阅读说明：本技术 一种微机械碰撞开关控制装置 (Micro-mechanical collision switch control device ) 是由 陈荷娟 季兆伟 童辉 刘向磊 徐澍民 李智鹏 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：一种微机械碰撞开关控制装置,本发明属于引信发火控制技术领域,特别涉及利用柔性斜支撑动电极的微机械碰撞开关、发火控制电路而提供一种微机械碰撞开关控制装置。包括MEMS碰撞开关、发火控制电路构成的结构；其特征在于：MEMS碰撞开关是一个独立的结构,包含MEMS碰合开关和MEMS落地开关,位于头部机构中心的空腔内；发火控制电路和其他机构位于底部机构；弹丸主装药位于头部机构和底部机构中间；引信电源、爆炸序列位于引信底部机构,用导线将MEMS碰撞开关、爆炸序列串联于发火控制电路。本发明在继承现役引信主功能和结构要素基础上,改进设计了一种柔性斜支撑微机械碰撞开关控制装置,具有敏感多方向碰撞力的能力,可以有效提高小落角擦地的发火作用可靠性。(the invention discloses a micro-mechanical collision switch control device, belongs to the technical field of fuze ignition control, and particularly relates to a micro-mechanical collision switch control device which utilizes a flexible inclined support moving electrode and an ignition control circuit. The device comprises a structure consisting of an MEMS collision switch and an ignition control circuit; the method is characterized in that: the MEMS collision switch is an independent structure, comprises an MEMS collision switch and an MEMS floor switch and is positioned in a cavity in the center of the head mechanism; the ignition control circuit and other mechanisms are positioned on the bottom mechanism; the main pill charge is positioned between the head mechanism and the bottom mechanism; the fuse power supply and the explosion sequence are positioned at the bottom mechanism of the fuse, and the MEMS collision switch and the explosion sequence are connected in series with the ignition control circuit by leads. On the basis of inheriting the main function and structural elements of an active fuse, the invention improves and designs the flexible inclined support micro-mechanical collision switch control device, has the capability of sensing multidirectional collision force, and can effectively improve the reliability of the ignition effect of wiping the ground at a small falling angle.)

一种微机械碰撞开关控制装置

技术领域

本发明属于引信发火控制技术领域，特别涉及利用柔性斜支撑的微机械碰撞开关、发火控制电路的一种微机械碰撞开关控制装置。

背景技术

引信主要包括安全系统、发火控制系统、***序列三大部分，是配用于弹丸或战斗部的一种利用目标信息和环境信息在预定条件下引爆或引燃弹药的控制系统。破甲弹引信配用于破甲弹。破甲弹是一种以聚能效应形成的金属射流穿透装甲目标的炮弹，是对付坦克、装甲车和土木工事等的有效武器，可配用于加农炮、榴弹炮、火箭筒、无后坐力炮等，在直射和有效射程***角很小，不可能百分之百地命中装甲目标，多数情况下弹丸落于装甲目标附近地面，着落时往往还会出现擦地现象。引信是配用于破甲弹的一种利用目标信息和环境信息在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制系统。为了保证破甲弹碰击装甲目标和落地时都能够可靠***，杀伤随进人员，要求引信具有极高的触发灵敏度。

破甲弹引信，至今经历了机械引信、压电引信、机电引信三个发展时期。早期的机械引信、压电引信无擦地炸功能，如美国的M509和M412压电引信、中国的电-1和电-2引信，武器效能得不到充分发挥，给部队训练也带来一定的困难。随着装甲防护技术的进一步提高，复合装甲、第三代反坦克武器的相继出现，上世纪九十年代发展了一种利用机电技术的储电式机电引信，代替压电引信，增加了擦地炸功能，如美国M764机电引信、我国的DRD系列储电式机电引信。

