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申请/专利权人：西安建筑科技大学

摘要：本发明公开了一种微机电安全密码锁芯及密码锁，包括：鉴码器机构、微处理器和驱动器；鉴码器机构包括：激光发射器、码盘和激光接收器；激光发射器用于发射激光，激光接收器用于接收激光发射器发射的激光；码盘可转动地设置于激光发射器和激光接收器之间，码盘上设置有若干光栅格；码盘转动时，所述若干光栅格用于实现码盘的透光与不透光；激光接收器的信号输出端与微处理器的信号输入端相连接，微处理器用于根据激光接收器传递的信号，判断码盘的透光情况，实现鉴码；驱动器用于驱动码盘转动。本发明可在保证精确性与安全性的同时，显著减少整体尺寸，能够提高抗振动和冲击的能力，可提高锁芯的可靠性。

主权项：1.一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，包括：鉴码器机构、微处理器6和驱动器3；所述鉴码器机构包括：激光发射器2、码盘和激光接收器5；所述激光发射器2用于发射激光，所述激光接收器5用于接收所述激光发射器2发射的激光；所述码盘可转动地设置于所述激光发射器2和所述激光接收器5之间，所述码盘上设置有若干光栅格；所述码盘转动时，所述若干光栅格用于实现所述码盘的透光与不透光；所述激光接收器5的信号输出端与所述微处理器6的信号输入端相连接，所述微处理器6用于根据所述激光接收器5传递的信号，判断所述码盘的透光情况，实现鉴码；所述驱动器3用于驱动所述码盘转动；其中，所述码盘为齿轮码盘4；所述齿轮码盘4上加工有若干齿轮光栅格8，所述若干齿轮光栅格8绕所述齿轮码盘4的轴线布置；所述驱动器3包括：第一V型电热驱动梁12、第一驱动杆、第二V型电热驱动梁16和第二驱动杆；第一V型电热驱动梁12和第二V型电热驱动梁16的两端分别设置有驱动电极11，用于通入驱动电压；第一驱动杆的一端与第一V型电热驱动梁12的中部固定连接，另一端与第二驱动杆相连接；第二驱动杆的一端与第二V型电热驱动梁16的中部固定连接，另一端安装有驱动拨爪14，所述驱动拨爪14与齿轮码盘4的齿形面9相啮合；还包括：第三V型电热驱动梁17和第三驱动杆；第三驱动杆的一端与第三V型电热驱动梁17的中部固定连接，另一端安装有限位拨爪10，所述限位拨爪10与齿轮码盘4的齿形面9相啮合；所述驱动器3的速度变化规律通过控制电压的脉冲循环实现；还包括：下置基板1和上置基板7；激光发射器2固定安装在上置基板7的安装孔中，激光接收器5固定安装在下置基板1的安装孔中；驱动器3和码盘为集成结构，所述集成结构通过键合技术安装在下置基板1和上置基板7之间；下置基板1和上置基板7通过键合技术封装；电路板及微处理器6固定设置在上置基板7的外表面；所述光栅格的宽度大于等于4μm。

全文数据：一种微机电安全密码锁芯及密码锁技术领域本发明属于微机电制造系统技术领域，涉及微机电安全系统技术领域，特别涉及一种微机电安全密码锁芯及密码锁。背景技术机械密码锁是一种用于特别重要场合的安全保险装置，具有寿命长、可靠性高以及误解码率低的特点。机械密码锁主要采用精密机械加工的方法研制，但随着半导体制造工艺和超精密加工技术的迅猛发展，机械结构尺寸越来越微小，利用微机电系统MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem技术小型化机械结构已成为主要途径。微机电安全密码锁是随MEMS技术的发展衍生出的一类新型密码锁机构。微机电安全密码锁MEMSsafetylock是一类用于确保“要害系统”安全性的装置，也可称为微锁microlock、微型组合锁microcombinationlock、微型密码鉴别器microdiscriminator或微型使用控制开关microuse-controlswitch。