【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能和传感一体化，特别涉及一种小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件。
技术介绍
1、高过载冲击传感和储能一体化器件是侵彻引信的关键部分，可以解决传统加速度计传感信号粘连严重的问题，储能和传感的一体化设计也可以解决传统引信中日益增长的传感储能性能和系统空间之间相互制约的毛病，能有效提高侵彻引信的集成度，在侵彻武器中具有良好的应用前景。
2、然而，随着面对更严峻的侵彻场景，优化侵彻武器对侵彻引信体积的缩小提出了更高的要求，目前已有的传感储能一体化结构方案在体积缩小后无法正常产生软短路效应，从而对高过载冲击传感造成较大影响。因此，亟需提出一种新的结构设计，使得小空间下的冲击传感成为可能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件，其特征在于，所述小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件为mems传感和储能一体化器件；采用多层电极单体叠层串联式结构的超级电容器；中间层可动电极采用蛇形悬臂梁连接质量块结构，底层电极冲压形成微凸台；在非冲击环境下，器件正常发挥储能功能；在高过载冲击环境下，器件中间层的蛇形悬臂梁发生弹性形变，带动质量块发生位移，并与底层电极的微凸台发生接触，产生短路，导致器件电压下降，实现整体体积缩小到1cm*1cm*1cm以内的mems传感和储能一体化器件对高过载冲击的传感；
2、所述多层电极单体叠层串联式结构包括上三层电极1、中间层可动电极2和底层电极3；每层电极均由钛基氧化钌电极1
3、所述中间层可动电极2中部设置质量块9，并通过蛇形悬臂梁13和中间层可动电极2矩形边框的四个对角点处连接；质量块9上开有孔隙14；在底层电极3中部设置底电极微凸台8，质量块9与底电极微凸台8顶面相对；在无载荷作用时，二者不接触，维持可控电压；器件正常对外供电；当存在纵向载荷冲击作用时，底层电极3上面底电极微凸台8不形变，中间层可动电极2中的蛇形悬臂梁13在硫酸电解液5环境中发生弹性形变，使得质量块9向下移动，与底电极微凸台8发生接触短路，导致电压突降，实现对纵向载荷冲击的准确传感。
4、所述微凸台的高度控制在相邻电极板间距的1/2～1/3，且均面向中间层的质量块9。
5、所述中间层可动电极同样采用钛基氧化钌作为基底，电极的两端部分设计为矩形边框形状，矩形边框的四个对角点分别引出蛇形悬臂梁，并与中间质量块的边长中心相连接；蛇形悬臂梁的设计有多个关键参数：圆弧段选取了15°作为弧段长度，采用了5：1的半径宽度比来确定蛇形悬臂梁的尺寸，同时将蛇形悬臂梁的厚度设置为质量块厚度的一半。
6、所述4条悬臂梁末端与同一质量块相连，质量块则被设计成带孔隙的正方体，每个孔隙的直径选取为150um，总共有4个，这些孔分布于质量块中心与对角点连线的中点处，相互之间间隔90°；相对于直线型悬臂梁，蛇形悬臂梁的设计引入了更复杂的应力分布，使得在相同空间大小和不影响断裂强度的情况下，更容易产生弹性弯曲；另外，中间质量块的孔隙结构的设计则使得流体能够通过，显著减少了弹性变形在电解液环境中的阻力，使得相同结构下的悬臂梁能够在更小的空间内产生与大空间环境相同的变形量。
7、所述中间可动电极采用激光切割的方式进行加工，并为解决翘曲问题，在加工前采取反变形的方式进行预处理，在加工中采取均匀加工的方式，使得热量在电极板上尽量均匀分布，加工后再采取热退火和挤压成型的方法对电极板形态进行重塑；电极板处理完毕后，通过点胶、对准、注液和环氧树脂灌封，完成小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能一体化器件的制造。
8、本专利技术的有益效果是在保证储能特性的同时，还能在1cm*1cm*1cm的小空间发挥高过载冲击传感性能，适用于当前侵彻引信向着更小空间优化的需求。
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1.一种小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能器件，其特征在于，所述小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能器件为MEMS传感和储能一体化器件；是采用多层电极单体叠层串联式结构的超级电容器；中间层可动电极采用蛇形悬臂梁连接质量块结构，底层电极冲压形成微凸台；在非冲击环境下，器件正常发挥储能功能；在高过载冲击环境下，器件中间层的蛇形悬臂梁发生弹性形变，带动质量块发生位移，并与底层电极的微凸台发生接触，产生短路，导致器件电压下降，实现整体体积缩小到1cm*1cm*1cm以内的MEMS传感和储能一体化器件对高过载冲击的传感；
