孫毅，婁文忠，馮恒振，鄭學(xué)均

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120;3.重慶長安工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶 401120)

MEMS系統(tǒng)具有微型化、集成化、可大批量生產(chǎn)、成本低廉的特點(diǎn)，尤其適合在引信中應(yīng)用，為推動引信小型化和智能化提供了技術(shù)支撐[1-2]. MEMS系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕、性能可靠的特點(diǎn)，因此美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家高度重視其在引信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究. MEMS技術(shù)應(yīng)用于引信中的一個重要方向就是MEMS安全系統(tǒng)[3]. 相比非MEMS安全系統(tǒng)，MEMS安全系統(tǒng)具有體積小、重量輕和作用可靠等優(yōu)點(diǎn)，從而大大減小了安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，有利于提供足夠的空間以滿足引信增加新功能的需求. 因此，MEMS安全系統(tǒng)已成為新的研究熱點(diǎn)[4]. 其主要設(shè)計思想是，MEMS安全系統(tǒng)模塊化設(shè)計，材料選用鎳基或者銅基，采用LIGA或UV-LIGA工藝，可實現(xiàn)部分功能模塊的集成加工. MEMS安全系統(tǒng)的另一種設(shè)計思路則是機(jī)械、電子及火工品技術(shù)的一體化高密度集成，基于硅材料，采用DRIE或者SOI工藝，可實現(xiàn)MEMS安全系統(tǒng)整體的一體化加工. 近年來國內(nèi)的MEMS安全系統(tǒng)發(fā)展比較迅速，許多單位都在探索既符合MEMS工藝又滿足引信傳爆和安全性設(shè)計準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)[5-7]. 國內(nèi)在LIGA、UV-LIGA、DRIE等設(shè)計工藝以及MEMS安全系統(tǒng)的研究方法上起步晚，DRIE、SOI等工藝以及微裝配技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致加工成本高、周期長，制約了國內(nèi)硅基MEMS安全系統(tǒng)與非硅MEMS安全系統(tǒng)的批量應(yīng)用. 因此，隨著國內(nèi)MEMS加工技術(shù)、集成電路技術(shù)、微裝配技術(shù)以及材料制備與特征研究瓶頸的突破，逐步應(yīng)用硅基與非硅MEMS安全系統(tǒng)是引信發(fā)展的一個必然趨勢. 文中依據(jù)小口徑彈藥的發(fā)射環(huán)境及勤務(wù)處理環(huán)境，設(shè)計了具有彈道環(huán)境閾值判定機(jī)構(gòu)的MEMS引信，以滿足各類彈藥的需求.

1 硅基MEMS安全系統(tǒng)設(shè)計

硅基MEMS安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示. 其MEMS安全系統(tǒng)整體尺寸為10 mm×10 mm×0.4 mm. 安全系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)為小口徑彈所受彈道環(huán)境力，主要包括彈藥發(fā)射時的后坐力和彈藥旋轉(zhuǎn)時的離心力. 硅基MEMS安全系統(tǒng)的簡要工作原理如下：在彈藥的發(fā)射狀態(tài)下，硅基MEMS安全系統(tǒng)在后坐過載的作用下，后坐保險機(jī)構(gòu)的后坐滑塊克服后坐MEMS彈簧迅速滑至底部并被后坐閉鎖機(jī)構(gòu)鎖死在底部，從而解除對隔爆滑塊的約束.

當(dāng)彈藥出膛后，由于小口徑彈的旋轉(zhuǎn)，并持續(xù)一定時間，安全系統(tǒng)的隔爆滑塊繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，其中隔爆滑塊中心距離旋轉(zhuǎn)軸距離為r≈5 mm，離心力大于硅基MEMS彈簧與離心閾值機(jī)構(gòu)的最大斷裂強(qiáng)度，彈簧與離心閾值機(jī)構(gòu)斷裂，隔爆滑塊在離心力的驅(qū)動下運(yùn)動，最終實現(xiàn)安全系統(tǒng)解除保險，MEMS安全系統(tǒng)處于待發(fā)狀態(tài). 另外，為了提高設(shè)計效率，縮短研究周期，因此本節(jié)在保證質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的慣性力與原始結(jié)構(gòu)基本一致的條件下，對閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合理的簡化. 其中，簡化的閾值判定機(jī)構(gòu)，其核心部件主要包括隔爆滑塊，連接節(jié)點(diǎn)和框架. 本方案可一體化加工，尺寸微小，易于批量生產(chǎn)，成本低. 硅基MEMS安全系統(tǒng)主要包括基板、后坐保險機(jī)構(gòu)、隔爆滑塊、硅基MEMS彈簧機(jī)構(gòu)、離心閾值機(jī)構(gòu)、傳爆孔和閉鎖機(jī)構(gòu).

