一种“三明治”式MEMS安全系统一体化装置及其方法与流程

本发明涉及小口径弹安全技术，具体涉及一种“三明治”式mems安全系统一体化装置及其方法。

背景技术：

广泛应用于小口径弹的微机械安全系统主要依托高精度的机械加工工艺实现各部分敏感元件的加工及装配，但是由于加工公差及装配过程中的误差无法避免，其中，误差量级达到百微米。是严重制约微型化的引信安全与解保控制发展的主要因素。而且一致性和产量也易受到加工条件的影响，造成产品出现参差不齐的状况。基于以上问题，具有一致性好、加工误差极低降低装配环节的基于微纳加工工艺的引信用微机电系统mems安全系统得到了快速发展。依托mems加工工艺的安全系统主要包括金属衬底和半导体衬底(硅基)两种基底材料。但是，金属材料在加工过程中由于等离子体辉发极易造成加工设备腔室的污染，影响后期的产品的加工。因此，以硅基为主要代表的mems安全系统成为发展的主流，国内外的研究机构基于硅材料展开了大量的研究，并通过结构设计及优化有效的解决了传统微机械安全系统及金属基安全系统研制和加工过程中的问题。但是，硅基材料属于脆性材料，在大过载环境下，例如：小口径弹发射过载80000g，难以实现在勤务处理及模拟环境试验下，脆性材料的可靠隔爆，降低了系统的隔爆安全性，此环节也成为制约硅基mems安全系统广泛应用的首要障碍。

技术实现要素：

针对mems安全系统解除保险后，隔爆滑块在巨大的离心过载作用下，发生位移，撞到安全系统的解保限位机构，极易出现“撞碎”或者是“扭动”的情况，使得传爆序列无法完全对正或者是损坏，本发明提出了一种“三明治”式mems安全系统一体化装置及其方法，基于复合材料与硅基，加入缓冲装置及缓冲作用区，有效的解决了上述问题。

本发明的一个目的在于提出一种“三明治”式mems安全系统一体化装置。

本发明的“三明治”式mems安全系统一体化装置安装在小口径弹的起爆药与下一级装药之间，其表面垂直于发射方向。

本发明的“三明治”式mems安全系统一体化装置包括：双端固支限位边框、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、隔爆滑块反缓冲限位槽、隔爆滑块反缓冲限位梳齿、后座过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、传爆孔、两层柔性隔爆层、隔爆滑块运动限位装置、隔爆滑块运动缓冲区、隔爆滑块反缓冲区以及第一和第二限位装置；其中，双端固支限位边框为一个内部中空的支撑框架；隔爆滑块位于双端固支限位边框中，隔爆滑块的外边缘小于双端固支限位边框的内边缘，并且隔爆滑块的上表面和下表面均低于双端固支限位边框的表面；隔爆滑块的前端设置有隔爆滑块限位销，与隔爆滑块限位销的位置相对，在双端固支限位边框的前端内边缘具有隔爆滑块限位槽，隔爆滑块限位槽与隔爆滑块限位销为互补图形；隔爆滑块的两侧分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位槽，与隔爆滑块反缓冲限位槽的位置相对应，在双端固支限位边框的两侧内边缘，分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿，隔爆滑块反缓冲限位梳齿的方向与小口径弹的离心过载方向为锐角；隔爆滑块的两侧，并且沿着小口径弹的离心过载方向位于隔爆滑块反缓冲限位槽之后，分别通过离心过载阈值判定机构固定连接至双端固支限位边框的内边缘，离心过载阈值判定机构为与隔爆滑块在同一个平面内的悬臂梁；隔爆滑块的后端通过后座过载阈值判定机构固定连接至双端固支限位边框的后端内边缘；后座过载阈值判定机构的许用应力小于发射过载，离心过载阈值判定机构的许用应力大于发射过载并小于离心过载，离心过载阈值判定机构垂直于离心过载方向；隔爆滑块上设置有传爆孔；每层柔性隔爆层上分别设置有传爆孔，隔爆滑块的上表面和下表面分别贴附一层柔性隔爆层，三者的传爆孔对正；双端固支限位边框的两侧内边缘沿着离心过载方向从前至后分别设置有第一和第二限位装置，第一限位装置的后端与第二限位装置的前端之间的双端固支限位边框与隔爆滑块之间的区域构成隔爆滑块反缓冲区，隔爆滑块反缓冲限位槽和隔爆滑块反缓冲限位梳齿位于隔爆滑块反缓冲区内，隔爆滑块反缓冲限位槽的前端与第一限位装置的后端之间的距离不小于隔爆滑块从安全状态到攻击状态的运动距离，在隔爆滑块反缓冲区内填充柔性材料；在隔爆滑块的前端两侧分别设置有隔爆滑块运动限位装置，双端固支限位边框的前端内边缘设置有凸起结构，隔爆滑块运动限位装置的前端超出凸起结构，隔爆滑块运动限位装置的内侧与双端固支限位边框的凸起结构的外边缘的距离接近，从而使得隔爆滑块与双端固支限位边框的前端内边缘形成相对封闭的隔爆滑块运动缓冲区；在安全系统一体化装置具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，安全系统一体化装置处于安全状态，隔爆滑块通过后座过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，隔爆滑块感知到发射方向的发射过载，即后座过载后，产生位移，由于后座过载阈值判定机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；小口径弹进入外弹道环境后，弹体处于高旋状态，当小口径弹转速达到预定装定范围时，此时由于离心过载阈值判定机构对小口径弹的离心过载方向敏感，从而发生断裂；隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，基于活塞运动原理，当隔爆滑块相对于双端固支限位边框发生运动时，由于隔爆滑块运动缓冲区内存在空气，能够有效缓冲隔爆滑块碰撞边框产生的应力，降低隔爆滑块与双端固支限位边框损坏概率，隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，从而隔爆滑块被锁在双端固支限位边框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿卡住隔爆滑块反缓冲限位槽，从而锁住隔爆滑块的位置，确保隔爆滑块不会在缓冲力作用下发生抖动；并且隔爆滑块反缓冲区防止隔爆滑块对正后，由于离心力过大产生反离心力导致隔爆滑块脱离原位置，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