2.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能器件，其特征在于，所述微凸台的高度控制在相邻电极板间距的1/2～1/3，且均面向中间层的质量块(9)。
3.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能器件，其特征在于，所述中间层可动电极同样采用钛基氧化钌作为基底，电极的两端部分设计为矩形边框形状，矩形边框的四个对角点分别引出蛇形悬臂梁，并与中间质量块的边长中心相连接；蛇形悬臂梁的设计有多个关键参数：圆弧段选取了15
4.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能器件，其特征在于，所述4条蛇形悬臂梁末端与同一质量块相连，质量块则被设计成带孔隙的正方体，每个孔隙的直径选取为150um，总共有4个，这些孔分布于质量块中心与对角点连线的中点处，相互之间间隔90°；相对于直线型悬臂梁，蛇形悬臂梁的设计引入了更复杂的应力分布，使得在相同空间大小和不影响断裂强度的情况下，更容易产生弹性弯曲；另外，中间质量块的孔隙结构的设计则使得流体能够通过，显著减少了弹性变形在电解液环境中的阻力，使得相同结构下的悬臂梁能够在更小的空间内产生与大空间环境相同的变形量。
5.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能器件，其特征在于，所述中间可动电极采用激光切割的方式进行加工，并为解决翘曲问题，在加工前采取反变形的方式进行预处理，在加工中采取均匀加工的方式，使得热量在电极板上尽量均匀分布，激光切割的功率控制在10w以内，切割精度达到10um甚至更高；对减材部分采用多次等距方式进行激光加工；加工前，采取反变形的方式固定住待加工电极板；加工时，通过均匀加工的方法使电极的热应力尽量均匀分布；加工后，通过热压真空键合机等设备采取热退火和挤压变形的方式对电极进行重塑，消除翘曲对电极的影响；然后通过点胶机和专用高精度对位模具进行点胶对位，并采用≥3层的串联式结构，完成浓硫酸的注液和环氧树脂灌封，完成小体积蛇形悬臂梁MEMS冲击传感和储能一体化器件的制造。
...【技术特征摘要】
1.一种小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件，其特征在于，所述小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件为mems传感和储能一体化器件；是采用多层电极单体叠层串联式结构的超级电容器；中间层可动电极采用蛇形悬臂梁连接质量块结构，底层电极冲压形成微凸台；在非冲击环境下，器件正常发挥储能功能；在高过载冲击环境下，器件中间层的蛇形悬臂梁发生弹性形变，带动质量块发生位移，并与底层电极的微凸台发生接触，产生短路，导致器件电压下降，实现整体体积缩小到1cm*1cm*1cm以内的mems传感和储能一体化器件对高过载冲击的传感；
2.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件，其特征在于，所述微凸台的高度控制在相邻电极板间距的1/2～1/3，且均面向中间层的质量块(9)。
3.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件，其特征在于，所述中间层可动电极同样采用钛基氧化钌作为基底，电极的两端部分设计为矩形边框形状，矩形边框的四个对角点分别引出蛇形悬臂梁，并与中间质量块的边长中心相连接；蛇形悬臂梁的设计有多个关键参数：圆弧段选取了15°作为弧段长度，采用了5：1的半径宽度比来确定蛇形悬臂梁的尺寸，同时将蛇形悬臂梁的厚度设置为质量块厚度的一半。
4.根据权利要求1所述的小体积蛇形悬臂梁mems冲击传感和储能器件，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓峰，征志浩，王逸群，戴可人，江斌，尹亚江，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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