基于弱环境力微型引信低压驱动固态保险设计

冯恒振， 娄文忠， 孙毅， 赵悦岑

(1.北京理工大学 机电学院，北京 100081；2.北京理工大学 重庆创新中心，重庆 401120)

微型引信对实现弹药微型化、可靠性具有极大地推进作用[1-3].微型引信的核心技术是MEMS安保机构、MEMS火工品及三维异构集成工艺、测试及装配方法等.历经30多年发展，MEMS引信已经在火炮主型弹药上使用.近年来，美国大力发展非硅MEMS安保机构与火工品集成制造技术，以满足在过载环境最恶劣、尺度最小、用量最大、成本低的小口径弹药上的使用.2005年，美国借助UV-LIGA、精密机械加工等工艺研制出MEMS引信的安保机构，成为小口径弹、中大口径炮弹的基型，最典型是应用于美国理想单兵武器系统的25 mm高爆榴弹引信[4].2010年，法国首次实现了在同一个硅芯片上MEMS安保装置与火工品系统的集成，满足STANAG 4187标准，点火仅需635 mW[5-6].2012年，美国Indian Head研究所为陆军40 mm枪榴弹MK19开发了通用MEMS引信，可在一块基片上同时集成安保机构与火工品，实现引信安全与起爆控制的全部核心功能，无需装配，可大规模制造，成本低.2015年，该系统技术成熟度已达6级，并在40 mm榴弹上验证应用[7-9].近年来国内的研究人员也在探索既符合MEMS工艺又满足引信传爆和安全性设计准则的结构[10-12].但是以上研究的微型引信安保机构均基于弹道环境敏感，具有较大发射过载或者是离心环境，无法在弱环境力或者是无环境力环境下实现微型引信的保险解除.也就是说由于机电引信内部的供电系统普遍供电范围在(5～35 V)左右，该芯片无法实现在机电引信正常工作范围内的信号驱动.故本文中基于以上问题，开展了基于弱环境力的微型引信固态微型引信研究, 实现了基于低压驱动(5～30 V)的弱环境力固态保险设计.

1 引信固态保险模型设计及理论数值计算

文中基于弱环境力弹道环境(低或无发射过载(0～20g)，无自旋转)，开展微型引信低压驱动固态保险模型设计，该固态保险借助MEMS加工工艺，通过电气化方式，实现与弹上引信控制系统互联，通过电控方式实现引信的安全与解保控制.可以广泛应用在引信的安全控制系统中，实现高动态环境与弱环境弹药的安全控制通用化.由于机电引信内部的供电系统普遍供电范围在(5～35 V)，通过降低固态保险各个驱动环节的驱动电压，实现固态保险的低压驱动设计.

引信固态保险模型如图1所示.其中，控制层接入微型引信的控制系统，固态保险的控制层的常态为“中断”信号，其敏感结构为“对插式”梳齿结构.其材料选取为电导率高的材料(例如：金属铝)，控制层基于修正的Corona effect，通过完成10 μm量级电极间隙内，气体击穿，使得开关控制层状态有常态的“断”转向“通”，并由电能转化为焦耳热能.除此之外，文中设计的执行层中间工作区域为“狗骨梁式桥区”，选取的材料为金属镍，选取的原因是该金属材料在常温环境下的稳定性，不易氧化，且熔点低，可实现在控制层工作环境下的可靠熔断，该层通过储能电容放电，完成狗骨梁桥区熔断，实现电气信号“通”到“断”.

图1 引信固态保险模型

1.1 基于Corona放电效应控制层模型设计

控制层通过电极之间的不对称电场分布产生空气的瞬时击穿，从而实现信号“通”.其中，电晕放电电压(VC)是为了使电极表面附近的空气分子电离所需的临界电场.文中的电晕结构是根据其应用的实际需求设计的,皮克定律将此起始电势与间隙距离d关联起来，其关系式为[9]

(1)

表1 电晕放电模型的理论参数

为可靠地实现控制层导通，本文中选择两个电极间隙值9 μm和11 μm进行结构仿真和设计过程.根据电晕放电原理设计了结构模型.在模型元素中，主要包括下层基板(金属层)及介于电极中间的空气，基于本文中所述的电晕模型开发了静电模拟.衬底材料选择为氧化硅，并且金属结构由铝材料组成.使用COMSOL多物理场仿真软件进行结构仿真，以在放电电极间隙为9 μm和11 μm的情况下获得30，40，50和60 V电压下的能量，并将金属电极与铝结合.击穿电压和电场强度如图2～3所示.结合低压驱动固态保险不同电极间间隙与驱动电压之间的关系，不同电极间隙、驱动电压和场强强度之间的关系如图4所示.当点击间隙范围在2～6 μm之间，相同驱动电压产生的空气击穿场强分布出现较大波动，当电极间隙在9～11 μm，驱动电压在30 V时，空气击穿场强趋于平稳，可以实现器件工作可靠性.

图2 9 μm以下的电场强度分布

图3 11 μm下的电场强度分布

图4 电极间隙、静电激励电压和场强密度之间的关系

1.2 执行层模型设计

由于本文中设计的执行层位于控制层与绝缘层上方，该层作用依靠控制层产生的能量，可以实现镍电极熔断.执行层尺寸在微米量级，可以在短时间内积累大量焦耳热，发生电爆炸.控制层采用电容放电驱动，整个驱动电路从原理上可等效为一个RLC串联电路.

根据基尔霍夫定律，驱动电路的回路方程可表示为

(2)

式中:UCdc为驱动电容两端电压;Cdc为驱动电容;Ldc为电路中分布的电感;Rd为驱动电路总电阻值.

