MEMS安全与解除隔离装置发展现状及趋势

席占稳，聂伟荣，曹 云

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

1995年，美国国防部对MEMS技术评估时指出，MEMS技术是未来提升武器性能最有发展前途的技术之一，MEMS在引信安全系统中的应用作为12项国防应用之首[1-2]。近些年，美国引信年会上报告的MEMS安全与解除隔离(S&A)装置研究成果逐年增加。1998年，Charles[3]利用LIGA加工工艺制作理想单兵武器(OICW)20 mm高爆榴弹MEMS S&A装置。

2007年，Indian Head研究所[4]采用硅基DRIE工艺、原位生成多孔叠氮化铜的方法，首次将引信的安全、解除保险与起爆功能在同一芯片上集成，形成尺寸更小的新型的MEMS安全系统芯片。

2008年，法国LAAS[5]研制了单一芯片固态安全与保险逻辑，并集成了火工品与致动器，形成了固态S&A装置。

当前，国内外对MEMS S&A装置给与了高度关注。MEMS S&A装置在材料的选取上，主要有硅和金属两大类；从加工方法上一般可分为硅微机械加工技术和非硅微机械加工技术；按照MEMS S&A装置的基板与弹轴的相对位置，可将MEMS S&A装置的结构形式分为平行基板式和垂直基板式[6-7]。MEMS S&A装置从隔离状态转化到解除隔离状态，需要将保险装置和/或隔爆装置(滑块)在一定条件下驱动一定位移，可以利用的驱动力有惯性力、电磁力、静电力、记忆合金、气体等[8]。本文按照驱动方式将MEMS S&A装置分为惯性力驱动、电热驱动、火药能量驱动等类型，并就其典型装置的发展历程、技术演变、技术特征进行分析综述，提出MEMS S&A装置的发展趋势。

1 惯性力驱动

1.1 典型装置

1998年，美国陆军武器研发中心(ARDEC)Charles等人的发明专利中提出了一种采用环境力解除保险的MEMS引信S&A装置[3]，如图1(a)所示。2001年，明确提出了Z形齿的惯性驱动、惯性阻尼延时机构的设计思想，即设计一片“微惯性机械保险逻辑”的无源芯片[9]，其结构如图1(b)所示。为应用于20 mm高爆榴弹，满足低成本、小体积的要求，Charles等人于2005年采用镍基材料，2012年又改为铜基材料的UV-LIGA工艺制作了引信MEMS S&A装置[10]，如图2所示。

图1 典型惯性驱动MEMS安全与解除隔离装置Fig.1 MEMS S&A device driven by inertial force

图2 20 mm榴弹MEMS安全与解除隔离装置Fig.2 MEMS S&A device of 20 mm grenade

针对子母弹的子弹安全与保险，Charles分别在2003年、2008年提出专利，利用后坐力、前冲力、离心力、指令解除保险[11-12]，其结构如图3所示。

图3 子弹MEMS安全与解除隔离装置Fig.3 MEMS S&A device of bullet

2015年引信年会上Robert Renz介绍了采用EFAB(Electrochemical Fabrication)加工技术制作的以边缘擒纵机构为核心的MEMS S&A装置[13]，该MEMS S&A装置的结构如图4所示。

图4 惯性驱动的MEMS安全保险机构Fig.4 Inertial-driven MEMS S&A mechanism

该结构由后坐锁、后坐滑块、减速齿轮和旋转滑块组成，采用无返回力矩擒纵机构延期解除保险。发射过程后坐环境力的作用下，后坐弹片解除第一道保险，此后，在离心力的作用下卡槽中的弹性卡片从齿轮中弹出，解除第二道保险，然后通过减速齿轮的扭矩放大，启动旋转滑块，最后旋转至齿轮与安保机构边缘卡住锁死，此时安保机构成功解除保险，叠氮化铅装药与传爆序列对正，安保机构处于解除保险状态。

Ji-hun Jeong采用湿法刻蚀方法制作了金属结构[14]，如图5所示，并在2018年提出了惯性延迟MEMS S&A装置，采用无返回力矩钟表机构实现远距离解除保险，如图6所示。

图5 不锈钢湿蚀刻工艺的结果Fig.5 Stainless steel wet etching process results

图6 惯性延迟MEMS安全与解除隔离装置Fig.6 MEMS S&A device with inertial delay

2011年美国引信年会上，法国NEXTER公司展示了一种MEMS S&A装置[15]，如图7所示。采用硅基DRIE工艺，尺寸为5 mm×3.5 mm×0.6 mm，配用于法国轮式VBCI步兵战车的25M811型火炮的MR251改进型引信中，在原引信只有一个惯性后坐保险的基础上增加了一个MEMS离心保险，满足了引信双环境保险的安全标准。