发火控制系统括各种控制开关和发火控制电路。其中，用于碰击目标控制正常发火的开关叫碰撞开关，按作用原理分类，通常有碰合开关和落地开关两种。目前多数是利用地面反作用力直接作用的刚性支撑碰撞开关，有针刺火帽式惯性触发、带碰合开关电源控制式、电源风帽控制结构式、风帽-销状极结构碰合开关式、弹簧-质量块式等多种结构。发火控制电路由储能电容器、带短路开关的电***、碰合开关等组成。储能电容器的充、放电受引信电源、短路开关、碰合开关、落地开关控制，引信电源在膛内为储能电容器充电，平时短路开关闭合、在出炮膛几十米的飞行弹道上打开，碰目标时碰合开关闭合或落地时落地开关闭合此时储能电容器才能放电，然后，电******，依次引爆弹丸。

美国M764引信、DRD系列储电式机电引信擦地炸装置的碰撞开关，都是“弹簧-质量块式”，落地后直接在地面介质反作用力下闭合，置于头部机构的引信轴（引信轴与弹轴重合）线上。由于只能在偏离引信轴的很小角度内擦地发火，这种擦地炸装置的各向灵敏度一致性较差，其它方向发火性能很差，降低了破甲弹引信的小落角擦地炸性能。弹丸落地碰击的姿态随意性很大，以上置于引信头部的刚性支撑碰撞开关难以敏感任意方向地面介质反作用力。由于开关在头部不能使引信结构全密封，造成引信总体设计密封的问题。

微机电系统(Micro-Electromechanical-System，缩写为MEMS)具有体积小、可靠性高、成本低以及便于集成等特点。基于这些特点，随着引信体积小型化、功能模块化、结构集成化的发展趋势，利用MEMS制造技术设计的MEMS开关在引信中应用备受关注。目前，引信中使用的MEMS开关都是MEMS惯性开关，利用弹簧-质量块系统振动原理闭合或断开，感知加速度产生的惯性力（也称后坐力），质量块受惯性力运动的方向与加速度方向相反。近年来，随着结构小型化和模块化的发展需要，引信技术领域出现了多种基于MEMS工艺制造的MEMS惯性开关，最早出现的MEMS惯性开关，是一种单自由度的MEMS惯性开关，敏感一个方向的惯性力，后来出现了MEMS万向惯性开关。例如，中国发明专利“一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关”（专利号：CN107359057A，南京理工大学席占稳等），可动电极是一个多个径向弹簧支撑的环形质量块，中心轴水平方向、轴方向设计多个固定电极，可以构成多个并联连接惯性开关，敏感径向、轴向的加速度载荷。美国发明专利US8237521 B1也设计了一种置于轴线上的多方向敏感MEMS加速度开关，将内侧由一个盘簧支撑的圆环形质量快作为可动电极，周向均匀设置8个质量块、轴向的盖板作为固定电极，闭合，质量块外侧（外侧圆）与固定电极闭合，可以构成9个并联连接的惯性开关，实现径向和轴向多方向敏感加速度作用。这两个例子的MEMS惯性开关都是采用柔性支撑动电极、刚性固定电极。专利CN107359057A是在圆环形质量快外侧径向线的延长线上设计了柱弹簧支撑动柱，专利US8237521柔性支撑动电极是在圆环形质量快内侧设计了一个阿基米德螺线型盘簧作支撑。

归纳起来，对于破甲弹引信发火控制系统的碰撞开关，传统的机械式、机电式碰撞开关只能敏感前进方向的前冲力，擦地灵敏度各向一致性较差，采用置于头部的刚性动电极，密封性差，闭合过程较长，接电稳定性差；MEMS万向惯性开关电极闭合的力阈值峰值小、作用时间较长，飞行和落地环境力学特征差别小，容易造成早炸事故。