圖1 MEMS安全系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Overall structural layout of MEMS safety and arming device

硅基MEMS彈簧如圖2所示，MEMS彈簧橫截面為正方形，邊長為d≈50 μm；根據(jù)設(shè)計，隔爆滑塊的體積約為

VHK=5×5×0.3=7.5 mm3

(1)

mHK=ρV

(2)

圖2 硅基MEMS彈簧結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Silicon MEMS spring structure diagram

其中，彈丸最大旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到n=50 000 r/min；而

ω=2πn

(3)

F=mHKω2r

(4)

計算得到硅基MEMS彈簧所受離心力F≈2.35 N；硅基MEMS彈簧橫截面所受壓強(qiáng)為P彈簧=F/d2=940 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅的斷裂強(qiáng)度140 MPa ，因此硅基MEMS彈簧在彈藥出膛后是完全可以可靠解保的.

圖3所示的離心閾值機(jī)構(gòu)，屬于對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到離心加速度過載時，所以只需要分析一側(cè)的受力情況即可.

圖3 MEMS安全系統(tǒng)后座保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 MEMS safety and arming device setback force insurance structure

假設(shè)施加的加速度為a，則離心力為F=ma,其中，單個連接節(jié)點(diǎn)承受的力為

F1=F/4=ma/4

(5)

單個連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3(a)所示，其中梁的跨度為L；L1為兩個圓弧的圓心距梁根部的距離；梁的最小截面處寬度為B；連接節(jié)點(diǎn)中圓弧的端點(diǎn)與基板(離心滑塊)之間的梁的平均寬度為D，主要受兩圓弧半徑R1和R2的影響.

由圖3(b)所示的連接節(jié)點(diǎn)的受力分析可以發(fā)現(xiàn)，這是一個變截面梁的平面應(yīng)力問題. 假設(shè)梁的不同截面處的寬度為B(x)，連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分量的微分方程為

(6)

基于圖3(b)所示的連接節(jié)點(diǎn)的受力分析，并根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)與基板和離心滑塊連接處的力矩平衡條件，其邊界條件為

(7)

結(jié)合式(6)和式(7)，連接節(jié)點(diǎn)在不同位置所受的彎曲應(yīng)力以及剪切應(yīng)力可以表達(dá)為

(8)

文中，L=2L1=0.13 mm，B=0.015 mm，D=0.045 mm，l=0.035 mm，R=0.042 mm，離心滑塊的質(zhì)量mHK=ρV. 另外，單晶硅的屈服強(qiáng)度σs=726 MPa，由此可求得當(dāng)σs=726 MPa時，節(jié)點(diǎn)在不同離散坐標(biāo)點(diǎn)處發(fā)生屈服失效所需加速度a的臨界值，其發(fā)生屈服失效所需的臨界加速度為a1=523.2 km/s2.

本節(jié)主要通過對比分析參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂時所需的臨界過載值的方式，對影響離心閾值機(jī)構(gòu)可靠性解保的主要參數(shù)進(jìn)行了探索性研究. 首先，針對連接節(jié)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計方案，建立對應(yīng)閾值判定結(jié)構(gòu)的參數(shù)化仿真模型. 其次，根據(jù)理論計算結(jié)果，將a=523.2 m/s2作為加載條件對參數(shù)化的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步的仿真研究.

為獲得各個參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂時承受的臨界過載值，文中以52 320g為初始值，100g為步長分別對其進(jìn)行了仿真計算，同時，基于理論計算公式分別對其進(jìn)行了理論計算. 由此，通過理論和仿真計算，并對各參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂時所需的臨界斷裂g(g=10 m/s2)值進(jìn)行總結(jié)，可以得到如圖4所示的對比分析圖.

