一种单口径通用的MEMS安全系统及方法与流程

本发明涉及小口径弹安全技术，具体涉及一种单口径通用的mems安全系统及方法。

背景技术：

现代战争中，小口径弹药的需求量巨大，但传统的微机电系统mems安全系统只适用于一种发射环境，通用能力差；并且，单一形式的安全系统对加工资源的浪费也不可小计。另外，现有的mems安全系统中的机械装置较为复杂，多层相互作用涉及的内部保险机构在实际加工时要求较高。

技术实现要素：

为解决现有的小口径武器的mems安全系统通用能力差的问题，主要针对小口径弹的发射环境，提出了一种单口径通用的mems安全系统；为解决现有的mems安全系统内部结构复杂的问题，对传统的mems安全系统的内部结构进行了改进，并结合柔性材料的应用，保证其发射过程中的抖动不影响其正常工作。

本发明的一个目的在于提出一种单口径通用的mems安全系统。

mems安全系统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。

本发明的单口径通用的mems安全系统包括：安全系统外框、隔爆滑块、隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、后坐保险机构、离心闭锁机构、模式控制机构和传爆孔；其中，安全系统外框为一个内部中空的支撑框架；隔爆滑块位于安全系统外框中，隔爆滑块的外边缘小于安全系统外框的内边缘，并且隔爆滑块的上表面和下表面均低于安全系统外框的表面；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，在安全系统外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，安全系统外框和隔爆滑块关于小口径弹的离心过载方向对称；隔爆滑块的两侧通过偶数对后坐保险机构固定连接至安全系统外框的内边缘，偶数对后坐保险机构关于小口径弹的离心过载方向对称，并且关于垂直于小口径弹的离心过载方向也对称；针对不同的小口径弹发射环境，每一个后坐保险机构包括多根不同宽度的后坐保险悬臂梁，每一根后坐保险悬臂梁的许用应力与一种发射环境的后坐过载相对应；隔爆滑块的后端通过离心闭锁机构固定连接至安全系统外框的后端内边缘，离心闭锁机构关于小口径弹的离心过载方向对称；针对不同的小口径弹发射环境，离心闭锁机构包括多对不同宽度的离心闭锁悬臂梁，每一对离心闭锁悬臂梁的许用应力与一种发射环境的离心过载相对应；在一种确定的发射环境下，后坐保险机构的许用应力小于后坐过载，离心闭锁机构的许用应力大于后坐过载并小于离心过载；与每一根后坐保险悬臂梁和每一根离心闭锁悬臂梁相对应，模式控制机构包括多根熔断机构，每一个熔断机构设置在一根后坐保险悬臂梁或者一根离心闭锁悬臂梁上，每一个熔断机构电气连接至外部指令装置；隔爆滑块上设置有传爆孔；mems安全系统具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，mems安全系统处于安全状态，隔爆滑块通过后坐保险机构和离心闭锁机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；根据发射环境的后坐过载和离心过载，选择相对应模式下的后坐保险悬臂梁和离心闭锁悬臂梁，外部指令装置发出熔断指令至模式控制机构，熔断机构将其他模式下的后坐保险悬臂梁和离心闭锁悬臂梁熔断；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后坐过载，产生位移，由于后坐保险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，此时离心闭锁机构拉断；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，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安全系统外框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态，从而实现小口径弹安全与可靠解保。

后坐保险悬臂梁的形状为中间窄两端宽的结构，并且为轴对称形，两端为两个宽边较大的矩形，中间为一个宽边较小的矩形，由两个底边相对的等腰梯形连接。后坐保险悬臂梁的许用应力由宽度决定。与不同的发射环境下后坐过载相对应，后坐保险机构包括多根不同宽度的后坐保险悬臂梁，针对一种发射环境，后坐保险悬臂梁的许用应力刚好低于这种发射环境的后坐过载。