第一和第二限位装置的侧面与隔爆滑块相对应侧面内边缘接近，距离在200～300μm之间。

隔爆滑块运动限位装置的内侧与双端固支限位边框的凸起结构的外边缘的距离接近，距离在100～200μm之间，从而使得隔爆滑块与双端固支限位边框的前端形成相对封闭的隔爆滑块运动缓冲区，基于活塞运动原理，当隔爆滑块相对于双端固支限位边框发生运动时，由于隔爆滑块运动缓冲区内存在空气，能够有效缓冲隔爆滑块碰撞边框产生的应力，降低隔爆滑块与双端固支限位边框损坏概率。

一对第一限位装置的尺寸和位置与隔爆滑块限位销尺寸和位置一致，即沿离心过载方向，第一限位装置的宽度与隔爆滑块限位销的宽度相同，并且位置对齐，从而提升结构的应力。

后座过载阈值判定机构“狗骨梁”结构，保证在运输途中正常的晃动过程(过载小时间短)不会断，而在发射过程(过载大时间长)断裂。

进一步包括封装层，通过阳极键合封装在双端固支限位边框的一个表面；封装层的材料采用绝缘材料，厚度为300～500μm。封装层上具有能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药。

柔性隔爆层采用弹性模量大的柔性材料，聚酰亚胺薄膜或聚二甲基硅氧烷pdms，柔性隔爆层的厚度为75～100μm。

安全系统一体化装置采用半导体材料，厚度为300～500μm。

隔爆滑块的上表面和下表面均低于双端固支限位边框的表面的高度为10～30μm。

隔爆滑块反缓冲限位梳齿与小口径弹的离心过载方向之间的夹角为25°～60°。

本发明的另一个目的在于提供一种“三明治”式mems安全系统一体化装置的实现方法。

本发明的“三明治”式mems安全系统一体化装置的实现方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，安全系统一体化装置处于安全状态，隔爆滑块分别后座过载阈

值判定机构和离心过载阈值判定机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)小口径弹发射系统发射点火；

3)小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，隔爆滑块感知到发射方向的发射过载，即后座过载后，产生较大位移，由于后座过载阈值判定机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；

4)小口径弹进入外弹道环境后，弹体处于高旋状态，当小口径弹转速达到预定装定范围时，此时由于离心过载阈值判定机构对小口径弹的离心过载方向敏感，从而发生断裂，隔爆滑块脱落；

5)隔爆滑块脱离约束，在小口径弹的离心过载作用下，发生位移，基于活塞运动原理，当隔爆滑块相对于双端固支限位边框发生运动时，由于隔爆滑块运动缓冲区内存在空气，能够有效缓冲隔爆滑块碰撞边框产生的应力，降低隔爆滑块与双端固支限位边框损坏概率，隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，从而隔爆滑块被锁在双端固支限位边框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；