与普通密码锁相比，安全密码锁的功能特点是逐位鉴别解锁、单次试开。其中，微机械鉴码器机构是实现微密码锁的关键之一，它的研制直接影响到微密码锁的性能。鉴码机构是密码锁的核心构件，用以实现解锁码装置；密码通常采用24位字长二元码组可表示为符号“A”,“B”或数字“0”,“1”的组合，鉴码方式采用逐位输入、逐位鉴别的模式，在密码输入中出现任何一位误码，鉴码机构都能实现实时机械锁死，从而增强了机械密码锁的可靠性和安全性。目前，传统的安全密码锁芯为确保其安全性，增加密码组数，通常会采用增大设计尺寸，以及提高锁芯内部机构复杂程度的方式；上述传统方式存在的缺陷包括：会导致安全密码锁芯尺寸较大，使得安全密码锁芯对振动、冲击等反应过于敏感，故障率偏高，且故障后难以修理，导致可靠性显著下降。综上，亟需一种新型的微机电安全密码锁芯及密码锁。发明内容本发明的目的在于提供一种微机电安全密码锁芯及密码锁，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的微机电安全密码锁芯，可在保证精确性与安全性的同时，显著减少整体尺寸，能够提高抗振动和冲击的能力，可提高锁芯的可靠性。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种微机电安全密码锁芯，包括：鉴码器机构、微处理器和驱动器；鉴码器机构包括：激光发射器、码盘和激光接收器；激光发射器用于发射激光，激光接收器用于接收激光发射器发射的激光；码盘可转动地设置于激光发射器和激光接收器之间，码盘上设置有若干光栅格；码盘转动时，所述若干光栅格用于实现码盘的透光与不透光；激光接收器的信号输出端与微处理器的信号输入端相连接，微处理器用于根据激光接收器传递的信号，判断码盘的透光情况，实现鉴码；驱动器用于驱动码盘转动。本发明的进一步改进在于，所述码盘为齿轮码盘；齿轮码盘上加工有若干齿轮光栅格，所述若干齿轮光栅格绕所述齿轮码盘的轴线布置。本发明的进一步改进在于，光栅格的宽度大于等于4μm。本发明的进一步改进在于，驱动器包括：第一V型电热驱动梁、第一驱动杆、第二V型电热驱动梁和第二驱动杆；第一V型电热驱动梁和第二V型电热驱动梁的两端分别设置有驱动电极，用于通入驱动电压；第一驱动杆的一端与第一V型电热驱动梁的中部固定连接，另一端与第二驱动杆相连接；第二驱动杆的一端与第二V型电热驱动梁的中部固定连接，另一端安装有驱动拨爪，所述驱动拨爪与齿轮码盘相啮合。本发明的进一步改进在于，还包括：第三V型电热驱动梁和第三驱动杆；第三驱动杆的一端与第三V型电热驱动梁的中部固定连接，另一端安装有限位拨爪，所述限位拨爪与齿轮码盘相啮合。本发明的进一步改进在于，驱动器的速度变化规律通过控制电压的脉冲循环实现。本发明的进一步改进在于，还包括：下置基板和上置基板；激光发射器固定安装在上置基板的安装孔中，激光接收器固定安装在下置基板的安装孔中；驱动器和码盘为集成结构，所述集成结构通过键合技术安装在下置基板和上置基板之间；下置基板和上置基板通过键合技术封装；电路板及微处理器固定设置在上置基板的外表面。本发明的进一步改进在于，还包括：电源模块；所述电源模块用于为鉴码器机构、微处理器和驱动器供电。本发明的进一步改进在于，光栅格和轮盘通过MEMS加工。一种微机电安全密码锁，采用了本发明上述的微机电安全密码锁芯。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的安全密码锁芯，包括驱动器和轮盘，轮盘上设置有若干光栅格，锁芯密码复杂度由栅格数决定的机械密钥复杂度和驱动器速度变化规则复杂度相乘得来，能够极大地提高密码锁的安全性。