离心闭锁悬臂梁的形状为弯折型结构，受离心过载作用拉断。离心闭锁悬臂梁的许用应力由宽度决定。与不同的发射环境下离心过载相对应，离心闭锁机构包括多根不同宽度的离心闭锁悬臂梁，针对一种发射环境，离心闭锁悬臂梁的许用应力刚好低于这种发射环境的离心过载，但高于这种发射环境的后坐过载。

mems安全系统采用半导体材料，厚度为300～500μm。

隔爆滑块的上表面和下表面均低于安全系统外框的表面的高度为10～30μm。

熔断机构采用发热金属丝，如铜等熔点较低的材料。

进一步包括一级防抖装置和二级防抖装置，在安全系统外框的两侧内边缘分别设置有侧边柔性材料缓冲层，在隔爆滑块的两侧设置有圆弧状侧边凸起与侧边柔性材料缓冲层相轻触，侧边柔性材料缓冲层和侧边凸起构成一级防抖装置；在隔爆滑块限位槽的两侧内边缘分别设置有前端柔性材料缓冲层，在隔爆滑块限位销的两侧设置有圆弧状前端凸起与前端柔性材料缓冲层相轻触，前端柔性材料缓冲层和前端凸起构成二级防抖装置；隔爆滑块限位销卡入隔爆滑块限位槽，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态，一级防抖装置和二级防抖装置确保隔爆滑块不会发生抖动，从而实现小口径弹安全与可靠解保。

侧边柔性材料缓冲层和前端柔性材料缓冲层采用柔性薄膜材料，聚酰亚胺(polyimide,pi)或硅橡胶(pdms)。

进一步包括封装层，通过阳极键合封装在安全系统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。

本发明的另一个目的在于提供一种单口径通用的mems安全系统的实现方法。

本发明的单口径通用的mems安全系统的实现方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，mems安全系统处于安全状态，隔爆滑块通过后坐保险机构、离心闭锁机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)根据发射环境的后坐过载和离心过载，选择相对应模式下的后坐保险悬臂梁和离心闭锁悬臂梁，外部指令装置发出熔断指令至模式控制机构，熔断机构将其他模式下的后坐保险悬臂梁和离心闭锁悬臂梁熔断；

3)小口径弹发射系统发射点火；

4)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后坐过载，产生位移，由于后坐保险机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；

5)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，此时离心闭锁机构拉断；

6)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，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安全系统外框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态。

本发明的又一个目的在于提供一种单口径通用的mems安全系统的制备方法。

本发明的单口径通用的mems安全系统的制备方法，包括以下步骤：

1)提供半导体材料；

2)光刻，选择安全系统外框的位置以及隔爆滑块的作用区域，mems安全系统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，形成安全系统外框的位置以及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，形成隔爆滑块的上表面和下表面均与安全系统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，实现隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、后坐保险机构、离心闭锁机构和传爆孔；

6)使用溅射工艺，采用熔点低的材料在mems安全系统的背面加工形成熔断机构。

进一步，还包括封装封装层，包括以下步骤：

a)提供封装层材料；

b)在封装层材料的表面形成能量输出孔的图形；

c)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；

d)通过阳极键合，将步骤6)形成的结构与封装层封装。

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，并实现对安全系统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。

封装层采用绝缘材料，厚度为300～500μm。

本发明的优点：

本发明根据不同的发射环境，在后坐保险机构和离心闭锁机构中设置多种不同宽度的悬臂梁，结合模式控制机构，外部指令装置控制模式控制机构选择特定发射环境下的悬臂梁；针对小口径弹的作用过程，设置了一级防抖装置和二级防抖装置，结合柔性材料的应用，保证其发射过程中的抖动不影响其正常工作。

附图说明

图1为本发明的单口径通用的mems安全系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的单口径通用的mems安全系统的一个实施例的后视图；

