本發(fā)明涉及軍事彈載引信、智能彈藥、航空航天、汽車電子等應(yīng)用場景下的慣性開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種有源mems慣性開關(guān)。

背景技術(shù)：

慣性開關(guān)是一種能夠?qū)铀俣茸兓舾胁a(chǎn)生開關(guān)閉合動(dòng)作的器件，也被稱為閾值開關(guān)、加速度開關(guān)或者g值開關(guān)，廣泛應(yīng)用于軍事彈載引信、智能彈藥、航空航天、汽車電子等多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)慣性開關(guān)都是機(jī)械式的，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但由于采用質(zhì)量塊和彈簧結(jié)構(gòu)，體積往往較大，由于加工和裝配因素，加速度閾值分布范圍大，存在誤閉合可能，可靠性和安全性不高。

微機(jī)電系統(tǒng)(mems，micro-electromechanicalsystem)是一種通過體硅刻蝕、大規(guī)模集成電路等技術(shù)，將電子和機(jī)械器件集成到一起，形成包含信息傳感、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他微器件的集成系統(tǒng)，具有微型化、集成化、多學(xué)科交叉、能批量生產(chǎn)等特點(diǎn)?，F(xiàn)有通過mems工藝生產(chǎn)的機(jī)械開關(guān)，其典型特點(diǎn)是無需外部供電，常態(tài)時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，工作時(shí)通過內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性碰撞接觸實(shí)現(xiàn)信號(hào)的導(dǎo)通。

現(xiàn)有慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)決定了無論是傳統(tǒng)機(jī)械慣性開關(guān)還是基于mems工藝的無源慣性開關(guān)，都屬于無源慣性開關(guān)范疇，無法對沖擊前后的慣性加速度進(jìn)行記錄和分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種有源mems慣性開關(guān)，用于解決現(xiàn)有慣性開關(guān)無法對沖擊前后的慣性加速度進(jìn)行記錄和分析的問題。

本發(fā)明提供的一種有源mems慣性開關(guān)，包括穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)、存儲(chǔ)單元和電子開關(guān)，其中：所述穩(wěn)壓單元與外部電源連接，將外部電源轉(zhuǎn)換后為所述微控制器、加速度計(jì)和存儲(chǔ)單元提供穩(wěn)定電壓；所述加速度計(jì)用于對環(huán)境信息進(jìn)行感知，將實(shí)際采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣離散后傳遞給微控制器；所述微控制器用于將所述加速度計(jì)采集的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，以及將所述實(shí)際加速度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的加速度閾值進(jìn)行比較，判定沖擊是否發(fā)生、并根據(jù)判定結(jié)果向電子開關(guān)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)；所述存儲(chǔ)單元用于記錄所述加速度計(jì)采集的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)；所述電子開關(guān)用于根據(jù)微控制器發(fā)送的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對被控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷控制。

進(jìn)一步的，所述穩(wěn)壓單元設(shè)置有單向?qū)Я麟娐泛蛢?nèi)部儲(chǔ)能裝置，所述穩(wěn)壓單元的電源輸出端通過單向?qū)Я麟娐放c微控制器、加速度計(jì)和存儲(chǔ)單元的電源端連接；所述內(nèi)部儲(chǔ)能裝置的電源端分別與微控制器、加速度計(jì)和存儲(chǔ)單元的電源端連接，當(dāng)發(fā)生高g值過載沖擊導(dǎo)致外部電源連線斷裂是，由所述內(nèi)部儲(chǔ)能裝置為微控制器、加速度計(jì)和存儲(chǔ)單元提供臨時(shí)電源。

進(jìn)一步的，所述單向?qū)Я麟娐钒ǖ谝欢O管和第二二極管，所述內(nèi)部儲(chǔ)能裝置包括第一電容和第二電容，其中：所述穩(wěn)壓單元的電源輸出端通過第一二極管與微控制器和加速度計(jì)的電源端連接，所述第一電容一端接地、另一端連接微控制器的電源端和加速度計(jì)的電源端；所述穩(wěn)壓單元的電源輸出端通過第二二極管與存儲(chǔ)單元的電源端連接，所述第二電容一端接地、另一端接連接存儲(chǔ)單元的電源端。

