基于弱環(huán)境力微型引信低壓驅(qū)動(dòng)固態(tài)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

馮恒振， 婁文忠， 孫毅， 趙悅岑

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120)

微型引信對(duì)實(shí)現(xiàn)彈藥微型化、可靠性具有極大地推進(jìn)作用[1-3].微型引信的核心技術(shù)是MEMS安保機(jī)構(gòu)、MEMS火工品及三維異構(gòu)集成工藝、測(cè)試及裝配方法等.歷經(jīng)30多年發(fā)展，MEMS引信已經(jīng)在火炮主型彈藥上使用.近年來，美國(guó)大力發(fā)展非硅MEMS安保機(jī)構(gòu)與火工品集成制造技術(shù)，以滿足在過載環(huán)境最惡劣、尺度最小、用量最大、成本低的小口徑彈藥上的使用.2005年，美國(guó)借助UV-LIGA、精密機(jī)械加工等工藝研制出MEMS引信的安保機(jī)構(gòu)，成為小口徑彈、中大口徑炮彈的基型，最典型是應(yīng)用于美國(guó)理想單兵武器系統(tǒng)的25 mm高爆榴彈引信[4].2010年，法國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)硅芯片上MEMS安保裝置與火工品系統(tǒng)的集成，滿足STANAG 4187標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)火僅需635 mW[5-6].2012年，美國(guó)Indian Head研究所為陸軍40 mm槍榴彈MK19開發(fā)了通用MEMS引信，可在一塊基片上同時(shí)集成安保機(jī)構(gòu)與火工品，實(shí)現(xiàn)引信安全與起爆控制的全部核心功能，無(wú)需裝配，可大規(guī)模制造，成本低.2015年，該系統(tǒng)技術(shù)成熟度已達(dá)6級(jí)，并在40 mm榴彈上驗(yàn)證應(yīng)用[7-9].近年來國(guó)內(nèi)的研究人員也在探索既符合MEMS工藝又滿足引信傳爆和安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)[10-12].但是以上研究的微型引信安保機(jī)構(gòu)均基于彈道環(huán)境敏感，具有較大發(fā)射過載或者是離心環(huán)境，無(wú)法在弱環(huán)境力或者是無(wú)環(huán)境力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)微型引信的保險(xiǎn)解除.也就是說由于機(jī)電引信內(nèi)部的供電系統(tǒng)普遍供電范圍在(5～35 V)左右，該芯片無(wú)法實(shí)現(xiàn)在機(jī)電引信正常工作范圍內(nèi)的信號(hào)驅(qū)動(dòng).故本文中基于以上問題，開展了基于弱環(huán)境力的微型引信固態(tài)微型引信研究, 實(shí)現(xiàn)了基于低壓驅(qū)動(dòng)(5～30 V)的弱環(huán)境力固態(tài)保險(xiǎn)設(shè)計(jì).

1 引信固態(tài)保險(xiǎn)模型設(shè)計(jì)及理論數(shù)值計(jì)算

文中基于弱環(huán)境力彈道環(huán)境(低或無(wú)發(fā)射過載(0～20g)，無(wú)自旋轉(zhuǎn))，開展微型引信低壓驅(qū)動(dòng)固態(tài)保險(xiǎn)模型設(shè)計(jì)，該固態(tài)保險(xiǎn)借助MEMS加工工藝，通過電氣化方式，實(shí)現(xiàn)與彈上引信控制系統(tǒng)互聯(lián)，通過電控方式實(shí)現(xiàn)引信的安全與解保控制.可以廣泛應(yīng)用在引信的安全控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)環(huán)境與弱環(huán)境彈藥的安全控制通用化.由于機(jī)電引信內(nèi)部的供電系統(tǒng)普遍供電范圍在(5～35 V)，通過降低固態(tài)保險(xiǎn)各個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)固態(tài)保險(xiǎn)的低壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì).

