一种具有惯性延时功能的双稳态MEMS安保装置的制作方法

本发明涉及安保装置技术领域，具体涉及一种具有惯性延时功能的双稳态mems安保装置。

背景技术：

安保装置是控制武器系统能量传递的核心部件(即用于触发正常爆轰并阻止意外爆轰)，作为武器系统中的关键一环，高性能安保装置的良好发展将会对武器系统甚至国防领域的未来产生重大影响。由于传统安保装置在驱动方式与结构尺寸等方面很难有所突破，无法满足新一代武器微型化、集成化以及智能化的发展要求。考虑到mems工艺在微尺度下具有很高的工艺灵活性，因此mems安保装置的概念就应运而生。

mems安保装置的特征尺寸一般都在微米级别，在此微小的尺度中，惯性力的作用十分有限，因此，mems安保装置通常采用电信号进行控制(压电、磁电、静电、热电等)，缺少以惯性力解保的冗余设计，仅靠电信号解保的mems安保装置很难满足现有的多物理场解保的设计要求，即gjb-373设计准则。

技术实现要素：

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具有惯性延时功能的双稳态mems安保装置，具有惯性延时、双稳态触发、状态自持、状态自检、抗过载等特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种具有惯性延时功能的双稳态mems安保装置，整体呈叠层结构，从顶至底依次为盖板层100、隔断层200以及起爆层300，相邻层通过金-金键合的方式实现连接；隔断层200通过胶结键合的方式与y型光纤400连接，隔断层200和y型光纤400位于同一平面，y型光纤400用于实现隔断层200内部状态的监测。

所述的盖板层100包括盖板衬底101，盖板衬底101中心附近设有传爆孔102，盖板衬底101的长边设有控制电极窗104与起爆电极窗103，盖板衬底101上表面的四周设有厚度为1～3um的盖板金键合区105。

所述的隔断层200由隔断模块iii、延时模块ii以及双稳态控制模块i组成，在隔断层200正反两面的四周设有厚度为1～3um的隔断金键合区210，在隔断层200的一边设有光纤孔209，隔断模块iii中的隔断模块轴线230与光纤孔轴线229共线；

所述的隔断模块iii包括滑动隔板211，在滑动隔板211的中心设有含能药腔213，含能药腔213中填充有含能药剂228，在滑动隔板211的内侧长边设有隔板齿条231，外侧长边设有隔板滚珠孔212，在隔板滚珠孔212中填充有滚珠204；

所述的延时模块ii包括相互啮合的大齿轮203与小齿轮206，小齿轮206的齿槽间和平面扭簧205中的扭簧摆动端232配合，在小齿轮206的中心设有4个小齿轮滚珠孔208，小齿轮滚珠孔208与小齿轮轴207所组成的空间中填充滚珠204；

大齿轮203与隔断模块iii中的隔板齿条231相互啮合，大齿轮203的中心设有4个大齿轮滚珠孔202，大齿轮滚珠孔202与大齿轮轴201所组成的空间中填充滚珠204，大齿轮203的下方齿槽和双稳态控制模块i中的控制锁215配合；

所述的双稳态控制模块i包括呈轴对称布局的左控制模块i1与右控制模块i2，左控制模块i1与右控制模块i2通过连接臂218相连，连接臂218中点通过t型梁217与双稳态模块i3中的匚型槽216连接；左控制模块i1与右控制模块i2内部结构相同；

所述的左控制模块i1包括左冷臂223，左冷臂223两侧分别设有左下热臂224、左上热臂222，左下热臂224、左上热臂222以及左冷臂223的顶端连接，左下热臂224、左上热臂222以及左冷臂223的末端分别与左下电极221、左上电极219以及左地电极220连接；

所述的双稳态模块i3包括双稳态梁214，双稳态梁214的两端分别与左锚点233以及右锚点234相连，双稳态梁214的中点设有控制锁215以及匚型槽216结构。

所述的起爆层300包括起爆器衬底301，在起爆器衬底301上设有半导体桥302，半导体桥302的两端分别与左起爆电极304以及右起爆电极303连接，半导体桥302、左起爆电极304以及右起爆电极303外侧的起爆器衬底301的上表面设有厚度为1～3um的起爆金键合区305。