6)对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿卡住隔爆滑块反缓冲限位槽，从而锁住隔爆滑块的位置，确保隔爆滑块不会在缓冲力作用下发生抖动，并且隔爆滑块反缓冲区防止隔爆滑块对正后，由于离心力过大，产生反离心力，导致隔爆滑块脱离原位置，从而实现小口径弹药引战系统安全与可靠解保。

本发明的又一个目的在于提供一种“三明治”式mems安全系统一体化装置的制备方法。本发明的“三明治”式mems安全系统一体化装置的制备方法，包括以下步骤：

1)提供半导体材料；

2)光刻，选择双端固支限位边框和隔爆滑块的作用区域，安全系统一体化装置从安全状态至攻击状态，隔爆滑块的运动区域称为作用区域；

3)通过刻蚀，形成双端固支限位边框的位置和隔爆滑块的作用区域；

4)针对隔爆滑块的作用区域，通过刻蚀工艺，对半导体材料进行刻蚀，从而形成隔爆滑块的上表面和下表面均与双端固支限位边框的表面形成高度差；

5)通过光刻和干法刻蚀工艺，形成双端固支限位边框、后座过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、隔爆滑块反缓冲限位槽、隔爆滑块反缓冲限位梳齿、传爆孔、隔爆滑块运动限位装置和第一和第二限位装置；6)制备柔性隔爆材料；

7)光刻，在柔性隔爆材料上形成传爆孔，从而形成柔性隔爆层；

8)通过臭氧轰击柔性隔爆层的表面，使其产生有力的化学键；

9)通过常温的纳米压印技术将柔性隔爆层与隔爆滑块对正，分别贴合在隔爆滑块的上表面和下表面。

进一步包括：提供封装层材料；在封装层材料表面形成能量输出孔的图形；对封装层打孔形成能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药；通过阳极键合，使得步骤8)形成的结构与封装层封装。封装层采用绝缘材料，厚度为300～500μm。

在步骤4)中，高度差在10～30μm之间，提高隔爆滑块的运动灵活性，并实现对双端固支限位边框上隔爆滑块限位槽、隔爆滑块的作用区域及后座过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构位置选择。

在步骤5)中，进一步，在隔爆滑块上形成对准标记，并且在步骤7)中，在柔性隔爆材料的相应位置处形成对准标记。在步骤9)中，柔性隔爆层的对准标记与隔爆滑块的对准标记对正。

在步骤7)中，柔性隔爆层采用聚酰亚胺薄膜或聚二甲基硅氧烷pdms薄膜；柔性隔爆层的厚度为75μm～100μm。

本发明的优点：

本发明采用一体化结构，首先，从小口径弹引信设计及加工角度来看，具有结构尺寸小型化、功耗低、加工样品一致性好等优势；其次，从小口径弹引信功能角度来看，具有对弹道环境感知能力强、安全与解保控制系统工作可靠性高特点；再次，小型化引信对提高战斗部装药有重要意义，通过小型化引信，提高下一级装药，从而提高小口径弹药的毁伤效能。