引信固態(tài)保險(xiǎn)模型如圖1所示.其中，控制層接入微型引信的控制系統(tǒng)，固態(tài)保險(xiǎn)的控制層的常態(tài)為“中斷”信號(hào)，其敏感結(jié)構(gòu)為“對(duì)插式”梳齒結(jié)構(gòu).其材料選取為電導(dǎo)率高的材料(例如：金屬鋁)，控制層基于修正的Corona effect，通過完成10 μm量級(jí)電極間隙內(nèi)，氣體擊穿，使得開關(guān)控制層狀態(tài)有常態(tài)的“斷”轉(zhuǎn)向“通”，并由電能轉(zhuǎn)化為焦耳熱能.除此之外，文中設(shè)計(jì)的執(zhí)行層中間工作區(qū)域?yàn)椤肮饭橇菏綐騾^(qū)”，選取的材料為金屬鎳，選取的原因是該金屬材料在常溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，不易氧化，且熔點(diǎn)低，可實(shí)現(xiàn)在控制層工作環(huán)境下的可靠熔斷，該層通過儲(chǔ)能電容放電，完成狗骨梁橋區(qū)熔斷，實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)“通”到“斷”.

圖1 引信固態(tài)保險(xiǎn)模型

1.1 基于Corona放電效應(yīng)控制層模型設(shè)計(jì)

控制層通過電極之間的不對(duì)稱電場(chǎng)分布產(chǎn)生空氣的瞬時(shí)擊穿，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)“通”.其中，電暈放電電壓(VC)是為了使電極表面附近的空氣分子電離所需的臨界電場(chǎng).文中的電暈結(jié)構(gòu)是根據(jù)其應(yīng)用的實(shí)際需求設(shè)計(jì)的,皮克定律將此起始電勢(shì)與間隙距離d關(guān)聯(lián)起來，其關(guān)系式為[9]

(1)

表1 電暈放電模型的理論參數(shù)

為可靠地實(shí)現(xiàn)控制層導(dǎo)通，本文中選擇兩個(gè)電極間隙值9 μm和11 μm進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真和設(shè)計(jì)過程.根據(jù)電暈放電原理設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)模型.在模型元素中，主要包括下層基板(金屬層)及介于電極中間的空氣，基于本文中所述的電暈?zāi)Ｐ烷_發(fā)了靜電模擬.襯底材料選擇為氧化硅，并且金屬結(jié)構(gòu)由鋁材料組成.使用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，以在放電電極間隙為9 μm和11 μm的情況下獲得30，40，50和60 V電壓下的能量，并將金屬電極與鋁結(jié)合.擊穿電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度如圖2～3所示.結(jié)合低壓驅(qū)動(dòng)固態(tài)保險(xiǎn)不同電極間間隙與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系，不同電極間隙、驅(qū)動(dòng)電壓和場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖4所示.當(dāng)點(diǎn)擊間隙范圍在2～6 μm之間，相同驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)分布出現(xiàn)較大波動(dòng)，當(dāng)電極間隙在9～11 μm，驅(qū)動(dòng)電壓在30 V時(shí)，空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)趨于平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)器件工作可靠性.

圖2 9 μm以下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖3 11 μm下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖4 電極間隙、靜電激勵(lì)電壓和場(chǎng)強(qiáng)密度之間的關(guān)系

1.2 執(zhí)行層模型設(shè)計(jì)

由于本文中設(shè)計(jì)的執(zhí)行層位于控制層與絕緣層上方，該層作用依靠控制層產(chǎn)生的能量，可以實(shí)現(xiàn)鎳電極熔斷.執(zhí)行層尺寸在微米量級(jí)，可以在短時(shí)間內(nèi)積累大量焦耳熱，發(fā)生電爆炸.控制層采用電容放電驅(qū)動(dòng)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路從原理上可等效為一個(gè)RLC串聯(lián)電路.

根據(jù)基爾霍夫定律，驅(qū)動(dòng)電路的回路方程可表示為

(2)

式中:UCdc為驅(qū)動(dòng)電容兩端電壓;Cdc為驅(qū)動(dòng)電容;Ldc為電路中分布的電感;Rd為驅(qū)動(dòng)電路總電阻值.

方程(2)的特征方程為

(3)

解得

(4)

令

因此，方程(4)的通解為

(5)

分析式(5)可知當(dāng)電路其他參數(shù)固定時(shí)，電容值越高，峰值電流越高.驅(qū)動(dòng)電路電阻、電容和電感間存在匹配關(guān)系.超過臨界值后，隨電容值增大，電阻和電感減小，驅(qū)動(dòng)電路放電效率將降低，主要體現(xiàn)為震蕩放電中部分能量處于負(fù)半軸.由于控制層在驅(qū)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)不可逆的損壞，理論上反向電流將不能通過控制層，造成放電能量損失.

