CN107367202B - 基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置及其起爆序列 - Google Patents

基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置及其起爆序列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置以及基于该安保机构的起爆序列，安保装置中的氮气微驱动器通过固连桥与硅/有机玻璃基板主体连接，设置为整体结构，简化了装配过程，且该安保装置可不依靠环境力解除保险，提高了安保装置的可靠性；该安保装置采用基于氮气生成剂的产气药，既可以保证驱动压力，实现较大位移，还可以控制产气温度，防止意外引爆；此外，本发明中的基于该安保机构的起爆序列中还设有飞片等结构，提高了输出药的输出能力，从而利于引爆钝感***。

Description

基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置及其起爆序列
技术领域
本发明属于MEMS火工品领域，具体涉及一种基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置及其起爆序列。
背景技术
从上世纪90年代开始，欧美国家对MEMS技术在引信安保***方面进行了大量的研究，设计或研制出了各种类型的MEMS安保机构，包括弹簧锁销式、气动滑块式、电磁制动式等等。但目前MEMS技术在引信安全机构中还面临着许多问题，例如微尺度效应，无法实现较大位移和抗高过载问题等。
传爆序列一般是由一系列激发感度由高到低，输出能量由小到大的火工品组成的有序排列，以实现较小的输入能量有控制的放大到适当的能量，从而起爆弹药主装药。传爆序列的结构目前有两种，即直列式(如***箔***EFI)和带有安保机构的隔断式。
“Robinson C H,Wood R H,Hoang T Q.Development Of Inexpensive,Ultra-Miniature MEMS-Based Safety And Arming(S&A)Device For Small-Cabliber MunitionFuzes[M].US:Army Tank Automotive Command(TACOM)Armament Research,Developmentand Engineering Center(ARDEC)Fuze Division”中公开了一款弹簧锁销式的安保装置,“Pezous H,Rossi C,Sanchez M,et al.Integration of a MEMS based safe arm andfire device[J].Sensors and Actuators A:physical,2010,159(2):157-167.”中则提到了一种智能***。这两种安保装置都有一个共同特点，即都采用了惯性力来解除保险，从而使得安保序列对正。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固体氮气微驱动器的应用于引信安全***中的固态微安保机构以及基于该安保机构的传爆序列。
本发明的技术方案为：一种基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置，包括：
安保层基板，安保层基板上设有穿透安保层基板的十字形槽；十字形槽第一端内设有微驱动器，所述的微驱动器的两侧均设有与基板主体固连的固连桥，微驱动器的底端设有产气药孔，产气药孔内放置有产气药柱，微驱动器的另一端开槽，槽内嵌入传爆药；上述微驱动器的另一端由被设置在十字形槽内的第二端、第四端内的两个滑块固定，且滑块是通过固连在滑块上的微型压簧提供压力对微驱动器进行限位；且所述的微驱动器设有在解保状态下提供滑块卡入的凹槽。
上述的十字形槽内的第二端、第四端的形状为台阶形。且在十字形槽的第三端具有容纳微驱动器放置产气药部位的空间。
本发明中采用的固连桥的长L＝150μm～500μm，宽d＝100μm～500μm，厚度与安保层基板厚度相同。