图7 MR251改进型引信结构示意Fig.7 Sschematic diagram of MR251 modified fuze

2017年，韩国Jin Oh Seok等人设计制作了碳化钨球驱动的MEMS S&A装置[16]，如图8所示。带有导槽的框架采用UV-LIGA工艺制作。

图8 球驱动MEMS S&A装置Fig.8 Schematic diagram of ball driven MEMS S&A devices

2005—2007年，西安机电信息技术研究所开展了MEMS技术的微小型可编程引信研究[17-19]，研制出了适用于小口径榴弹的MEMS安全系统。该MEMS安全系统芯片尺寸为14 mm×6.5 mm×1.2 mm。在安全性指标、隔爆能力、炮口安全距离和解除保险距离等方面满足引信总体技术指标，如图9所示。

图9 可编程引信MEMS S&A装置Fig.9 MEMS S&A device for micro programmable fuze

2008年，北京理工大学研制的引信MEMS无返回力矩钟表远解机构[20-21]，解决了引信实现微小型化延时保险的关键技术，如图10所示。

图10 无返回力矩机构Fig.10 No return torque mechanism

2017年，北京理工大学设计了平行基板式MEMS S&A装置[22-23]，如图11所示。发射时，在后坐力作用下，后坐保险机构解除保险，离心保险(亦作为自毁机构) 在炮口附近解除保险，当弹丸飞过一定距离后拔销器作用解除保险，滑块在离心力作用下运动到位，解除隔离，引信处于待发状态。

图11 平行基板式Fig.11 Parallel baseplate mechanism

2018年，南京理工大学设计了基于LIGA工艺的MEMS S&A装置[24-25]，如图12所示，整体尺寸为20 mm×20 mm×0.8 mm，利用后坐、离心及电推销解除保险。

图12 MEMS S&A装置Fig.12 MEMS S&A device

1.2 技术特征

1.2.1惯性驱动利用的环境力

惯性驱动MEMS S&A装置通过一个后坐滑块(或悬臂梁)感受后坐发射环境解除一道保险，再有一个命令锁(或无返回力矩钟表机构)起到远解延期的目的，在离心力的作用下离心滑块运动到位，引信解除隔离进入待发状态。这类MEMS S&A装置直接使用环境力作为解除保险的驱动力，有较强的抗干扰性和可靠性，自主敏感发射环境，无需电源供电，体现了“无源芯片”的设计思想。但也正因为如此，发射过程及弹道环境的许多信息较难或不能被机械机构所敏感和利用，限制了机械解除保险方式的应用。

远解功能的实现是依靠钟表机构或引信电路的指令解除保险。采用指令锁解除保险将环境信息探测与解除保险分开，容易利用弹道各类信息，是MEMS S&A装置中常用的解除保险方式。

MEMS技术可以充分利用子母弹药发射、飞行、抛撒过程的环境力实现解除保险。这类MEMS S&A装置主要应用于具有较强后坐环境和旋转环境的弹药中。

1.2.2后坐保险机构的演变

Charles等人发明设计的MEMS S&A装置采用了平行于弹轴安装，也即垂直基板式，采用平面带Z形齿的后坐滑块，其一方面作为敏感元件感受后坐力，另一方面在后坐加速度作用下运动到位，又作为解除保险的执行元件。由于滑块上和框架上的Z形齿相互啮合起到了后坐延时的作用。只有在后坐过载达到一定的强度和持续时间才能使后坐滑块运动到位，平时勤务处理时的扰动结束后，后坐滑块将在弹簧的拉力作用下复位到原始位置，这种设计区分了发射过程与勤务处理，保证了勤务处理时的安全。

平面Z形齿后坐滑块的原理来源于传统后坐惯性桶。平面化是LIGA加工工艺的要求，一般采用金属材料，结构强度高、抗冲击能力强。基于MEMS加工技术的特点，基板和零件的厚度比较小(单层基板的厚度小于1 mm)，而其平面尺寸可以相对较大，为此，后坐滑块的运动必须与弹轴平行。