對圖4中參數(shù)化閾值判定機(jī)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的理論和仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得到如下結(jié)論：

① 對于閾值判定機(jī)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)，其臨界斷裂g值的理論計算結(jié)果和仿真計算結(jié)果分別為52 320g和51 500g；

② 理論結(jié)果均比仿真結(jié)果高，是因為在理論計算中考慮的完全是靜態(tài)的，忽略了可能存在的速度影響，同時，在仿真計算中，由于建模時網(wǎng)格的存在而增加了模型的間隙，從而導(dǎo)致了仿真模型的強(qiáng)度略低于實際模型的強(qiáng)度；

圖4 參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的理論和仿真計算結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison of the theoretical and simulation results of the critical fracture g value of the parametric joint

③ 參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的理論結(jié)果和仿真結(jié)果具有較高的吻合度，其誤差均小于5%；

④ 對于參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)的斷裂g值，其理論和仿真計算結(jié)果均呈現(xiàn)出隨參數(shù)R1和R2的增加而遞減，隨參數(shù)B的增加而遞增以及隨L1的增加而基本維持不變的趨勢. 其中，參數(shù)R1和R2對連接節(jié)點(diǎn)斷裂g值的影響情況基本一致，且參數(shù)B是影響連接節(jié)點(diǎn)斷裂g值的最主要因素.

2 MEMS安全系統(tǒng)的加工

本研究中硅基MEMS安全系統(tǒng)采用成熟的MEMS加工工藝實現(xiàn)器件加工，圖5描述了硅基MEMS安全系統(tǒng)及相關(guān)模塊的微機(jī)械加工過程.

圖5 硅基MEMS安全系統(tǒng)加工工藝過程Fig.5 Silicon-based MEMS safety&arming device processing process

它主要包括中部的硅基MEMS安全系統(tǒng)以及器件的封裝. 具體的加工工藝流程如下：

① 備片. 采用電阻率為2～4 Ω·cm，400 μm厚的4英寸高阻硅片為基片；

② 物理氣相沉積(PVD). 背面濺射Al層，厚度為300～350 nm，作用是硬掩模；

③ 物理氣相沉積(PVD). 正面濺射Al層，厚度為300～350 nm，作用是硬掩模；

④ 結(jié)構(gòu)光刻. 結(jié)構(gòu)圖形化；

⑤ 腐蝕鋁. 正面鋁圖形化，與光刻膠形成復(fù)合掩膜，DRIE刻蝕. 將硅層圖形化；

⑥ 去膠. 濃硫酸+雙氧水徹底清潔硅片表面；

⑦ 備片. 采用300 μm厚的玻璃片為基片；

⑧ BCB光刻. BCB圖形化；

⑨ BCB鍵合. 將已經(jīng)光刻的BCB與圖形化的硅層鍵合在一起.

3 測 試

結(jié)合前文閾值判定機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計方案，對閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行批量加工并進(jìn)行相應(yīng)的試驗研究. 其中，基于MEMS安全系統(tǒng)的可靠性設(shè)計原則，本節(jié)主要對閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩類試驗，其具體的試驗內(nèi)容如表1所示.

表1 閥值判定機(jī)構(gòu)的試驗方案及試驗內(nèi)容

為驗證閾值判定機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸過程中發(fā)生意外跌落時的可靠性，文中采用如圖7所示的本實驗室自主研發(fā)的具有閾值可調(diào)、重復(fù)性好、精度高的霍普金森沖擊系統(tǒng)對閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗研究，該系統(tǒng)主要由氣壓發(fā)射裝置發(fā)射子彈撞擊壓桿產(chǎn)生過載，產(chǎn)生的沖擊過載最高可達(dá)105g.

圖7 沖擊試驗的試驗平臺Fig.7 Test platform

通過調(diào)節(jié)通入氣缸的氣體壓力，實現(xiàn)對發(fā)射過載的控制. 另外，針對本次的試驗內(nèi)容，本實驗室還設(shè)計了相應(yīng)的微試樣的安裝固定機(jī)構(gòu)，以滿足MEMS安全系統(tǒng)快速測試的需求.

由前文所述的跌落過載曲線可知，跌落過載的峰值為12 000g，為留有一定的余量，因此此處施加峰值在12 000g～20 000g范圍內(nèi)的沖擊過載對初始閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗研究. 其中，對于每個設(shè)定的沖擊過載峰值，本文均采用4個微試樣進(jìn)行重復(fù)性的試驗. 基于此，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，可得到如表2所示的試驗結(jié)果.

表2 閾值判定機(jī)構(gòu)在跌落過載下的斷裂情況

由表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加12 000g～20 000g范圍內(nèi)的峰值過載時，閾值判定機(jī)構(gòu)的所有樣品均未發(fā)生斷裂失效，因而，可以判定閾值判定機(jī)構(gòu)在發(fā)生意外跌落時不會出現(xiàn)意外解保的情況，其設(shè)計滿足MEMS安全系統(tǒng)可靠性的設(shè)計要求.