与传统安保装置相比，本发明的有益效果为：设计了大质量的隔板机构，提高了惯性力在mems安保装置中的作用效果；考虑到炮口发射的安全距离，设计了以齿轮-齿条-平面扭簧机构组成的惯性延时机构，提高了武器发射时的安全性；设计了双稳态触发的电热驱动机构，实现了多物理场解保的冗余设计；设计了光纤传感器，实现了机构内部运动状态的实时监测。本发明具有惯性延时、双稳态触发、状态自持、状态自检、抗过载等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明盖板层的结构示意图。

图3为本发明隔断层的结构示意图。

图4为本发明隔断层中双稳态控制模块i的结构示意图。

图5为本发明起爆层的结构示意图。

图6为本发明装配关系的示意图。

图7为本发明双稳态控制模块i的解锁原理示意图，其中图a为锁定状态图，图b、c为驱动子步分解图，图d为解锁状态图。

图8为本发明双稳态控制模块i的锁定原理示意图，其中图a为解锁状态图，图b、c为驱动子步分解图，图d为锁定状态图。

图9为本发明的安全状态图。

图10为本发明的延时驱动状态图。

图11为本发明的解保状态图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。

参照图1，一种具有惯性延时功能的双稳态mems安保装置，整体呈叠层结构，从顶至底依次为盖板层100、隔断层200以及起爆层300，相邻层通过金-金键合的方式实现连接；隔断层200通过胶结键合的方式与y型光纤400连接，隔断层200和y型光纤400位于同一平面，y型光纤400用于实现隔断层200内部状态的监测。

参照图2，所述的盖板层100包括盖板衬底101，盖板衬底101中心附近设有传爆孔102，盖板衬底101的长边设有控制电极窗104与起爆电极窗103，盖板衬底101上表面的四周设有厚度为1～3um的盖板金键合区105。

参照图3，所述的隔断层200由隔断模块iii、延时模块ii以及双稳态控制模块i组成，在隔断层200正反两面的四周设有厚度为1～3um的隔断金键合区210，在隔断层200的一边设有光纤孔209，隔断模块iii中的隔断模块轴线230与光纤孔轴线229共线；

所述的隔断模块iii包括滑动隔板211，在滑动隔板211的中心设有含能药腔213，含能药腔213中填充有含能药剂228，在滑动隔板211的内侧长边设有隔板齿条231，外侧长边设有隔板滚珠孔212，在隔板滚珠孔212中填充有滚珠204；

所述的延时模块ii包括相互啮合的大齿轮203与小齿轮206，小齿轮206的齿槽间和平面扭簧205中的扭簧摆动端232配合，在小齿轮206的中心设有4个小齿轮滚珠孔208，小齿轮滚珠孔208与小齿轮轴207所组成的空间中填充滚珠204；

大齿轮203与隔断模块iii中的隔板齿条231相互啮合，大齿轮203的中心设有4个大齿轮滚珠孔202，大齿轮滚珠孔202与大齿轮轴201所组成的空间中填充滚珠204，大齿轮203的下方齿槽和双稳态控制模块i中的控制锁215配合；

参照图4，所述的双稳态控制模块i包括呈轴对称布局的左控制模块i1与右控制模块i2，左控制模块i1与右控制模块i2通过连接臂218相连，连接臂218中点通过t型梁217与双稳态模块i3中的匚型槽216连接；左控制模块i1与右控制模块i2内部结构相同；

所述的左控制模块i1包括左冷臂223，左冷臂223两侧分别设有左下热臂224、左上热臂222，左下热臂224、左上热臂222以及左冷臂223的顶端连接，左下热臂224、左上热臂222以及左冷臂223的末端分别与左下电极221、左上电极219以及左地电极220连接；

所述的双稳态模块i3包括双稳态梁214，双稳态梁214的两端分别与左锚点233以及右锚点234相连，双稳态梁214的中点设有控制锁215以及匚型槽216结构。

参照图5，所述的起爆层300包括起爆器衬底301，在起爆器衬底301上设有半导体桥302，半导体桥302的两端分别与左起爆电极304以及右起爆电极303连接，半导体桥302、左起爆电极304以及右起爆电极303外侧的起爆器衬底301的上表面设有厚度为1～3um的起爆金键合区305。