本发明中用于基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置的产气药，该产气药以重量百分数计，包括60—90％产气剂、5—20％粘结剂和5—20％化学冷凝剂，其中，产气剂为NaN3，粘结剂为硅酸钠或硅酸钾，化学冷凝剂为LiF。且产气药通过喷墨打印机，打印入产气药室中。
本发明提供一种基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置的传爆序列，该传爆序列包括依次键合的加速层、输出药层、安保层、输入药层、电路层；其中，所述的安保层为固态微安保装置，安保层的安保层基板键合在输出药层的输出药层基板与输入药层的输入药层基板之间，在输出药层基板与输入药层基板上键合安保层基板十字形槽第二端、第四端处设有T形槽，输出药层基板与输入药层基板上的T形槽与十字形槽第二端、第四端的槽形相同且穿透各自基板，输出药层基板上键合安保层基板十字形槽第三端处开有输出药孔并嵌入输出药柱，输入药层基板上键合十字形槽第三端处开有起爆药孔并嵌入起爆药柱，输入药层基板上还设有点火药孔并嵌入点火药柱，点火药柱与安保层基板的产气药柱在同一轴线上；电路层的电路层基板上键合输入药层基板的起爆药孔、点火药孔处均设有凹槽，凹槽内嵌入含能SCB，电路层基板上设有铜引线与含能SCB相连；加速层的加速层基板键合输出药层基板的输出药孔处设有同轴的加速膛，加速膛底部设置用于内置飞片的圆形槽，加速膛顶部连接同轴的主装药柱。
加速层、输出药层、安保层、输入药层、电路层通过设置至少四组螺丝与螺母键合固定。
优选的，铜引线与含能SCB通过导电银浆连接，铜引线通过用FeCl3或者腐蚀剂腐蚀覆铜板制得。。
优选的，飞片采用直径为Φ2-3mm，厚度为50μm～200μm的钛片或不锈钢片。
进一步的，安保层基板采用硅基板或有机玻璃基板，电路层基板采用覆铜板。
上述铜引线与含能SCB通过导电银浆连接。
本发明相对于现有技术相比，具有显著优点是：
1.该安保机构为固态安保机构，微驱动器通过固连桥与硅基板主体连接，为一整体结构，固连桥起着固定微驱动器的作用，因而不需要依靠环境力的作用解保，只需使固连桥断裂就可解除保险，不受环境力的约束，提高了安保装置的可靠性。
2.微驱动器、固连桥和硅基板主体采用整体结构，因而在安保机构的制作方面更为简便，并且简化了装配过程。
3.在压簧和滑块连接处，采用了台阶结构，而滑块又卡死在微驱动器顶端，则在压簧轴向方向，不论轴向加速度多大，压簧、滑块与微驱动器顶端均不会发生位移，保证了解保前固连桥不会因轴向加速度而断裂失效。
4.采用的含能材料的燃烧相比较于电磁式、静电式等驱动方式具有较大的能量密度，采用气动的方式可以以较小的体积，完成较大的位移。
5.在隔断式的起爆序列中，利用直列式传爆序列的优点，加入飞片和加速膛结构，可以提高输出药的输出能力，更易引爆钝感***，从而实现更小能量的输入与更大能量输出的目的。
6.本发明的传爆序列为微型的传爆序列，整个传爆序列的体积≤1.2cm3，从而可以应用于微小型的***中，构成可多种方式起爆的起爆阵列。
附图说明
图1是本发明基于固体氮气微驱动器的固态安保机构的安保层立体图；
图2是本发明基于固态安保机构的传爆序列的分层结构图；
图3是本发明基于固体氮气微驱动器的固态安保机构的安保层作用前后的结构图；
图4是本发明基于固体氮气微驱动器的固态安保机构的安保层基板立体图；
图5是本发明基于固体氮气微驱动器的固态安保机构的安保层基板局部放大立体图；
图6是本发明基于固态安保机构的传爆序列的键合立体图；
图7是本发明基于固态安保机构的传爆序列的电路层平面图；
图8是本发明基于固态安保机构的传爆序列的输入药层平面图；
图9是本发明基于固态安保机构的传爆序列的输出药层平面图；
图10是本发明基于固态安保机构的传爆序列的加速层底面平面图；
图11是本发明基于固态安保机构的传爆序列的局部剖面图。
其中，1安保层基板、2微驱动器、3产气药柱、4传爆药柱、5、微型压簧、6卡销、7螺孔、8固连桥、9电路层基板、10铜引线、11、SCB换能元、12输入药层基板、13点火药柱、14起爆药柱、15T形槽、16输出药层基板、17输出药柱、18飞片、19加速层、20加速膛、21主装药柱、22螺丝、23螺母、24圆形槽、25十字形槽的第一端、26十字形槽的第二端、27十字形槽的第三端、28十字形槽的第四端。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