另外，為了驗證連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的理論和仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，文中采用的高速離心機(jī)和對應(yīng)的試驗工裝對參數(shù)化的閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究. 其中，離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)30 kr/min，試驗工裝上閾值判定機(jī)構(gòu)安裝位置的偏心距為90 mm，由此計算可得，離心機(jī)所能提供的最大離心過載可達(dá)88 826g.

基于前文中參數(shù)化閾值判定機(jī)構(gòu)的理論和仿真分析，為留有一定的余量，此處以30 000g的離心過載作為初始值，并以400g作為控制步長，分別對不同參數(shù)化閾值判定機(jī)構(gòu)進(jìn)行4組重復(fù)性的試驗，以探索參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)的斷裂g值. 其中，參數(shù)化閾值判定機(jī)構(gòu)的一組試驗結(jié)果的電鏡圖如圖7所示.

圖7 參數(shù)化閾值判定機(jī)構(gòu)的試驗結(jié)果Fig.7 Test results of parameterized threshold-value judging mechanism

對每個參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)重復(fù)性的試驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，相同加工批次、同種設(shè)計參數(shù)的連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值具有較大的離散性，說明硅的材料特性具有一定的離散性，在設(shè)計中應(yīng)該予以考慮. 另外，對試驗結(jié)果取平均值，并結(jié)合理論和仿真計算結(jié)果，可以得到參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)的理論計算值、仿真計算值和試驗平均值的對比分析結(jié)果，如圖8所示.

由圖8可知，對于連接節(jié)點(diǎn)的初始結(jié)構(gòu)，其臨界斷裂g值的理論計算結(jié)果、仿真計算結(jié)果和試驗結(jié)果分別為：52 320g、51 500g和53 700g，因此，可以認(rèn)為所設(shè)計的閾值判定機(jī)構(gòu)在53 700g的離心過載下能夠可靠的解保. 由此可以發(fā)現(xiàn)，對于35 mm口徑彈藥，若能滿足MEMS安全系統(tǒng)離心滑塊的質(zhì)心距彈軸的距離不小于8.7 mm，且彈丸的壁厚不超過4.8 mm時，那么所設(shè)計的閾值判定機(jī)構(gòu)則可以應(yīng)用到35 mm口徑彈藥的應(yīng)用平臺上. 另外，所設(shè)計的閾值判定機(jī)構(gòu)也適用于能夠提供不小于53 700g離心過載的其他武器平臺. 另外，由圖8所示的參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的研究結(jié)果的對比分析曲線，可以得到如下的結(jié)論：

圖8 參數(shù)化閾值判定機(jī)構(gòu)的分析結(jié)果Fig.8 The analysis results of parameterized threshold-value judging mechanism

① 參數(shù)化連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的試驗結(jié)果的平均值均高于理論和仿真計算結(jié)果. 其可能是理論計算和仿真分析中沒有考慮到試驗中存在的摩擦和氣體阻尼引起的；

② 相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，理論計算、仿真分析與試驗結(jié)果具有較高的吻合度，且其之間的誤差均小于10%. 因此，可知，理論和仿真分析方法是準(zhǔn)確的、可靠的，為節(jié)省設(shè)計周期和成本，可以通過理論結(jié)合仿真的分析方法進(jìn)行初期的優(yōu)化設(shè)計.

③ 在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值的理論計算、仿真分析和試驗結(jié)果隨參數(shù)的變化基本呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律. 由此可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)R1、R2、B和L1對連接節(jié)點(diǎn)臨界斷裂g值影響的理論和仿真分析是準(zhǔn)確的，那么在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中需要對參數(shù)B進(jìn)行重點(diǎn)考慮.

4 結(jié)束語

文中針對小口徑彈藥MEMS安全系統(tǒng)的應(yīng)用需求，結(jié)合小口徑彈藥的彈道環(huán)境，建立硅基MEMS安全系統(tǒng)及其對環(huán)境狀態(tài)敏感的閾值判定機(jī)構(gòu)模型；通過理論計算和動力學(xué)仿真完成結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化；結(jié)合MEMS加工工藝完成器件加工；最終，通過地面模擬試驗完成MEMS安全系統(tǒng)性能測試，以滿足小口徑彈藥對安全系統(tǒng)的批量化、高可靠的需求.