本发明的工作原理为：

参照图6，所述的起爆层300、隔断层200以及盖板层100按照顺序依次通过金-金键实现连接，y型光纤400与隔断层200设计在同一平面，并使用胶结键合的方式与隔断层200连接，y型光纤400通过光纤孔209穿出，实现对隔断层200中滑动隔板211运动状态的实时监测，相应信号用于改变双稳态控制模块i的状态，从而实现对整个mems安保装置状态的控制。

参照图7(a)，双稳态模块i3位于中心轴线235的上端，左下热臂224、左冷臂223、右下热臂225、右冷臂226无电流通过，t型梁217与匚型槽216的底部相接触，此时，双稳态控制模块i处于锁定状态；

参照图7(b)，电流分别通过左下热臂224与左冷臂223回路以及右下热臂225与右冷臂226回路，由于左下热臂224与右下热臂225宽度较窄，产生的热量较多，因此左控制模块i1与右控制模块i2会产生向下的热变形，此时，t型梁217将双稳态模块i3拉至与中心轴线235水平位置，即非稳态平衡点；

参照图7(c)，左控制模块i1与右控制模块i2的驱动状态保持上一工作状态，虽然t型梁217不再提供更多的热变形，但是在驱动惯性的作用下，双稳态模块i3将继续向下运动直至到达中心轴线235下端的稳态平衡位置，此时，t型梁217与匚型槽216的相分离；

参照图7(d)，双稳态模块i3保持位于中心轴线235下端的稳定状态，去除左控制模块i1与右控制模块i2的电流，左下热臂224、左冷臂223、右下热臂225、右冷臂226在弹性力的作用下回到初始位置，t型梁217与匚型槽216的顶部相接触，此时，双稳态控制模块i处于解锁状态；

参照图8(a)，双稳态模块i3位于中心轴线235的下端，左上热臂222、左冷臂223、右上热臂227、右冷臂226无电流通过，t型梁217与匚型槽216的顶部相接触，此时，双稳态控制模块i处于解锁状态；

参照图8(b)，电流分别通过左上热臂222与左冷臂223回路以及右上热臂227与右冷臂226回路，由于左上热臂222与右上热臂227宽度较窄，产生的热量较多，因此左控制模块i1与右控制模块i2会产生向上的热变形，此时，t型梁217将双稳态模块i3推至与中心轴线235水平位置，即非稳态平衡点；

参照图8(c)，左控制模块i1与右控制模块i2的驱动状态保持上一工作状态，虽然t型梁217不再提供更多的热变形，但是在驱动惯性的作用下，双稳态模块i3将继续向上运动直至到达中心轴线235上端的稳态平衡位置，此时，t型梁217与匚型槽216的相分离；

参照图8(d)，双稳态模块i3保持位于中心轴线235上端的稳定状态，去除左控制模块i1与右控制模块i2的电流，左上热臂222、左冷臂223、右上热臂227、右冷臂226在弹性力的作用下回到初始位置，t型梁217与匚型槽216的底部相接触，此时，双稳态控制模块i处于锁定状态；

参照图9，所述的双稳态控制模块i处于锁定状态，控制锁215处于大齿轮203的齿槽之间，使隔断模块iii与延时模块ii相互锁定，含能药腔213与半导体桥302错位，此时mems安保装置处于安全状态；

参照图10，在电信号的触发下，所述的双稳态控制模块i由锁定状态变为解锁状态，控制锁215解除对大齿轮203的约束，在惯性力的作用下，滑动隔板211拉动大齿轮203转动，进而带动小齿轮206拨动平面扭簧205，在平面扭簧205弹性力的作用下实现对滑动隔板211运动的周期性阻挡，此时，滑动隔板211将在惯性力的作用下缓慢的运动，y型光纤400实现对滑动隔板211运动状态的监测。

参照图11，当滑动隔板211运动到位时，y型光纤400将产生相应的信号，双稳态控制模块i在该信号的触发下由解锁状态转变为锁定状态，控制锁215重新完成对大齿轮203的约束，进而实现隔断模块iii与延时模块ii的重新锁定，半导体桥302与含能药腔213对正，此时，mems安保装置处于解保状态。