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针对智能弹药与引信微小型化的发展需求及传统万向开关结构存在体积大、阈值散布大、大着角作用可靠性低及响应时间偏长等问题,本文旨在研制一种适用于引信环境、万向敏感、响应快速、闭合可靠、能抗高过载且尺寸微小、结构简易的MEMS万向惯性开关,解决弹丸多种姿态碰击目标的发火可靠性问题。采用理论建模分析、数值模拟计算与实验相结合的研究方法,开展了 MEMS万向惯性开关的设计方法、结构设计、动态特性以及测试方法研究。(1)建立了多弹簧支撑多向敏感开关的基本模型,推导了质量块在冲击加速度下六自由度动力学方程,表明在多向敏感开关设计中应尽量避免质量块转动的出现以提高接触的稳定性和可靠性;建立了冲击加速度下MEMS惯性开关柔性接触过程中质量块与柔性电极未接触、接触及反弹分离三个运动阶段的动力学模型,揭示了影响接触时间的关键因素为双质量—弹簧系统的耦合固有频率(或电极刚度);进行了阈值加速度、系统响应、弹簧弹性性能及气膜阻尼特性研究,分析了系统参数和冲击加速度载荷特性对开关性能的影响。(2)在开关性能理论研究的基础上,结合引信应用环境,提出了 MEMS万向惯性开关的模块化设计方法。总结归纳了万向性、闭合阈值、快速响应、可靠闭合、抗过载及小尺寸6个方面的性能指标要求,确定了传感、通电和控制三大功能模块的设计内容,并给出了系统的设计流程。(3)设计了一种适用于引信环境,具有在半球面内万向敏感、响应快速、闭合可靠及抗高过载等特点,采用多弹簧支撑单一圆形质量块,利用柔性电极变形延长接触时间的非硅MEMS万向惯性开关。采用数值模拟计算与实验相结合的研究方法,优化了开关结构设计,进行了开关各向响应、阈值、接触、抗高过载特性及加速度适应性等动态特性研究。基于多层UV-LIGA工艺制作了开关样机,并通过冲击试验验证了开关可在半球面内万向敏感、响应快速、接触时间延长,抗高过载性能好,测试结果与仿真分析一致性较好,研制了可替代体积大、阈值散布大、大着角作用可靠性低及响应时间偏长的引信传统万向开关的MEMS万向惯性开关。(4)针对测试与仿真结果的误差,对同一批次加工的多个开关样机的大量结构尺寸进行了测量并与设计值进行了比较,从中掌握了工艺误差规律;从UV-LIGA工艺过程的曝光、显影与电铸、腐蚀3个阶段,分析了误差产生机理,总结了减小工艺误差方法;从单一结构误差、非对称误差及偏心误差3个方面研究了工艺误差对开关性能的影响,测试结果验证了开关工艺误差的正确性及单一结构误差对开关阈值影响的正确性。(5)基于传统电测量方法无法表征MEMS惯性开关动态机械特性的局限性,建立了一种用于高冲击环境下微结构瞬态运动过程的可视化测量方法。搭建了高速光学测量系统平台,并采用逆光照明方法及利用加速度计信号同步触发高速摄像机及电测量系统,实现了 MEMS惯性开关高冲击激励、高帧率的非周期瞬态运动的可视化测试。通过该方法验证了开关柔性接触过程的设计思想以及止挡柱的位移约束性能,进一步采用基于灰度矩的亚像素边缘检测算法,提取了图像中开关结构的边缘,获取了质量块的位移-时间曲线和柔性电极的变形,表征了开关在时域和空间上的动态机械特性。