相比于目前增加密码组数以及增大设计尺寸提高锁芯内部机构复杂程度等方式，本发明在保证其精确性与安全性的同时，能够显著减少整体尺寸，提高抗振动、冲击能力，提高锁芯的可靠性；其尺寸显著低于普通密码锁芯，便于密码锁的安装、装配与集成。进一步的，为确保光的衍射不会对锁芯的鉴码造成影响，栅格宽度设置为4微米以上。进一步的，本发明基于电热驱动和光电转换实现密码锁芯的鉴码，可进一步在保证其精确性与安全性的同时，减少整体尺寸，并提高可靠性。进一步的，本发明还设置有第三V型电热驱动梁，用于安全限位。进一步的，本发明中驱动器速度变化规则可经由普通驱动器控制电压的脉冲循环实现控制，其复杂度由电路系统决定；例如，以恒定速度考虑，即其复杂度为1。进一步的，本发明采用键合技术封装结构，可进一步减小整体尺寸。进一步的，通过MEMS加工可保证精度；采用MEMS工艺进行加工与封装，锁芯整体尺寸显著低于普通密码锁芯，便于密码锁的安装与集成；其中，数百个单件定制的锁芯可同批批量制造，成本低廉，便于推广且经济社会效益较大。本发明采用MEMS表面工艺加工，无需复杂的零件装配，配件少，结构简单，耐冲击、振动，可靠性高。具体分析，当齿轮栅格数为N时，机械密钥复杂度为2N；而齿轮栅格数由加工精度决定，普通的MEMS表面工艺精度可达到1微米以下。采用此工艺时，其栅格数可达到1600以上；以栅格数为400作为设计准则，则机械密钥复杂度为2400；密码学中，密码复杂度达到2256即为超高级别，本发明锁芯密码复杂度远超普通密码锁密码复杂度。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例的一种微机电安全密码锁芯的整体结构示意爆炸图；图2是本发明实施例的一种微机电安全密码锁芯中齿轮码盘的结构示意图；图3是本发明实施例的一种微机电安全密码锁芯中鉴码器机构的结构示意图；图4是本发明实施例的一种微机电安全密码锁芯中电热驱动器的结构示意图；图5是本发明实施例的一种微机电安全密码锁芯中微拨爪与微齿轮的运动示意图；图1至图5中，1、下置基板；2、激光发射器；3、驱动器；4、齿轮码盘；5、激光接收器；6、微处理器；7、上置基板；8、齿轮光栅格；9、齿形面；10、限位拨爪；11、驱动电极；12、第一V型电热驱动梁；13、齿轮拨爪结构；14、驱动拨爪；15、运动限位结构；16、第二V型电热驱动梁；17、第三V型电热驱动梁。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。请参阅图1，本发明实施例的一种微机电安全密码锁芯，包括：下置基板1、鉴码器机构、驱动器3、微处理器6和上置基板7。下置基板1和上置基板7用于微机电安全密码锁芯装置的支撑、保护及相关部件的定位安装；鉴码器机构包括激光发射器2、齿轮码盘4和激光接收器5，用于实现信号的鉴别与传递；驱动器3用于鉴码器机构中齿轮盘的驱动；微处理器6用于信号的处理与传递。激光发射器2和激光接受器5分别固定安装在上置基板7和下置基板1安装孔中；齿轮码盘4与驱动器3集成制作，利用键合技术固定安装在上下两个基板中间；上置基板7和下置基板1通过键合技术进行封装，随后在上置基板7表面固定电路板及微处理器6，以此实现密码锁芯的功能。请参阅图2和图3，齿轮码盘4包括：齿轮光栅格8和齿轮齿形面9。齿轮码盘4的轮盘外缘处为类似光栅的齿轮光栅格8，每一个栅格部分以物理隔断实现轮盘的透光或不透光，激光发射器2发射的激光经过齿轮光栅格8判定其是否被激光接受器5接收，透光和不透光分别代表密码符号A或B，即每一个栅格部分代表一位密码，齿轮码盘4每转动一个栅格的角度，即为鉴码器机构实现了一位密码的鉴别，激光接受器5将接受的信号传递至处理器6，以此实现鉴码器鉴码的功能。