新型微流体惯性开关研究

摘要

传统机械引信正向小型化、灵巧化、智能化发展，而接电开关作为引信的重要组成部件，技术更新尤为重要。微机电系统(MEMS)以其尺寸小、重量轻、抗过载能力强以及可大规模批量生产的特点为新型接电开关的研究提供了技术基础。以MEMS为基础，设计了一种以液体为介质的新型微流体接电开关，具备区分正常发射环境和勤务跌落环境的性能。
　　根据课题背景，分析研究了国内外一些微流体与微机械开关的优缺点，提出新的设计目标。以液体微尺度效应和力学特性为基础建立理论模型，利用流体力学理论和有限体积数值解法，辅以Gambit和FLUENT软件进行仿真计算，不断优化结构参数来提升接电和惯性响应性能。配制了超低温导电液，解决了液体在超低温情况下的凝固问题和长时间储存时腐蚀电极问题。
　　创新性把空气缓冲原理引入微流体开关，进一步缩小了开关结构体积的同时解决了液体导通电极时的分散问题;利用引流原理解决了液体接电时的气泡问题;通过结构改进保证液体在导通开关后能稳定接通并保持;设计了冗余保险电路来保证开关在储存和运输环境中有可能出现的未知情况不被误触发，也可用于后期检测接电开关是否失效。
　　根据设计要求选择PC（聚碳酸酯）为基体材料。PDMS（聚二甲基硅氧烷）经过表面处理后可以具有与PC相同的表面性能，因此用PDMS材料代替PC加工样机以测试开关的接触和保持性能。但PDMS质地较软，无法对其进行载荷加载测试。
　　制作了部分实验设备测试了新型导电液的实际导通电阻，根据开关中电极的面积折算出开关的导通电阻;利用旋转实验台测试了接电开关的接触和保持性能，结果与仿真一致;测试并验证了冗余保险电路的实际工作效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 微惯性开关研发现状

1．2．1 国内微惯性开关研发现状

1．2．2 国外微惯性开关研发现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 小结

2 微流体惯性开关应用环境分析

2．1 微流体惯性开关环境力分析

2．1．1 正常发射环境分析

2．1．2 勤务跌落环境分析

2．2 微流体惯性开关设计目标

2．3 小结

3 开关理论模型分析和材料选择

3．1 理论模型分析

3．1．1 微尺度尺寸效应

3．1．2 微流体粘性分析

3．1．3 微流体表面张力分析

3．1．4 流体动力学基本方程

3．1．5 毛细现象

3．1．6 微流体惯性开关工作原理

3．2 计算流体力学分析

3．2．1 计算网格划分

3．2．2 VOF模型

3．3 开关材料选择与实验测试

3．3．1 基体材料选择

3．3．2 导电液的配制

3．3．3 电阻率测试

3．3．4 粘度测试

3．3．5 接触角测试及表面张力换算

3．4 小结

4 微流体惯性开关仿真与结构优化

4．1 储液机构设计

4．2 惯性响应机构设计

4．3 开关接触和保持机构设计

4．3．1 气泡问题

4．3．2 接触和保持问题

4．4 结构设计及仿真

4．5 压强分析

4．6 小结

5 开关冗余保险电路

5．1 电路设计

5．2 电路功能测试

5．3 小结

6 微流体惯性开关制作工艺

6．1 不同材料的微加工性能

6．2 开关加工工艺

6．2．1 微通道加工工艺

6．2．2 盖板电极工艺

6．2．3 键合工艺

6．3 小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 创新点

7．3 问题与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况