发明内容

本发明的目的在于克服上述发火控制系统中的不足之处，提供一种微机械碰撞开关控制装置，可以加强反坦克破甲弹引信系统密封性、提高发火性，从而解决发火率低问题。

一种微机械碰撞开关控制装置，包括MEMS碰撞开关1、发火控制电路2构成的结构；MEMS碰撞开关1是一个独立的结构，包含MEMS碰合开关S3和MEMS落地开关S4，位于头部机构6中心的空腔内；发火控制电路2和其他机构位于底部机构3；弹丸主装药4位于头部机构6和底部机构3中间；引信电源21、***序列5位于底部机构3，用导线将MEMS碰撞开关1、***序列5串联于发火控制电路2。

所述的MEMS碰撞开关1控制的发火控制电路2由引信电源21、控制开关D1、充电开关D2、电子开关S1、短路开关S2、MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4、电容器C、***序列7中的电***22组成；其中，MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4 并联连接构成MEMS碰撞开关1，位于头部机构6中心的空腔内；发火控制电路2的其他元器件位于底部机构3内，电路中的电***22是***序列7的第一级火工品，当其上流过电流达到起爆阈值时会发生***；弹丸主装药4置于头部机构6和底部机构3中间，在壳体（也称引信本体）上留有导线的槽或孔（图1中未画出）；头部机构6顶端密封。

所述的发火控制电路2是一个串联了***序列5内电***22的引信专用发火控制电路，其中，引信电源21、电容器Ｃ、控制开关D1、充电开关D2构成供电回路；控制开关D1的一端接引信电源1正极，另一端接充电开关D2；电容器Ｃ正极接充电开关D2，负极接“地”端（通常接引信壳体）；短路开关S2是***序列5的电***22的安全开关，位于底部机构3内，控制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号VA（对应弹丸出炮口后安全距离位置）；电子开关S1是一个延时开关，其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号VB，VB是一个延时脉冲信号（比VA晚出现，对于弹丸出炮口后大于安全距离位置）；S1一端接电容器Ｃ负极，另一端接S2与电***（3）的并联端。

所述的发火控制电路中的控制开关闭合顺序是：D1、D2、S2、S1、S3或S4。

所述的MEMS碰撞开关1由MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4并联连接构成，是基于MEMS工艺制造的常开型微机械开关模块；S3和S4结构相同，都是薄层结构，包含方形绝缘衬底7、柔性斜支撑动电极8、固定电极9。柔性斜支撑动电极8和固定电极9位于方形绝缘衬底8中央，其中，固定电极10在柔性斜支撑动电极9内中心位置。但是作用阈值不同，MEMS碰合开关S3的闭合阈值高于MEMS落地开关S4，前者依靠碰装甲时目标反作用力K_M闭合，而后者依靠落地时地面介质反作用力K_L闭合。

本发明发火控制电路涉及的MEMS碰撞开关，其作用原理与MEMS惯性开关不同，是利用碰撞目标或落地过程中产生的碰撞力工作的一种开关。根据冲量定理，一个物体碰撞另一物体时受到另一个物体时所受的作用力是碰撞力，属于瞬时力，碰撞力值很大、作用时间极短。因此，本发明将MEMS碰撞开关设计在引信结构内部，尺寸很小，也有利于引信结构的密封。

所述的柔性斜支撑动电极8，包含块形支撑座81、柱形弹簧82、限位销83、质量块84、长连接条85，材料均为导电金属。其中，质量块84是一个有多个平衡孔的圆盘，外圆间隔设计了6个半圆缺口841和6个凸起842及6个限位销83，固定在方形绝缘衬底7上，分别对准质量块84外圆的半圆缺口841，它们起限制质量块84大位移运动的作用；共有6个柱形弹簧82，其两端分别连接质量块84上凸起842、块形支撑座81，使质量块84悬空于方形绝缘衬底7上方；块形支撑座81固定于方形绝缘衬底7上，将其中的一个块形支撑座81接一个长连接条85，长连接条85与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的d端连接。

所述的固定电极9包含支撑座91、螺旋盘簧92、齿形导电环93及短连接条94，材料均为导电金属。其中，支撑座91固定在方形绝缘衬底7上，位于质量块84的中心，通过螺旋盘簧92连接齿形导电环93。短连接条94与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的e端连接。