從文獻(xiàn)[11-12]結(jié)果可知，執(zhí)行層疏導(dǎo)過程為穩(wěn)態(tài)過程，取執(zhí)行層寬度10 μm，長(zhǎng)度30 μm為例對(duì)執(zhí)行層的恒流穩(wěn)態(tài)特性開展仿真分析，施加了對(duì)應(yīng)(10 V,22 μf)電容放電能量的恒流載荷，通過理論計(jì)算[12]，該處電流強(qiáng)度范圍為(200～1 200 mA)，得到執(zhí)行層穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分布云圖.如圖5所示.由圖可知，驅(qū)動(dòng)過程中，執(zhí)行層的橋型區(qū)域?yàn)榻苟鸁崃康闹饕袇^(qū)，當(dāng)電流負(fù)載達(dá)到1 000 mA時(shí)，執(zhí)行層溫度達(dá)到鎳的熔點(diǎn)，結(jié)構(gòu)失去疏導(dǎo)能力，因此在寬度10 μm，長(zhǎng)度30 μm時(shí)疏導(dǎo)能力約為1 000 mA，與計(jì)算結(jié)果基本吻合.

圖5 執(zhí)行層穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖(I=200 mA/400 mA/1 000 mA/1 200 mA)

執(zhí)行層采用電容放電驅(qū)動(dòng)，峰值電壓10 V，儲(chǔ)能電容10 μF.由圖6可知，在0.2 μs時(shí)，控制層已經(jīng)出現(xiàn)汽化相變，在仿真模型中汽化后的結(jié)構(gòu)仍具有均勻性和連續(xù)性，因此在汽化相變后相變區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，以至于超出執(zhí)行層橋區(qū)區(qū)域.綜上所述，文中設(shè)計(jì)的微型引信固態(tài)保險(xiǎn)執(zhí)行層結(jié)構(gòu)尺寸:狗骨梁最窄處寬度為20μm,厚度為0.5 μm,長(zhǎng)度為30 μm,弧度半徑為5 μm.

圖6 裸芯片驅(qū)動(dòng)過程控制層平面相變?cè)茍D

2 引信固態(tài)保險(xiǎn)加工設(shè)計(jì)

文中基于對(duì)固態(tài)保險(xiǎn)的理論計(jì)算與仿真優(yōu)化，結(jié)合體硅加工工藝標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)構(gòu)加工工藝流程設(shè)計(jì)如圖7所示.

圖7 微型引信固態(tài)保險(xiǎn)加工流程

具體的加工工藝為

① 備片，8寸n型硅片，并完成硅片清洗(V濃硫酸∶V雙氧水=3∶1)；

② 濺射金屬鋁，磁控濺射，濺射速率100 nm/min，厚度2 μm；

③～④ 勻膠光刻，選用光刻膠AZ6130，前轉(zhuǎn)500 r/min，后轉(zhuǎn)3 000 r/min，厚度：2 μm，光刻后，顯影45 s，完成結(jié)構(gòu)圖形化；

⑤ ICP刻蝕金屬鋁，刻蝕速率：150 nm/min；

⑥ 祛膠，丙酮水浴清洗(水浴溫度75 ℃，水浴時(shí)間15 min)；

⑦ 通過PECVD生長(zhǎng)SiO2，生長(zhǎng)厚度200 nm，速率：25 nm/min；

⑧ 光刻，完成絕緣層結(jié)構(gòu)圖形化，HF酸緩沖液，腐蝕SiO2，腐蝕速率：80 nm/min；

⑨ 清洗，丙酮水浴清洗(水浴溫度75 ℃，水浴時(shí)間15 min)；

⑩ 濺射金屬鎳，完成執(zhí)行層材料選擇，厚度100 nm；

3 測(cè)試與驗(yàn)證

本研究中的引信微型固態(tài)保險(xiǎn)圓片級(jí)靜態(tài)測(cè)試基于自主研發(fā)的圓片級(jí)測(cè)試系統(tǒng)，如圖8所示.圓片級(jí)測(cè)試系統(tǒng)主要包括：高精度探針臺(tái)、數(shù)字萬(wàn)用表、虛擬示波器、脈沖電壓發(fā)生器、恒流源.文中設(shè)計(jì)的固態(tài)安全開關(guān)借助固態(tài)探針臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制層驅(qū)動(dòng)電壓輸入與執(zhí)行層驅(qū)動(dòng)能量輸入.借助掃描電子顯微鏡對(duì)固態(tài)開關(guān)控制層與執(zhí)行層結(jié)構(gòu)形貌拍攝，如圖9所示.

