一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，具体涉及一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统的原理及其设计方法，属于小口径弹药引信MEMS安全系统领域。

背景技术

安全系统是指防止引信在勤务处理环境、装填环境、发射环境以及到达安全距离之前解除保险的各种装置组合。安全系统作为引信关键子系统之一，是实现引信安全性、提高作用可靠性的重要保障。然而，传统的引信安全系统通常具有较大的体积，需要占据较大的弹上空间。除此之外，由于小口径弹药的装药量受战斗部体积限制较大，减小引信安全系统的体积对于增大战斗部装药量、提升小口径弹药的毁伤效能具有重要的意义。因此，如何实现小口径弹药引信的微小型化，对于扩展引信的功能、实现引信的智能化并保证战斗部的毁伤效果是当前小口径弹药引信研究亟需要解决的问题。

MEMS技术作为一门新兴的技术，能将微尺度的机械、流体、光学与微电子电路集成从而完成传感、信号处理、计算、控制和执行等功能。基于MEMS技术的器件具有体积小、重量轻、功能全、抗过载能力强、批量生产成本低等特点，非常适合应用于引信安全系统中。将MEMS技术应用于小口径弹药引信中，实现引信安全系统的微小型化，可满足武器系统对弹药引信低成本、小尺寸和高可靠性等方面的重大需求。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，要解决的技术问题为：解决小口径弹药引信安全系统在高动态环境中的安全性与可靠性问题，满足小口径弹药引信微小型化、通用化和高可靠性的军事需求。具有以下优点：(1)结构尺寸小；(2)作用可靠；(3)制造成本低；(4)应用范围广。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，主要由形状记忆合金拔销器(1)、隔爆滑块(2)、后坐保险机构(3)和闭锁机构(4)等部分构成。弹丸发射时，在炮管内完成解除后座保险动作，出炮口后在磁阻传感器和控制电路作用下给形状记忆合金拔销器供电，形状记忆合金拔销器发生形变进而退出隔爆滑块保险槽，解除对隔爆滑块的第二道保险。

所述的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，其控制逻辑为：在膛内发射阶段，硅基后坐保险机构在后坐力的作用下解除对隔爆滑块的第一道保险。由于金属炮管的磁屏蔽作用，地磁场强度值在弹丸从膛内到出炮口有一幅值跃迁，采用磁阻传感器、控制电路和形状记忆合金拔销器机电结合的方式解除对隔爆滑块的第二道保险。其中，安全系统远距离解除保险通过控制电路的延时功能实现。形状记忆合金拔销器通电后解除对隔爆滑块第二道保险，在离心力的作用下隔爆滑块运动到位，通过闭锁机构完成对隔爆滑块解保状态的锁定。

所述的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，其中MEMS芯片包括隔爆滑块、后坐保险机构、具有解保功能的形状记忆合金拔销器等部分。MEMS芯片需平行于弹轴方向，同时有一定偏心距以充分利用离心力驱动隔爆滑块。

所述的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，其中硅基后坐保险机构由质量块、后坐硅基弹簧和卡扣等部分组成。后坐保险机构通过质量块在后坐力的作用下实现运动，运动到位后通过卡扣的互锁来实现保险功能，通过后坐硅基弹簧防止勤务处理时因意外跌落解除后坐保险。

所述的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，形状记忆合金拔销器在满足远距离解除保险条件下通电，其解保端沿着弹丸横轴方向收缩以解除对隔爆滑块的保险。形状记忆合金解保拔销器两端为固定端，电压直接加载在此部分。中间是弹簧梁，由热膨胀引起相变产生的变形来实现执行器的运动。输入的物理量为加载在两端矩形大面积处的电势，以在合金材料中形成固定电流，所产热量传递向执行器的弹簧结构，并由形状记忆合金弹簧硅衬底传向PCB衬底后向空气中散热。弹簧受热膨胀后引起合金材料的相变，从而产生变形实现解保功能。

所述的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，其中隔爆滑块、后坐保险机构和闭锁机构在同一基片上进行加工。采用基于聚乙烯的SOI硅基工艺实现形状记忆合金拔销器并与MEMS安全系统集成。采用顶层硅厚度为50μm、氧化层2μm、基底硅厚度500μm的SOI硅片。顶层硅用作结构层，中间的SiO