图3(a)～(h)为本发明的单口径通用的mems安全系统的一个实施例的制备方法的流程图。

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。

本实施例的mems安全系统针对三种小口径弹的发射环境：30mm枪榴弹、高炮弹和半穿甲弹。

如图1和2所示，本实施例的单口径通用的mems安全系统包括：安全系统外框1、隔爆滑块2、隔爆滑块限位销3、隔爆滑块限位槽4、后坐保险机构5、离心闭锁机构6、模式控制机构7、一级防抖装置8、二级防抖装置9和传爆孔10；其中，安全系统外框1为一个内部中空的支撑框架；隔爆滑块2位于安全系统外框1中，隔爆滑块2的外边缘小于安全系统外框1的内边缘，并且隔爆滑块2的上表面和下表面均低于安全系统外框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，在安全系统外框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，安全系统外框1和隔爆滑块2关于小口径弹的离心过载方向对称；隔爆滑块2的两侧通过两对后坐保险机构5固定连接至安全系统外框1的内边缘，两对后坐保险机构5关于小口径弹的离心过载方向对称，并且关于垂直于小口径弹的离心过载方向也对称；针对不同的小口径弹发射环境，每一个后坐保险机构5包括三根不同宽度的后坐保险悬臂梁，每一根后坐保险悬臂梁的许用应力与一种发射环境的后坐过载相对应；隔爆滑块2的后端通过离心闭锁机构6固定连接至安全系统外框1的后端内边缘，离心闭锁机构6关于小口径弹的离心过载方向对称；针对不同的小口径弹发射环境，离心闭锁机构6包括三对不同宽度的离心闭锁悬臂梁，每一对离心闭锁悬臂梁的许用应力与一种发射环境的离心过载相对应；在一种确定的弹发射环境下，后坐保险机构5的许用应力小于后坐过载，离心闭锁机构6的许用应力大于后坐过载并小于离心过载；与每一根后坐保险悬臂梁和每一根离心闭锁悬臂梁相对应，模式控制机构7包括多根熔断机构，每一个熔断机构设置在一根后坐保险悬臂梁或者一根离心闭锁悬臂梁上，每一个熔断机构电气连接至外部指令装置；隔爆滑块2上设置有传爆孔10；在安全系统外框1的两侧内边缘分别设置有侧边柔性材料缓冲层，在隔爆滑块2的两侧设置有圆弧状侧边凸起与侧边柔性材料缓冲层相轻触，侧边柔性材料缓冲层和侧边凸起构成一级防抖装置8；在隔爆滑块限位槽4的两侧内边缘分别设置有前端柔性材料缓冲层，在隔爆滑块限位销3的两侧设置有圆弧状前端凸起与前端柔性材料缓冲层相轻触，前端柔性材料缓冲层和前端凸起构成二级防抖装置9。

本实施例的单口径通用的mems安全系统的实现方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，mems安全系统处于安全状态，隔爆滑块通过后坐保险机构、离心闭锁机构固定，传爆孔与起爆药之间错位；

2)根据发射环境的后坐过载和离心过载，选择相对应模式下的后坐保险悬臂梁和离心闭锁悬臂梁，外部指令装置发出熔断指令至模式控制机构，熔断机构将其他模式下的后坐保险悬臂梁和离心闭锁悬臂梁熔断；

3)小口径弹发射系统发射点火；

4)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后坐过载，产生位移，由于后坐保险机构对小口径弹的发射方向敏感，从而发生断裂；

5)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，此时离心闭锁机构拉断；

6)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，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安全系统外框上，传爆孔与起爆药对正，进入攻击状态；

7)一级防抖装置和二级防抖装置确保隔爆滑块不会发生抖动，从而实现小口径弹安全与可靠解保。

本实施例的单口径通用的mems安全系统的制备方法，包括以下步骤：

1)提供半导体材料，晶向为(100)双抛多晶硅，厚度500μm，如图3(a)所示；

2)光刻，选择安全系统外框的位置以及隔爆滑块的作用区域，mems安全系统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3(b)所示；

3)通过深反应离子刻蚀drie刻蚀，形成安全系统外框的位置以及隔爆滑块的作用区域；

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，对半导体材料进行刻蚀，形成隔爆滑块的上表面和下表面均与安全系统双端固支限位边框的表面形成高度差25μm，如图3(c)所示；

5)通过光刻形成图形，如图3(d)所示，和drie干法刻蚀工艺，实现后隔爆滑块限位销、隔爆滑块限位槽、后坐保险机构、离心闭锁机构和传爆孔，如图3(e)所示；

6)使用溅射工艺，采用熔点低的cu在mems安全系统的背面加工形成熔断机构，如图

3(f)所示；

7)封装封装层：

a)提供膨化玻璃，厚度500μm，作为封装层材料，如图3(g)所示；

b)光刻，在玻璃基片选择能量输出孔位置，激光打孔，通过激光打孔工艺实现膨化玻璃形成能量输出孔，位置正对小口径弹的起爆药，如图3(h)所示；

c)通过阳极键合，将步骤6)形成的结构与封装层封装。

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。