圖8 圓片級(jí)測(cè)試系統(tǒng)

圖9 固態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)形貌示意圖

文中為驗(yàn)證固態(tài)保險(xiǎn)的作用可靠性，共挑選5支固態(tài)保險(xiǎn)芯片.首先需要開展待測(cè)試固態(tài)開關(guān)的電氣性能，主要包括：控制層的通斷及執(zhí)行層的電阻.待測(cè)固態(tài)開關(guān)的性能如表2所示.

表2 芯片篩選

由表2得到：常態(tài)下，固態(tài)保險(xiǎn)的控制層均為斷路，執(zhí)行層電阻范圍在1.212～1.451 Ω之間.其波動(dòng)誤差保持在：

(6)

式中:γ為測(cè)試誤差；R為固態(tài)保險(xiǎn)執(zhí)行層電阻；R均為固態(tài)保險(xiǎn)執(zhí)行層的平均電阻；n為測(cè)試固態(tài)保險(xiǎn)數(shù)量.通過計(jì)算得到誤差為9.2%，由于誤差小于10%，滿足設(shè)計(jì)要求.對(duì)控制層施加驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電壓初始值為30 V，對(duì)執(zhí)行層施加驅(qū)動(dòng)能量為(10 V，10 μF)，通過以上測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試得到表3驅(qū)動(dòng)電壓、控制層與執(zhí)行層作用通斷情況.測(cè)試得到5個(gè)芯片測(cè)試結(jié)果如表3所示.其執(zhí)行層驅(qū)動(dòng)能量為10 V,10 μF.

表3 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過以上試驗(yàn)，可以得出本文中設(shè)計(jì)的低電壓驅(qū)動(dòng)引信固態(tài)保險(xiǎn)的控制層驅(qū)動(dòng)電壓與理論建模分析得到的驅(qū)動(dòng)電壓相比：

(7)

式中:Δ為驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)際誤差;Vi為實(shí)際控制層的驅(qū)動(dòng)電壓;Vt為理論計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓;n為測(cè)試次數(shù).通過計(jì)算得到控制層驅(qū)動(dòng)電壓誤差為：10.28%，驅(qū)動(dòng)電壓平均值為33.1 V，執(zhí)行層驅(qū)動(dòng)能量為10 V,10 μF，滿足微型引信系統(tǒng)的能量供應(yīng)范圍.

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于MEMS體硅加工技術(shù)，結(jié)合弱環(huán)境力彈道條件與固態(tài)保險(xiǎn)無(wú)法低壓驅(qū)動(dòng)的技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)了基于Corona電暈放電效應(yīng)的固態(tài)保險(xiǎn)，與此同時(shí)，根據(jù)微型機(jī)電引信中，驅(qū)動(dòng)電壓低的現(xiàn)狀，提出基于低壓驅(qū)動(dòng)的固態(tài)保險(xiǎn)控制機(jī)制.該保險(xiǎn)包含兩道獨(dú)立的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，首先，通過Corona效應(yīng)完成控制層作用，將電雷管連接至起爆回路中；其次，通過儲(chǔ)能電容放電實(shí)現(xiàn)執(zhí)行層結(jié)構(gòu)熔斷，將起爆電容拉回起爆回路.從而完成兩道保險(xiǎn)設(shè)計(jì).通過搭建的實(shí)驗(yàn)室級(jí)晶圓測(cè)試系統(tǒng)完成固態(tài)保險(xiǎn)性能測(cè)試，得到控制層驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)際測(cè)試與理論誤差為10.28%，控制層平均驅(qū)動(dòng)電壓為33.1 V，執(zhí)行層驅(qū)動(dòng)能量為10 V,10 μF.滿足應(yīng)用于微型機(jī)電引信的低電壓驅(qū)動(dòng)及不依靠環(huán)境實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)解除的需求.