進(jìn)一步的，所述微控制器的一數(shù)字輸入輸出端口通過一電阻連接到穩(wěn)壓單元的電源輸出端，用以檢測外部電源的連接狀態(tài)；當(dāng)外部電源連通時(shí)，所述微控制器將所述加速度計(jì)采集的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元；當(dāng)外部電源斷開時(shí)，所述微控制器將所述加速度計(jì)采集的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在微控制器本身的內(nèi)存芯片中。

進(jìn)一步的，所述有源mems慣性開關(guān)還包括閾值設(shè)置單元，用于接收并保存用戶輸入的加速度閾值。

進(jìn)一步的，所述加速度計(jì)的量程大于100g、響應(yīng)頻率大于1khz。

進(jìn)一步的，所述加速度計(jì)配置三個(gè)相互垂直的敏感軸，能夠感知三維空間內(nèi)任意方向的慣性力。

進(jìn)一步的，所述微控制器的通信速率大于2mbps；和/或，所述微控制器設(shè)置有內(nèi)部時(shí)鐘源。

進(jìn)一步的，所述有源mems慣性開關(guān)采用雙殼體結(jié)構(gòu)，其中，內(nèi)殼和外殼之間設(shè)置有緩沖材料，并采用灌封工藝將穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)、存儲(chǔ)單元和電子開關(guān)整體灌封在內(nèi)殼中。

進(jìn)一步的，所述穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)、存儲(chǔ)單元和電子開關(guān)集成于一電路板上，用密封膠對集成在電路板上的穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)、存儲(chǔ)單元和電子開關(guān)進(jìn)行密封涂抹，之后放入內(nèi)殼，采用灌封材料進(jìn)行整體灌封；內(nèi)殼裝入外殼中，內(nèi)殼和外殼的底部間隙添加緩沖材料、周圍間隙添加填充材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于mems器件的有源慣性開關(guān)，包括有由穩(wěn)壓單元供電的微控制器、加速度計(jì)和存儲(chǔ)單元，微控制器對加速度計(jì)采集的加速度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的加速度閾值進(jìn)行比較以判斷是否發(fā)生撞擊，并向電子開關(guān)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對被控制電路的智能控制，還能夠?qū)铀俣扔?jì)感知并采集的加速度數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)單元進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)改進(jìn)。

附圖說明

附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。其中：

圖1為本發(fā)明有源mems慣性開關(guān)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明有源mems慣性開關(guān)一具體實(shí)施例的穩(wěn)壓單元組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明有源mems慣性開關(guān)一具體實(shí)施例的產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1表示排針，2表示殼蓋，3表示螺柱，4表示外殼，5表示電路控制模塊，6表示灌封材料，7表示內(nèi)殼，8表示填充材料，9表示緩沖材料。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征?！岸鄠€(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。術(shù)語“包括”、“包含”及類似術(shù)語應(yīng)該被理解為是開放性的術(shù)語，即“包括/包含但不限于”。術(shù)語“基于”是“至少部分地基于”。術(shù)語“一實(shí)施例”表示“至少一個(gè)實(shí)施例”；術(shù)語“另一實(shí)施例”表示“至少一個(gè)另外的實(shí)施例”。其他術(shù)語的相關(guān)定義將在下文描述中給出。

本發(fā)明一實(shí)施例提供的有源mems慣性開關(guān)，是一種基于mems器件的有源慣性開關(guān)，如圖1所示，包括穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)、存儲(chǔ)單元和電子開關(guān)，其中：

穩(wěn)壓單元與外部電源連接，轉(zhuǎn)換后為穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)和存儲(chǔ)單元等電子元器件提供穩(wěn)定電壓。

加速度計(jì)可以對環(huán)境信息進(jìn)行感知，用于對實(shí)際加速度信息進(jìn)行采集、采樣離散后傳遞給微控制器。

微控制器用于將所述加速度計(jì)采集的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元，以及將所述實(shí)際加速度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的加速度閾值進(jìn)行比較，判定沖擊是否發(fā)生、并根據(jù)判定結(jié)果向電子開關(guān)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。