所述的MEMS碰撞开关1中心轴与弹轴重合，柱形弹簧82不在径向线的延长上，而是斜置于质量块84外侧，柱形弹簧82中心轴与径向线的夹角为锐角α。设计6个半圆缺口841的弧半径85微米，限位销93半径为60微米，限位间隙大于径向接触间隙，可以满足限制质量块84受到过大冲击时产生过大位移和旋转。齿形导电环93的外圆有16个齿，厚为15微米，内圆直径为380微米，与质量块84环隙为80微米。螺旋盘簧92线宽为10微米、厚为30微米。当MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的质量块84受到碰装甲时目标反作用力K_M或落地时地面介质反作用力K_L作用，则MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

本发明在继承现役引信主功能和结构要素基础上，改进设计了一种柔性斜支撑微机械碰撞开关控制装置，具有敏感多方向碰撞力的能力，可以有效提高小落角擦地的发火作用可靠性。

附图说明：

图1为本发明引信结构示意图；

图2为本发明MEMS碰撞开关控制的发火控制电路原理图；

图3为本发明MEMS碰撞开关的柔性斜支撑动电极结构示意图；

图4为本发明MEMS碰撞开关的固定电极结构示意图。

图中：

1、MEMS碰撞开关；S3、MEMS碰合开关；S4、MEMS落地开关；

2、发火控制电路；21、引信电源；22、电***；D1、控制开关；D2、充电开关；C、电容器；S1、电子开关；S2、短路开关；

3、底部机构；

4、弹丸主装药；

5、***序列；

6、头部机构；

7、方形绝缘衬底；

8、柔性斜支撑动电极；81、块形支撑座；82、柱形弹簧；83、限位销；84、质量块；841、半圆缺口；842、凸起；85、长连接条；

9、固定电极；91、支撑座；92、螺旋盘簧；93、齿形导电环；94、短连接条；

X、其他；

F1、电源发电后坐力；F2、最大后坐力；F3、炮口处后坐力； VA、解除保险信号；VB、延时脉冲信号；K_M、碰装甲时目标反作用力；K_L、落地时地面介质反作用力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

结合图1～图4，本发明所述的一种微机械碰撞开关控制装置，包括MEMS碰撞开关1、发火控制电路2构成的结构；其中， MEMS碰撞开关1是一个独立的结构，包含MEMS碰合开关S3和MEMS落地开关S4，位于头部机构6中心的空腔内；发火控制电路2和其他机构位于底部机构3；弹丸主装药4位于头部机构6和底部机构3中间；引信电源21、***序列5位于引信底部机构3。用导线将MEMS碰撞开关1、***序列5串联于发火控制电路2。

其中，MEMS碰撞开关1控制的发火控制电路2由引信电源21、控制开关D1、充电开关D2、电子开关S1、短路开关S2、MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4、电容器C、***序列5中的电***22组成。其中，MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4 并联连接构成MEMS碰撞开关1，位于头部机构6中心的空腔内；发火控制电路1的其他元器件位于底部机构3内，电路中***序列5的电***22是***序列5的第一级火工品，当其上流过电流达到起爆阈值时会发生***；弹丸主装药4置于头部机构6和底部机构3中间，在壳体（也称引信本体）上留有导线的槽或孔（图1中未画出）；头部机构6顶端密封。

所述的发火控制电路2是一个包含***序列5的电***22的引信专用发火控制电路，其中，引信电源21、电容器Ｃ、控制开关D1、充电开关D2构成供电回路。控制开关D1的一端接引信电源21正极，另一端接充电开关D2；电容器Ｃ正极接充电开关D2，负极接“地”端（通常接引信壳体）；短路开关S2是***序列5的电***22的安全开关，位于底部机构3内，控制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号VA（对应弹丸出炮口后安全距离位置）；电子开关S1是一个延时开关，其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号VB，VB是一个延时脉冲信号（比VA晚出现，对于弹丸出炮口后大于安全距离位置）；电子开关S1一端接电容器Ｃ负极，另一端接短路开关S2与电***22的并联端。