结合图1、2，本发明基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置，其结构包括：安保层基板1，安保层基板1上设有穿透安保层基板1的十字形槽；十字形槽第一端25内设有微驱动器2，所述的微驱动器2的两侧均设有与基板主体1固连的固连桥8，微驱动器2的底端设有产气药孔，产气药孔内放置有产气药柱3，微驱动器2的另一端开槽，槽内嵌入传爆药4；上述微驱动器2的另一端由被设置在十字形槽内的第二端26、第四端28内的两个滑块6固定，且滑块6是通过固连在滑块6上的微型压簧5提供压力对微驱动器2进行限位；且所述的微驱动器2设有在解保状态下提供滑块6卡入的凹槽。
上述的安保机构中安保层基板1采用有机玻璃板或硅基板。
上述的安保机构中安保层基板1尺寸为：长×宽×厚＝16×13×0.5mm。
上述的安保机构中微型压簧5的外径为1.5mm，长度为3mm。
上述的安保机构中十字形槽内的第二端26、第四端28的形状为台阶形。
上述固连桥8的长L＝150μm～500μm，宽d＝100μm～500μm，厚度与安保层基板1厚度相同为500μm。
上述的安保机构中传爆药4的孔径为1mm。
上述的安保机构中产气药3的孔径为1.6mm。
上述的产气药3中以重量百分数计，包括60—90％产气剂、5—20％粘结剂和5—20％化学冷凝剂，其中产气剂为NaN3，粘结剂为碱金属硅酸盐，优选硅酸钠或硅酸钾，化学冷凝剂为LiF。
上述的产气药3通过喷墨打印机进行装药。
结合图4，本发明所述基于固体氮气微驱动器的固态微安保机构的作用过程包括以下步骤：
第一步：产气药柱3被引燃，NaN3受热分解，产生气体。
第二步：气体在产气药室中剧烈膨胀，推动微驱动器2向前移动，但由于两端固连桥8的约束作用以及开始时的气体压力不足，微驱动器2无法进行位移，固连桥8发生弯曲变型。
第三步：当产气药室中的压力达到一定值后，固连桥8承受不住微驱动器2的拉力，发生脆性断裂，微驱动器2脱离安保层基板1，向前运动。
第四步：当微驱动器2运动到十字形槽第三端27时，两侧的滑块6与微驱动器2的凹槽对正，微型压簧5将滑块6推入微驱动器2的凹槽中，将微驱动器2卡死。此时，微驱动器2上的传爆药4与下方的起爆药柱14对正，安保装置处于解保状态。
结合图3～9、11，本发明基于固态微安保装置的传爆序列，其结构包括：该传爆序列包括依次键合的加速层、输出药层、安保层、输入药层、电路层；其中，所述的安保层为固态微安保装置，安保层的安保层基板1键合在输出药层的输出药层基板16与输入药层的输入药层基板12之间，在输出药层基板16与输入药层基板12上键合安保层基板1十字形槽第二端26、第四端28处设有T形槽15，输出药层基板16与输入药层基板12上的T形槽15与十字形槽第二端26、第四端28的槽形相同且穿透各自基板，输出药层基板1上键合安保层基板1十字形槽第三端27处开有输出药孔并嵌入输出药柱1，输入药层基板12上键合十字形槽第三端处开有起爆药孔并嵌入起爆药柱14，输入药层基板12上还设有点火药孔并嵌入点火药柱13，点火药柱13与安保层基板1的产气药柱3在同一轴线上；电路层的电路层基板9上键合输入药层基板12的起爆药孔、点火药孔处均设有凹槽，凹槽内嵌入含能SCB11，电路层基板9上设有铜引线10与含能SCB11相连；加速层的加速层基板19键合输出药层基板16的输出药孔处设有同轴的加速膛20，加速膛20底部设置用于内置飞片18的圆形槽24，加速膛20顶部连接同轴的主装药柱21。
加速层、输出药层、安保层、输入药层、电路层通过设置至少四组螺丝22与螺母23通过各层的螺孔7，将各层键合至一起，构成一个完整的起爆序列。
上述电路层基板9采用覆铜板。
上述铜引线10通过用FeCl3或者腐蚀剂腐蚀覆铜板得到。
上述铜引线10与含能SCB11通过导电银浆连接。
上述点火药柱13采用具有产气能力的黑火药。
上述起爆药柱14采用叠氮多孔镍。
上述传爆药柱4采用氮化铅。
上述输出药柱17采用HNS-IV。
上述飞片18采用直径为Φ3，厚度为50μm～200μm的钛片或不锈钢片。
上述主装药柱21采用TATB。
结合图3～9，基于固态微安保机构的传爆序列的作用过程为：
第一步：电路层基板9中与点火药柱13对正的SCB11通电发火，点燃输入药层基板12的点火药柱13。