方程(2)的特征方程为

(3)

解得

(4)

令

因此，方程(4)的通解为

(5)

分析式(5)可知当电路其他参数固定时，电容值越高，峰值电流越高.驱动电路电阻、电容和电感间存在匹配关系.超过临界值后，随电容值增大，电阻和电感减小，驱动电路放电效率将降低，主要体现为震荡放电中部分能量处于负半轴.由于控制层在驱动过程中会出现不可逆的损坏，理论上反向电流将不能通过控制层，造成放电能量损失.

从文献[11-12]结果可知，执行层疏导过程为稳态过程，取执行层宽度10 μm，长度30 μm为例对执行层的恒流稳态特性开展仿真分析，施加了对应(10 V,22 μf)电容放电能量的恒流载荷，通过理论计算[12]，该处电流强度范围为(200～1 200 mA)，得到执行层稳态的温度场分布云图.如图5所示.由图可知，驱动过程中，执行层的桥型区域为焦耳热量的主要集中区，当电流负载达到1 000 mA时，执行层温度达到镍的熔点，结构失去疏导能力，因此在宽度10 μm，长度30 μm时疏导能力约为1 000 mA，与计算结果基本吻合.

图5 执行层稳态温度分布云图(I=200 mA/400 mA/1 000 mA/1 200 mA)

执行层采用电容放电驱动，峰值电压10 V，储能电容10 μF.由图6可知，在0.2 μs时，控制层已经出现汽化相变，在仿真模型中汽化后的结构仍具有均匀性和连续性，因此在汽化相变后相变区域进一步扩大，以至于超出执行层桥区区域.综上所述，文中设计的微型引信固态保险执行层结构尺寸:狗骨梁最窄处宽度为20μm,厚度为0.5 μm,长度为30 μm,弧度半径为5 μm.

图6 裸芯片驱动过程控制层平面相变云图

2 引信固态保险加工设计

文中基于对固态保险的理论计算与仿真优化，结合体硅加工工艺标准, 结构加工工艺流程设计如图7所示.

图7 微型引信固态保险加工流程

具体的加工工艺为

① 备片，8寸n型硅片，并完成硅片清洗(V浓硫酸∶V双氧水=3∶1)；

② 溅射金属铝，磁控溅射，溅射速率100 nm/min，厚度2 μm；

③～④ 匀胶光刻，选用光刻胶AZ6130，前转500 r/min，后转3 000 r/min，厚度：2 μm，光刻后，显影45 s，完成结构图形化；

⑤ ICP刻蚀金属铝，刻蚀速率：150 nm/min；

⑥ 祛胶，丙酮水浴清洗(水浴温度75 ℃，水浴时间15 min)；

⑦ 通过PECVD生长SiO2，生长厚度200 nm，速率：25 nm/min；

⑧ 光刻，完成绝缘层结构图形化，HF酸缓冲液，腐蚀SiO2，腐蚀速率：80 nm/min；

⑨ 清洗，丙酮水浴清洗(水浴温度75 ℃，水浴时间15 min)；

⑩ 溅射金属镍，完成执行层材料选择，厚度100 nm；

3 测试与验证

本研究中的引信微型固态保险圆片级静态测试基于自主研发的圆片级测试系统，如图8所示.圆片级测试系统主要包括：高精度探针台、数字万用表、虚拟示波器、脉冲电压发生器、恒流源.文中设计的固态安全开关借助固态探针台实现控制层驱动电压输入与执行层驱动能量输入.借助扫描电子显微镜对固态开关控制层与执行层结构形貌拍摄，如图9所示.

图8 圆片级测试系统

图9 固态开关结构形貌示意图

文中为验证固态保险的作用可靠性，共挑选5支固态保险芯片.首先需要开展待测试固态开关的电气性能，主要包括：控制层的通断及执行层的电阻.待测固态开关的性能如表2所示.

表2 芯片筛选

由表2得到：常态下，固态保险的控制层均为断路，执行层电阻范围在1.212～1.451 Ω之间.其波动误差保持在：

(6)

式中:γ为测试误差；R为固态保险执行层电阻；R均为固态保险执行层的平均电阻；n为测试固态保险数量.通过计算得到误差为9.2%，由于误差小于10%，满足设计要求.对控制层施加驱动电压，驱动电压初始值为30 V，对执行层施加驱动能量为(10 V，10 μF)，通过以上测试系统测试得到表3驱动电压、控制层与执行层作用通断情况.测试得到5个芯片测试结果如表3所示.其执行层驱动能量为10 V,10 μF.

表3 测试结果

经过以上试验，可以得出本文中设计的低电压驱动引信固态保险的控制层驱动电压与理论建模分析得到的驱动电压相比：

(7)

式中:Δ为驱动电压实际误差;Vi为实际控制层的驱动电压;Vt为理论计算驱动电压;n为测试次数.通过计算得到控制层驱动电压误差为：10.28%，驱动电压平均值为33.1 V，执行层驱动能量为10 V,10 μF，满足微型引信系统的能量供应范围.

4 结束语

文中基于MEMS体硅加工技术，结合弱环境力弹道条件与固态保险无法低压驱动的技术瓶颈，设计了基于Corona电晕放电效应的固态保险，与此同时，根据微型机电引信中，驱动电压低的现状，提出基于低压驱动的固态保险控制机制.该保险包含两道独立的保险机构，首先，通过Corona效应完成控制层作用，将电雷管连接至起爆回路中；其次，通过储能电容放电实现执行层结构熔断，将起爆电容拉回起爆回路.从而完成两道保险设计.通过搭建的实验室级晶圆测试系统完成固态保险性能测试，得到控制层驱动电压实际测试与理论误差为10.28%，控制层平均驱动电压为33.1 V，执行层驱动能量为10 V,10 μF.满足应用于微型机电引信的低电压驱动及不依靠环境实现保险解除的需求.