所述存儲(chǔ)單元用于記錄所述加速度計(jì)采集的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)讀取和分析。

所述電子開關(guān)用于根據(jù)微控制器發(fā)送的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對被控制電路中a與b點(diǎn)之間導(dǎo)通和關(guān)斷控制。

在具體實(shí)施時(shí)，微控制器可以通過串口與加速度計(jì)電連接，微控制器優(yōu)選配置快速串口(如通信速率大于2mbps)，以實(shí)現(xiàn)對所述加速度計(jì)采集獲得的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效讀取和存儲(chǔ)；另外，微控制器需要具有快速的運(yùn)算處理能力，以實(shí)現(xiàn)快速的邏輯處理和信號(hào)的有效識(shí)別。如圖1所示，微控制器還能夠與外部設(shè)備(如上位機(jī))進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)命令的接收和所存數(shù)據(jù)的讀取。存儲(chǔ)單元需要有較大存儲(chǔ)容量(如可以大于8mb)，以保證對一定時(shí)間范圍內(nèi)所采集的加速度數(shù)據(jù)的記錄。所述電子開關(guān)需具有短的響應(yīng)時(shí)間，以快速實(shí)現(xiàn)電路導(dǎo)通。

在另一實(shí)施例中，為防止當(dāng)沖擊發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的外部電源接線斷裂而不能正常供電問題，穩(wěn)壓單元還可以設(shè)置內(nèi)部儲(chǔ)能裝置為系統(tǒng)提供臨時(shí)電源，以完成相應(yīng)的后續(xù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)動(dòng)作，為防止倒流問題，可以在所述穩(wěn)壓單元的電源輸出端與內(nèi)部儲(chǔ)能裝置之間設(shè)置單向?qū)Я麟娐?。具體實(shí)施時(shí)，可以采用圖2所示的結(jié)構(gòu)形式，其中的單向?qū)Я麟娐钒ǖ谝欢O管d1和第二二極管d2，內(nèi)部儲(chǔ)能裝置包括第一電容c1和第二電容c2，具體連接方式為：穩(wěn)壓單元的電源輸出端vcc的一路通過第一二極管d1與微控制器電源端vcc1和加速度計(jì)的電源端vcc3連接，第一電容c1一端接地、另一端連接微控制器的電源端vcc1和加速度計(jì)的電源端vcc3；所述穩(wěn)壓單元的電源輸出端vcc的另一路通過第二二極管d2與存儲(chǔ)單元的電源端vcc2連接，所述第二電容c2一端接地、另一端接連接存儲(chǔ)單元的電源端vcc2。正常情況下，系統(tǒng)由外部電源供電，此時(shí)第一電容c1、第二電容c2進(jìn)行充電儲(chǔ)能；當(dāng)高g值過載沖擊發(fā)生時(shí)，若外部電源接線發(fā)生斷裂，第一電容c1放電為所述微控制器和加速度計(jì)提供電源，以完成沖擊發(fā)生后數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和存儲(chǔ)；第二電容c2放電為存儲(chǔ)單元提供電源，以防止數(shù)據(jù)寫入時(shí)存儲(chǔ)單元掉電而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損毀。第一二極管d1和第二二極管d2控制電流單向流通，以保證第一電容c1和第二電容c2放電時(shí)不會(huì)被外部設(shè)備消耗，提高內(nèi)部儲(chǔ)能裝置能量的有效使用。

為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性，本發(fā)明還提供了一種雙存儲(chǔ)機(jī)制，可以采用圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，與上述實(shí)施例的區(qū)別在于，在微處理器的數(shù)字輸入輸出管腳dio與穩(wěn)壓單元的電源輸出端vcc之間還連接一電阻r1，具體工作原理為：在微控制器接收到加速度計(jì)采集的加速度數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過數(shù)字輸入輸出管腳dio讀取外部電源的狀態(tài)，若外部電源正常則將上述加速度數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)單元；若外部電源異常則將上述加速度數(shù)據(jù)存于微控制器上的內(nèi)存中。此時(shí)，第一二極管d1和第二二極管d2還可以進(jìn)一步保證所述微控制器數(shù)字輸入輸出管腳dio能夠有效讀取外部電源的接線狀態(tài)。

