为了提高引信状态控制的安全性, 增强其抵抗引信内、外强电磁干扰的能力, 提出了一种应用于微小型引信安全系统的硅基微光机电保险机构。该机构采用光纤作为过程能量传输的载体, 通过静电驱动方式实现对光纤光路错位与对准的控制, 达到引信安全与解除保险的目的。设计了MOEMS保险机构的总体结构和耦合光路, 并对它进行SOI+DRIE工艺设计和加工。通过开展静电微驱动器性能测试试验和光路性能测试试验得出, 静电微驱动器能够实现130 μm 的大位移输出, MOEMS保险机构的解除保险时间和恢复保险时间分别为13 ms和5 ms, 光能传输效率为461%。所设计的MOEMS保险机构能够满足功能要求, 具备天然的抗电磁干扰能力, 有效提高了引信的本征安全性。

基于非均匀电场可产生静电排斥力的原理, 设计制造了单元尺寸为 300 μm的 MEMS静电排斥型离面驱动器。此驱动器不受静电吸合效应的限制, 行程较传统静电吸引型驱动器有显著提高。利用表面硅工艺完成了该驱动器的加工。为研究静电排斥型驱动器的动态响应特性, 建立了该驱动器的等效模型并利用数值计算方法分析了驱动器的压膜阻尼特性和幅频特性。采用白光干涉仪对微驱动器进行了静态和动态测试, 测试结果表明, 所设计的 MEMS静电排斥驱动器在 100 V的电压下实现了 2.1 μm的驱动位移, 工作带宽为 2 kHz, 具有较快的响应速度。

提出了通过机械方式控制压电移动机构和支撑面之间摩擦力的有序变化来形成有规律的新型惯性式压电旋转机构的研究方案.设计了旋转机构的结构模型,分析了机构的运动原理,建立了机构的动力学模型.应用现代控制理论,利用Matlab对机构进行了运动学仿真,得到了机构位移和速度仿真曲线.设计、制作了旋转机构样机,并进行了相关的性能测试.试验结果表明,研制的旋转机构能实现大行程(360°)、高分辨率(15 μrad)、高转速(0.26 rad/s)且运动性能稳定.该旋转机构在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景.

优化设计出一种微电磁继电器,介绍了其驱动原理,通过对微电磁继电器的电磁驱动力及活动衔铁的位移进行分析计算,设计了微电磁继电器的三维结构,以增大磁路效率,减小漏磁通,从而增加电磁驱动力.采用MEMS加工工艺,试制了该新型微电磁继电器的样件,其尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,它由上磁路、下磁路、平面励磁线圈、固定触点和活动衔铁等部分组成.微电磁继电器的平面励磁线圈电阻约20 Ω,外加5 V电压时,微电磁继电器可实现吸合动作.吸合后,微电磁继电器的导通电阻为14.5 Ω,继电器的响应时间为1 ms.

研制出了尺寸为30 mm×30 mm×50 mm的压电陶瓷驱动的球基微驱动器样机,并对该微驱动器进行动力学分析以及微型轴孔装配的实验研究.建立了微驱动器金属球空间坐标关系,分析了球基微驱动器的动力学特征,并建立了其动力学模型.采用龙格-库塔法计算出了微驱动器的动力学参数,并利用MATLAB的SIMULINK模块搭建了微驱动器的仿真模型,并对其进行了动力学仿真分析.研制出了球基微驱动器样机,并在此基础上,集成微夹持器形成微操作器,对微驱动器性能进行了实验测试,并开展了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密微装配实验研究.最后,分析了微驱动器金属球质量、驱动信号频率、以及金属球与微驱动单元摩擦块接触表面摩擦系数对其性能的影响.实验结果表明:该球基微驱动器的转动分辨率为0.000 1°,转动定位精度为0.000 5°,微驱动器最大工作频率为1 200 Hz.实验结果验证了逆转振动模型的正确性,由该微驱动器所集成的微操作器,完全可以满足对微小元器件的微米级操作与装配等精密作业的要求.

基于控制移动机构和支撑面之间摩擦力的方法,提出了新型惯性冲击式压电陶瓷驱动机构的研究方案.分析了驱动机构的工作原理,驱动电压与驱动力、位移之间的关系,设计、制做了可实现直线往复运动的压电微型驱动器结构,并作了相关的性能测试.实验结果表明,采用简单的对称信号波形能驱动机构运动.直线驱动器最高速度可达1 mm/s,最大步长分辨率为20 nm,最大承载能力为1 000g.

自锁型2×2和1×4光开关是在{10}硅基片上采用各向异性湿刻蚀工艺技术在KOH中制备的微机械光开关。这种制各方法可以低成本一次投料就能获得大量适合光纤对准、具有很高精度的微机械本光开关包括两个硅热驱动器:一个驱动并联U形悬臂梁产生光纤侧向移动,另一个驱动夹持光纤用的H形扣子平台;通过薄的有弹性的硅臂把U形悬臂梁与刚性的能抗光纤角位移的平台连接起来。所制各的光开关具有产率高、机械稳定性好和优良的光’学性能。采用标准单模光纤的光开关其串话小于-60 dB.1×4和2×2光开关插入损耗分别为小于1 dB和近1 dB。在开关期间(<300 ms),2×2,1×4光开关所需驱动功率分别为<0.6 W和1.0 W 1×2光开关已做了寿命试验,无误工作循环大于106次,并目在室温下经一年多的工作,没有看到光’笋性能和开关行为的退化。