发火控制电路中的控制开关闭合顺序是：D1、D2、S2、S1、S3或S4。

所述的MEMS碰撞开关1由MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4并联连接构成，是基于MEMS工艺制造的常开型微机械开关模块。MEMS碰合开关S3、MEMS落地开关S4结构相同，都是薄层结构，包含方形绝缘衬底7、柔性斜支撑动电极8、固定电极9。柔性斜支撑动电极8和固定电极9位于方形绝缘衬底7中央，其中，固定电极9在柔性斜支撑动电极8内中心位置。但是作用阈值不同，MEMS碰合开关S3的闭合阈值高于MEMS落地开关S4，前者依靠碰装甲时目标反作用力K_M闭合，而后者依靠落地时地面介质反作用力K_L闭合。

所述的柔性斜支撑动电极8，包含块形支撑座81、柱形弹簧82、限位销83、质量块84结构，材料均为导电金属。其中，质量块84是一个有多个平衡孔的圆盘，外圆间隔设计了6个半圆缺口841和6个凸起842；6个限位销83，固定在方形绝缘衬底7上，分别对准质量块84外圆的半圆缺口841，它们起限制质量块84大位移运动的作用；共有6个柱形弹簧82，其两端分别连接质量块84上凸起842、块形支撑座81，使质量块84悬空于方形绝缘衬底7上方；块形支撑座81固定于方形绝缘衬底7上，将其中的一个块形支撑座81接一个长连接条85，长连接条85与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的d端连接。

所述的固定电极9，包含支撑座91、螺旋盘簧92、齿形导电环93、短连接条94，材料均为导电金属。其中，支撑座91固定在方形绝缘衬底7上，位于质量块94的中心，通过螺旋盘簧92连接齿形导电环93。短连接条94与发火控制电路2的MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的e端连接。

本发明中的微机械碰撞开关1中心轴与弹轴重合，柱形弹簧92不在径向线的延长上，而是斜置于质量块84外侧，柱形弹簧82中心轴与径向线的夹角为锐角α。设计6个半圆缺口841的弧半径85微米，限位销83半径为60微米，限位间隙大于径向接触间隙，可以满足限制质量块84受到过大冲击时产生过大位移和旋转。齿形导电环93的外圆有16个齿，厚为15微米，内圆直径为380微米，与质量块84环隙为80微米。螺旋盘簧线宽为10微米、厚为30微米。当MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4的质量块94受到碰装甲时目标反作用力K_M或落地时地面介质反作用力K_L作用，则MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合。

应用本发明时，弹丸发射初始时刻的膛内阶段，由位于底部机构3的其他机构输出F1，激发引信电源21发电；在最大膛压时刻，其他机构X输出F2（大于F1），控制发火控制电路2的控制开关D1闭合；在炮口处，其他机构X输出F3（远远小于F2），使充电开关D2闭合，此时电路导通电容器C立即充电到要求的电压值（一般起爆电压为12～25V）。弹丸飞离炮口，到达一个安全距离（由战术技术指标规定的距离，一般为几十到几百米）时，其他机构X输出VA，使短路开关S2断开，解除电***22的短路状态，但此时因电子开关S1未闭合，即使MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合，电路不会导通，电容器C不能放电，即电***22上不会有电流流过，所以，电***22不会***是“安全”的。弹丸飞行到远距离解除保险距离时，其他机构X输出远距离解除保险信号VB，电子开关S1闭合，一旦MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合，电容器C就放电，电路就会导通，电***22上就有电流流过。因此，此时电***22由“安全”状态转为“待发”状态。

碰目标或落地阶段，当弹丸碰到被攻击的装甲目标或落地时，碰装甲时目标反作用力K_M或落地时地面介质反作用力K_L，使MEMS碰合开关S3或MEMS落地开关S4闭合，电路立即接通，电容器C很快放电，电***22上电流立刻达到起爆电流而***。