附图说明

图1为本发明的“三明治”式mems安全系统一体化装置的一个实施例的俯视图；

图2(a)～(i)为本发明的“三明治”式mems安全系统一体化装置的制备方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的“三明治”式mems安全系统一体化装置包括：双端固支限位边框1、隔爆滑块2、隔爆滑块限位销3、隔爆滑块限位槽4、隔爆滑块反缓冲限位槽5、隔爆滑块反缓冲限位梳齿6、后座过载阈值判定机构7、离心过载阈值判定机构8、传爆孔9、两层柔性隔爆层、隔爆滑块运动限位装置10、隔爆滑块运动缓冲区11、隔爆滑块反缓冲区12以及第一限位装置13和第二限位装置14；其中，双端固支限位边框1为一个内部中空的支撑框架；隔爆滑块2位于双端固支限位边框1中，隔爆滑块2的外边缘小于双端固支限位边框1的内边缘，并且隔爆滑块2的上表面和下表面均低于双端固支限位边框1的表面；隔爆滑块2的前端设置有隔爆滑块限位销3，与隔爆滑块限位销3的位置相对，在双端固支限位边框1的前端内边缘具有隔爆滑块限位槽4，隔爆滑块限位槽4与隔爆滑块限位销3为互补图形；隔爆滑块2的两侧分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位槽5，与隔爆滑块反缓冲限位槽5的位置相对应，在双端固支限位边框1的两侧内边缘，分别设置有关于小口径弹的离心过载方向对称的隔爆滑块反缓冲限位梳齿6，隔爆滑块反缓冲限位梳齿6的方向与小口径弹的离心过载方向为锐角；隔爆滑块2的两侧，并且沿着小口径弹的离心过载方向位于隔爆滑块反缓冲限位槽5之后，分别通过离心过载阈值判定机构8固定连接至双端固支限位边框1的内边缘，离心过载阈值判定机构8为与隔爆滑块2在同一个平面内的悬臂梁；隔爆滑块2的后端通过后座过载阈值判定机构7固定连接至双端固支限位边框1的后端内边缘；后座过载阈值判定机构7的许用应力小于发射过载，离心过载阈值判定机构8的许用应力大于发射过载并小于离心过载，离心过载阈值判定机构8垂直于离心过载方向；隔爆滑块2上设置有传爆孔9和对准标记15；每层柔性隔爆层上分别设置有传爆孔和对准标记，隔爆滑块2的上表面和下表面分别贴附一层柔性隔爆层，三者的传爆孔和对准标记对正；双端固支限位边框1的两侧内边缘沿着离心过载方向从前至后分别设置有第一和第二限位装置13和14，第一限位装置13的后端与第二限位装置14的前端之间的双端固支限位边框1与隔爆滑块2之间的区域构成隔爆滑块反缓冲区12，隔爆滑块反缓冲限位槽5和隔爆滑块反缓冲限位梳齿6位于隔爆滑块反缓冲区12内，隔爆滑块反缓冲限位槽5的前端与第一限位装置13的后端之间的距离不小于隔爆滑块2从安全状态到攻击状态的运动距离，在隔爆滑块反缓冲区12内填充柔性材料；在隔爆滑块2的前端两侧分别设置有隔爆滑块运动限位装置10，双端固支限位边框1的前端内侧设置有凸起结构，隔爆滑块运动限位装置10的前端超出凸起结构，隔爆滑块运动限位装置10的内侧与双端固支限位边框1的凸起结构的外边缘的距离接近，从而使得隔爆滑块2与双端固支限位边框1的前端形成相对封闭的隔爆滑块运动缓冲区11。

双端固支限位边框、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、后座过载阈值判定机构和离心过载阈值判定机构均位于同一个垂直于发射方向的平面内。

后座过载阈值判定机构的许用应力和离心过载阈值判定机构的许用应力为80～120mpa。

本实施例的“三明治”式mems安全系统一体化装置的制备方法，包括以下步骤：

1)提供晶向为(100)双抛多晶硅，厚度500μm，如图2(a)所示；

2)光刻，选择双端固支限位边框和隔爆滑块的作用区域，安全系统一体化装置从安全状态至攻击状态，隔爆滑块的运动区域称为作用区域，如图2(b)所示；

3)通过深反应离子刻蚀drie刻蚀，形成双端固支限位边框的位置和隔爆滑块的作用区域，如图2(c)所示；

4)针对隔爆滑块的作用区域，通过感应耦合等离子体刻蚀icp刻蚀工艺，对双抛多晶硅进行刻蚀，刻蚀深度25μm，从而形成隔爆滑块的上表面和下表面均与双端固支限位边框的表面形成高度差，如图2(d)所示；

5)通过光刻和drie干法刻蚀工艺，形成双端固支限位边框、后座过载阈值判定机构、离心过载阈值判定机构、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、隔爆滑块反缓冲限位槽、隔爆滑块反缓冲限位梳齿、传爆孔、隔爆滑块运动限位装置、第一和第二限位装置以及对准标记，如图2(e)所示；

6)提供柔性隔爆材料，如图2(f)所示；

7)旋涂光刻胶，在柔性隔爆材料上形成传爆孔和对准标记的图形，如图2(g)所示，刻蚀形成柔性隔爆层，如图2(h)所示；

8)通过臭氧轰击柔性隔爆层的表面，使其产生有力的化学键；

9)通过常温的纳米压印技术，并且对正柔性隔爆层与隔爆滑块上的对准标记，将柔性隔爆层分别贴合在隔爆滑块的上表面和下表面，如图2(i)所示；

10)提供玻璃基片，厚度为500μm；

11)在封装层材料表面通过光刻形成能量输出孔的图形；

12)在封装打孔形成能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药；

13)通过阳极键合，将步骤9)形成的安全系统一体化装置与封装层封装。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。