请参阅图4和图5，驱动器3包括：安全限位机构、驱动电极11、第一V型电热驱动梁12和齿轮拨爪结构13。齿轮拨爪结构13包括：驱动拨爪14和运动限位结构15。在第一V型电热驱动梁12两端的驱动电极11接上电压，第一V型电热驱动梁12中有电流通过时，会导致其受热膨胀，因其对称结构，产生一个朝向其梁顶角方向的微小位移，经放大器放大这个位移后，带动其前端齿轮拨爪结构13运动；第二V型电热驱动梁16和第三V型电热驱动梁17同理。将齿轮拨爪结构13两个方向的往复运动进行组合，即可实现拨齿微齿轮啮合-拨齿拨动微齿轮进行一个单位的运动-拨齿微齿轮脱啮合-拨齿复位-拨齿微齿轮啮合的运动循环，多次循环，即可带动齿轮码盘4进行不同速度与不同角度的转动。第三V型电热驱动梁17用于安全限位，第三V型电热驱动梁17连接的驱动杆上安装有限位拨爪10。本发明的锁芯中鉴码器机构鉴码原理为：微齿轮盘的轮盘外缘处为类似光栅的微隔断，每一个栅格部分以物理隔断实现轮盘的透光或不透光，激光发射器发射的激光经过微齿轮的微隔断判定其是否被激光接收器接收，透光和不透光分别代表密码符号A或B，即每一个栅格部分代表一位密码，微齿轮每转动一个栅格的角度，即为鉴码器机构实现了一位密码的鉴别，激光接收器将接受的信号传递至微处理器，以此实现鉴码器鉴码的功能。本发明中，驱动器的工作原理是：在V型电热驱动梁两端接上电压，V型梁中会有电流通过，导致其受热膨胀，因其对称结构，产生一个朝向其梁顶角方向的微小位移，经放大器放大这个位移后，带动其前端拨齿运动，将拨齿两个方向的往复运动进行组合，即可实现拨齿微齿轮啮合-拨齿拨动微齿轮进行一个单位的运动-拨齿微齿轮脱啮合-拨齿复位-拨齿微齿轮啮合的运动循环，多次循环，即可带动微齿轮进行不同速度与不同角度的转动。综上，本发明的微机械结构的密码锁芯装置由下置基板、鉴码器机构、驱动器、处理器和上置基板组成。其中，鉴码器机构包括：激光发射器、齿轮码盘和激光接收器；驱动器包括：电极、V型电热驱动梁、微拨爪和安全限位机构。发明的密码锁芯装置，结构简单、尺寸较小、制造方便且成本低廉，耐冲击、振动，可靠性高，适用于要害系统安全密码锁的研究；能够显著减小安全密码锁的整体尺寸，便于安全密码锁的生产与装配，并能极大的提高密码锁的安全性。本发明因采用MEMS工艺进行加工与封装，锁芯整体尺寸为10mm*9mm*4.5mm，显著低于普通密码锁芯，便于密码锁的安装与集成。本发明的密码复杂度由其微齿轮栅格数决定的机械密钥复杂度和驱动器速度变化规则复杂度相乘得来。驱动器速度变化规则可经由普通驱动器控制电压的脉冲循环实现控制，其复杂度由电路系统决定，在此以恒定速度考虑，即其复杂度为1。当微齿轮栅格数为N时，机械密钥复杂度为2N；而微齿轮栅格数由加工精度决定，普通的MEMS表面工艺精度可达到1微米以下。采用此工艺时，其栅格数可达到1600以上；为确保光的衍射不会对锁芯的鉴码造成影响，栅格宽度增加至4微米以上，以栅格数为400作为设计准则，则机械密钥复杂度为2400。密码学中，密码复杂度达到2256即为超高级别，本发明锁芯密码复杂度远超普通密码锁密码复杂度。本发明采用MEMS技术进行锁芯部件的制作，最终通过键合技术进行封装，实现密码锁芯的功能，使其整体结构简单，突破性的打破传统机械结构密码锁芯复杂连接机构的限制，制造方便且成本低廉。本发明的采用的工艺成熟，数百个单件定制的锁芯可同批批量制造，成本低廉。采用MEMS表面工艺加工，无需复杂的零件装配，配件少，结构简单，耐冲击、振动，可靠性高。本发明的制备方法中，鉴码器机构基于电热驱动和光电转换实现密码锁芯的鉴码，保证其精确性与安全性的同时，显著减少其整体尺寸，提高其抗振动、冲击能力，提高锁芯的可靠性，广泛的适用于各种密码锁的研究，能够显著减小密码锁的整体尺寸，便于密码锁的生产与装配，并能极大的提高密码锁的安全性。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

