿轮之间的运动间隙。

综合图7的仿真结果可以看出，平面扭簧机构的引入可以有效提升MEMS S&A装置在低g值环境力作用下的延时效果，通过优化平面扭簧的刚度与小齿轮的齿形，可以实现硅隔断低速平稳的运动。

4 结论

本文提出了低g值惯性延时MEMS S&A装置。该装置主要由硅隔断、齿轮组、平面扭簧以及电热锁销机构组成。在无触发信号时，锁销机构将器件锁死，确保了武器系统不会在勤务处理或跌落等情况下误解除保险；当武器发射后，电热锁销机构解除对齿轮组的约束，此时，硅隔断在延时机构以及惯性力的共同作用下开始缓慢运动直至到达解除保险位置。本文分别建立了电热锁销机构以及延时机构的动力学模型，并通过ADAMS软件与ANSYS软件对相应模型进行了验证。结果表明，本文所设计的锁销机构可以在10 V直流电压的控制下输出57.2 μm的位移，满足相应的解锁要求。本文所设计的延时机构可以在10g环境力(持续时间约700 ms)的作用下，实现560 ms的延时输出，输出位移达到1.5 mm。MEMS安全解除保险装置的整体尺寸为10×10×0.28 mm，抗过载能力为10 000g。