進(jìn)一步的，為了能夠識(shí)別三維空間任意方向的慣性力，實(shí)現(xiàn)對三維空間任意方向沖擊的有效識(shí)別，加速度計(jì)可以配置三個(gè)互相垂直的敏感軸。具體的，加速度計(jì)內(nèi)部具有微機(jī)械結(jié)構(gòu)，采集的信息經(jīng)過所述加速度計(jì)內(nèi)部電路進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，最終以數(shù)字信號(hào)的形式通過串行接口傳遞給微控制器。在加速度計(jì)的一個(gè)采樣周期內(nèi)，所述微控制器對收到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)內(nèi)部設(shè)定邏輯判定沖擊是否發(fā)生以及向所述電子開關(guān)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。

由于沖擊具有g(shù)值過載大、脈沖持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，本發(fā)明方案中的加速度計(jì)需要具備較大的抗沖擊能力(如可以大于10000g)，以保證在受到?jīng)_擊時(shí)能夠可靠工作；另外，加速度計(jì)還需有較快的響應(yīng)頻率(如可以大于1khz)，以保證在沖擊脈沖發(fā)生時(shí)能夠有效讀??；本發(fā)明方案中只需要識(shí)別沖擊、不要求對沖擊全程準(zhǔn)確測量，所述加速度計(jì)可以選用較大量程(如大于100g)的產(chǎn)品，以有效識(shí)別高g值沖擊和常規(guī)振動(dòng)。

為進(jìn)一步提高產(chǎn)品的抗沖擊能力，降低沖擊發(fā)生時(shí)因應(yīng)力破壞而失效的概率，本發(fā)明有源mems慣性開關(guān)可以采用雙殼結(jié)構(gòu)，其中包括有穩(wěn)壓單元、微控制器、加速度計(jì)、存儲(chǔ)單元和電子開關(guān)的電路控制模塊置于內(nèi)殼中，通過灌封料按照灌封工藝進(jìn)行整體灌封，內(nèi)外殼之間添加緩沖材料，用以吸收沖擊能量、減少作用于慣性開關(guān)上的應(yīng)力波，緩沖材料在降低沖擊幅度的同時(shí)還可以增加沖擊脈沖時(shí)間，更有利于對沖擊進(jìn)行有效識(shí)別。

圖3為本發(fā)明一有源mems慣性開關(guān)的雙殼結(jié)構(gòu)示意圖，具體實(shí)施時(shí)，電路控制模塊5可以集成于一電路板上，用密封膠(如502膠)對進(jìn)行密封涂抹，防止沖擊時(shí)應(yīng)力過大使大面積薄器件造成損壞。之后放入內(nèi)殼7，采用灌封材料6進(jìn)行整體灌封，灌封時(shí)采用適度加熱處理氣泡，防止產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致灌封強(qiáng)度降低。內(nèi)殼7裝入外殼4中，內(nèi)外殼底部間隙添加緩沖材料9，內(nèi)外殼周圍間隙添加填充材料8(如導(dǎo)熱硅膠)，用以吸收沖擊能量、減小傳遞給系統(tǒng)的應(yīng)力波大小。內(nèi)外殼的上端口利用殼蓋2封閉，殼蓋2與外殼4通過螺柱3固定連接，排針1穿過殼蓋2露出殼體外。電路控制模塊5通過排針1實(shí)現(xiàn)與外部電源連接以及與外部設(shè)備(如上位機(jī))進(jìn)行通信連接，內(nèi)部無單獨(dú)走線，避免因沖擊產(chǎn)生的錯(cuò)位導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。排針1穿過整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要由外殼和灌封保證，雙殼結(jié)構(gòu)能夠使在外殼嚴(yán)重變形后，內(nèi)殼內(nèi)系統(tǒng)仍能重復(fù)回收使用。

本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。