第二步：点火药柱13点燃安保层基板1的产气药3。
第三步：安保装置作用，处于解除保险状态。
第四步：电路层基板9中与起爆药14对正的SCB11通电发火，引爆输入药层12的起爆药14，起爆药14引爆安保层上对正的传爆药柱4，传爆药柱4再引爆输出药层基板16的输出药柱17。
第五步：输出药柱17冲击剪切内置于加速层中的飞片18，如图10所示，飞片18在加速层19的加速膛20中加速。
第六步：经过加速后的飞片18冲击起爆主装药柱21。

Claims (9)

1.一种基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置，其特征在于，包括：
安保层基板(1)，安保层基板(1)上设有穿透安保层基板(1)的十字形槽；十字形槽第一端(25)内设有微驱动器(2)，所述的微驱动器(2)的两侧均设有与基板主体固连的固连桥(8)，微驱动器(2)的底端设有产气药孔，产气药孔内放置有产气药柱(3)，微驱动器(2)的另一端开槽，槽内嵌入传爆药柱(4)；上述微驱动器(2)的另一端由被设置在十字形槽内的第二端(26)、第四端(28)内的两个滑块(6)固定，且滑块(6)是通过固连在滑块(6)上的微型压簧(5)提供压力对微驱动器(2)进行限位；且所述的微驱动器(2)设有在解保状态下提供滑块(6)卡入的凹槽。
2.根据权利要求1所述的基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置，其特征在于，所述的十字形槽内的第二端(26)、第四端(28)的形状为台阶形。
3.根据权利要求1所述的基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置，其特征在于，十字形槽的第三端(27)具有容纳微驱动器(2)放置产气药部位的空间。
4.根据权利要求1所述的基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置，其特征在于，固连桥(8)的长L＝150μm～500μm，宽d＝100μm～500μm，厚度与安保层基板(1)厚度相同。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的基于固体氮气微驱动器的固态微安保装置的传爆序列，其特征在于，该传爆序列包括依次键合的加速层、输出药层、安保层、输入药层、电路层；其中，所述的安保层为固态微安保装置，安保层的安保层基板(1)键合在输出药层的输出药层基板(16)与输入药层的输入药层基板(12)之间，在输出药层基板(16)与输入药层基板(12)上键合安保层基板(1)十字形槽第二端(26)、第四端(28)处设有T形槽(15)，输出药层基板(16)与输入药层基板(12)上的T形槽(15)和十字形槽第二端(26)、第四端(28)的槽形相同且穿透各自基板，输出药层基板(16)上键合安保层基板(1)十字形槽第三端(27)处开有输出药孔并嵌入输出药柱(17)，输入药层基板(12)上键合十字形槽第三端处开有起爆药孔并嵌入起爆药柱(14)，输入药层基板(12)上还设有点火药孔并嵌入点火药柱(13)，点火药柱(13)与安保层基板(1)的产气药柱(3)在同一轴线上；电路层的电路层基板(9)上键合输入药层基板(12)的起爆药孔、点火药孔处均设有凹槽，凹槽内嵌入含能SCB(11)，电路层基板(9)上设有铜引线(10)与含能SCB(11)相连；加速层的加速层基板(19)键合输出药层基板(16)的输出药孔处设有同轴的加速膛(20)，加速膛(20)底部设置用于内置飞片(18)的圆形槽(24)，加速膛(20)顶部连接同轴的主装药柱(21)。
6.根据权利要求5所述的传爆序列，其特征在于，所述的加速层、输出药层、安保层、输入药层、电路层通过设置至少四组螺丝(22)与螺母(23)键合固定。
7.根据权利要求5所述的传爆序列，其特征在于，铜引线(10)与含能SCB(11)通过导电银浆连接。
8.根据权利要求5所述的传爆序列，其特征在于，飞片(18)采用直径为Φ2-3mm，厚度为50μm～200μm的钛片或不锈钢片。
9.根据权利要求5所述的传爆序列，其特征在于，安保层基板(1)采用硅基板或有机玻璃基板，电路层基板(9)采用覆铜板。
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