所述的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，采用形状记忆合金拔销器与磁阻传感器相结合的方案解除隔爆滑块的第二道保险。磁阻传感器用于感知地磁场的变化，检测弹丸是否出炮口。当小口径弹药由炮管发射后，地磁场强度从膛内到外部环境有较大的变化，通过磁阻传感器和控制电路可以给形状记忆合金拔销器供电，形状记忆合金保险机构发生形变进而退出隔爆滑块保险槽，解除对隔爆滑块的第二道保险。

有益效果

1、相比于现有的引信MEMS安全系统，本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，将保险机构、隔爆滑块和闭锁机构整合在同一片硅片上，利用弹丸旋转的离心力产生驱动位移，充分考虑了小口径弹药的弹道环境特点，有利于减小引信安全系统的功耗。同时该装置具有体积小、重量轻、结构紧凑、原理简单、制造成本低、通用化程度高、工作可靠等优点，可以被广泛应用于多种小口径弹药上。

2、本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，有别于传统的安全系统，采用硅基材料制备MEMS安全芯片，基于硅基材料来源丰富、存储量大、生产成本低的状况，以及硅基制造工艺的成熟，使得加工制造成本较低，是一个经济可行的方案。

3、本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，采用形状记忆合金制备解除第二道保险的拔销器。形状记忆合金是一种能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，具有独特的形状记忆效应、相变的伪弹性等特性，其优点之一是可以引起高水平的可恢复塑性应变，产生塑性变形后，恢复温度时也能够恢复到变形前的形状。形状记忆合金具有驱动力大、驱动位移远等优点，采用形状记忆合金作为执行器能更好地促进其在引信安全系统中的应用，扩宽了本发明的应用范围。

4、本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统，在充分考虑引信实际应用背景的基础上，采用磁阻传感器、控制电路和形状记忆合金拔销器机电结合的方式解除对隔爆滑块的第二道保险。既通过磁阻传感器感受地磁环境信息，启动控制电路中的计时器，保证了弹丸出炮口后的安全距离，又通过形状记忆合金拔销器在控制电路的作用下解除对隔爆滑块的第二道保险，提高了引信系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统结构示意图。

图2为本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统的隔爆滑块机构示意图。

图3为本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统的后座保险机构示意图。

图4为本发明公开的一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统的形状记忆合金拔销器示意图。

其中：1-形状记忆合金拔销器、2-隔爆滑块、3-后坐保险机构、4-闭锁机构、2-1隔爆滑块保险槽、2-2定位槽、2-3隔爆滑块硅基弹簧、2-4后坐保险槽、2-5T形锁头、3-1质量块、3-2卡扣、3-3后坐硅基弹簧。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明的内容做进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种基于形状记忆合金的MEMS安全系统。如图1所示，主要包括形状记忆合金拔销器1、隔爆滑块2、后坐保险机构3和闭锁机构4；在同一硅基片上加工出隔爆滑块、后坐保险机构和闭锁机构。在膛内发射阶段，如图3所示，后坐保险机构中质量块3-1在后坐力作用下压缩后坐硅基弹簧3-3运动，待运动到位后卡扣3-2动作，质量块头部完全脱离后坐保险槽2-4，硅基后坐保险机构解除对隔爆滑块的第一道保险。由于金属炮管的磁屏蔽作用，地磁场强度值在弹丸从膛内到出炮口有一幅值跃迁，当小口径弹药由炮管发射后，地磁场强度从膛内到外部环境有较大的变化，通过磁阻传感器和控制电路可以给形状记忆合金拔销器1供电，形状记忆合金保险机构发生形变进而退出隔爆滑块上的保险槽2-1，解除对隔爆滑块的第二道保险。隔爆滑块2在离心力的作用下挣脱隔爆滑块硅基弹簧2-3的束缚运动，待隔爆滑块2上的T形锁头2-5与L形闭锁机构4形成闭锁，形状记忆合金拔销器1上的执行机构进入隔爆滑块2上的定位槽2-2，传爆序列对正。

图1所示的实施方案中，采用基于聚乙烯的SOI硅基制备工艺实现形状记忆合金拔销器并与MEMS安全系统集成。拟采用顶层硅厚度50μm、氧化层厚度2μm、基底硅厚度500μm的SOI硅片。顶层硅用作结构层，中间的SiO

最后需要注意的是，以上所诉的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，目的在于进一步理解本发明，所应理解的是，以上所诉仅为本发明的具体实例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含着本发明的保护范围之内。