权利要求：1.一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，包括：鉴码器机构、微处理器6和驱动器3；所述鉴码器机构包括：激光发射器2、码盘和激光接收器5；所述激光发射器2用于发射激光，所述激光接收器5用于接收所述激光发射器2发射的激光；所述码盘可转动地设置于所述激光发射器2和所述激光接收器5之间，所述码盘上设置有若干光栅格；所述码盘转动时，所述若干光栅格用于实现所述码盘的透光与不透光；所述激光接收器5的信号输出端与所述微处理器6的信号输入端相连接，所述微处理器6用于根据所述激光接收器5传递的信号，判断所述码盘的透光情况，实现鉴码；所述驱动器3用于驱动所述码盘转动。2.根据权利要求1所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，所述码盘为齿轮码盘4；所述齿轮码盘4上加工有若干齿轮光栅格8，所述若干齿轮光栅格8绕所述齿轮码盘4的轴线布置。3.根据权利要求1所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，所述光栅格的宽度大于等于4μm。4.根据权利要求2所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，所述驱动器3包括：第一V型电热驱动梁12、第一驱动杆、第二V型电热驱动梁16和第二驱动杆；第一V型电热驱动梁12和第二V型电热驱动梁16的两端分别设置有驱动电极11，用于通入驱动电压；第一驱动杆的一端与第一V型电热驱动梁12的中部固定连接，另一端与第二驱动杆相连接；第二驱动杆的一端与第二V型电热驱动梁16的中部固定连接，另一端安装有驱动拨爪14，所述驱动拨爪14与齿轮码盘4的齿形面9相啮合。5.根据权利要求4所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，还包括：第三V型电热驱动梁17和第三驱动杆；第三驱动杆的一端与第三V型电热驱动梁17的中部固定连接，另一端安装有限位拨爪10，所述限位拨爪10与齿轮码盘4的齿形面9相啮合。6.根据权利要求5所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，所述驱动器3的速度变化规律通过控制电压的脉冲循环实现。7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，还包括：下置基板1和上置基板7；激光发射器2固定安装在上置基板7的安装孔中，激光接收器5固定安装在下置基板1的安装孔中；驱动器3和码盘为集成结构，所述集成结构通过键合技术安装在下置基板1和上置基板7之间；下置基板1和上置基板7通过键合技术封装；电路板及微处理器6固定设置在上置基板7的外表面。8.根据权利要求7所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，还包括：电源模块；所述电源模块用于为所述鉴码器机构、所述微处理器6和所述驱动器3供电。9.根据权利要求8所述的一种微机电安全密码锁芯，其特征在于，所述光栅格和所述轮盘通过MEMS加工。10.一种微机电安全密码锁，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的微机电安全密码锁芯。

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