近期国内外研究者，如Robert Renz、Jin Oh Seok等设计的惯性力驱动MEMS S&A装置，采用垂直于弹轴安装，也即平行基板式。这类结构形式的S&A装置由于平行于弹轴方向的结构尺寸更小，允许的机构位移小，一般后坐保险机构设计为悬臂梁式，仅能起到惯性保险，而不能实现对勤务与发射环境的识别。

随着MEMS引信智能化的发展，将有更充分的环境信息可利用，不必要求后坐保险机构既要利用惯性力驱动，又要利用惯性力的特征识别勤务与发射环境。

1.2.3惯性力驱动MEMS S&A装置加工工艺

Charles等人采用DRIE硅工艺制作了带Z形齿的滑块、弹簧、锁钩等第一代MEMS S&A装置部件，如图13所示。经过发射试验发现，硅基框架产生碎裂，强度不够；改进为金属框架和基底的分离加工后，经过40 mm榴弹25 000g发射过载的实验验证，可以满足发射过程的强度要求。

图13 DRIE硅工艺制造带Z形齿的滑块、弹簧Fig.13 The sliders and springs with Z-shaped teeth are manufactured by DRIE silicon process

Jin Oh Seok等人采用UV-LIGA工艺制作加工的MEMS安全装置安装在40 mm的榴弹里进行了实弹射击验证，发射最大过载为60 000g、最大转速12 500 r/min，发射后回收解剖发现所有试验样机都成功解除保险且滑块被锁定在解除保险的位置，MEMS S&A装置具有足够的抗过载能力。

惯性力驱动MEMS S&A装置承受膛内过载较大，一般选用金属材料，小而精密的零件采用UV-LIGA工艺，结构框架采用精密机械加工，最后微装配在一起。

由于硅材料本身较脆，当其尺寸较大时,在引信高冲击、高过载力的作用下，容易发生断裂、破损等现象，一般不用硅材料制作有较大位移的MEMS惯性后坐机构。

1.2.4起爆装置(微雷管)输出能量隔断

国内外文献报道惯性驱动MEMS安保装置主要集中在起爆装置(微雷管)输出能量隔断[26]，如图14所示。

图14 能量输出端隔断原理图Fig.14 Schematic diagram of the partition structure at the energy output end

OICW 20 mm和25 mm理想班组武器系统(OCSW)中的高爆弹定距空炸引信中采用了低能金属膜桥起爆的起爆序列。该起爆序列的发展经历了从“直向式”传爆到“转向式”传爆的转变[22]，如图15所示。文献显示： 2001年和2002 年报道的该起爆序列变化较小；2003年以后，该起爆序列改变为转向式传爆，通过可移动传爆药将电雷管的爆轰沿横向传爆后转向受主装药。

图15 低能金属膜桥起爆序列Fig.15 Low energy metal film bridge initiation train

OICW 20 mm高爆榴弹MEMS S&A装置选择金属材料，采用UV-LIGA工艺、常规“压药”工艺的传爆药装药，其爆炸序列只是传统火工元件的缩小。为达到隔爆要求，需要一定厚度的隔离滑块隔离雷管的能量输出，较厚的隔离滑块增加了工艺难度，为弥补减薄MEMS隔离滑块厚度带来的隔爆安全性问题，由“直向式”起爆序列到“转向式”传爆，拉大了雷管与受主装药的隔离距离，体现了高安全性的设计理念。

2 电热驱动

2.1 典型装置

2002年5月，美国Indian Head研究所对应用于6.75 in鱼雷(CCAT)引信中的MEMS S&A装置成功进行海上实弹射击试验[27-29]，MEMS S&A装置的体积小于1 in3。

该MEMS S&A装置包括滑块、环境传感器、光检测装置、水压调节器等，如图16所示。水压调节器作为滑块的一道保险，它感受水压的大小来解除保险；加速度开关感受鱼雷发射过程中的加速度大小，到预定值时解除滑块的一道保险；流动传感器作动器是一种特殊的压力传感器，用来感受水流的大小解除保险；在所有的保险锁都打开的前提下，引信向作动器发出指令驱动滑块到解除保险位置。驱动滑块移动的作动器由前期的电磁力驱动器改进为电热驱动器。

图16 应用于鱼雷的MEMS安全保险装置Fig.16 MEMS S&A device for torpedoes

2006年美国桑迪亚国家实验室Koehler等人发明了一种分层结构的MEMS S&A装置[30]，后坐保险采用悬臂梁结构，弹簧采用片状结构设计降低了制造难度，如图17所示。采用单片式设计，硅基DRIE工艺，所有部件都在一层中动作，打破了传统的设计思想。

图17 分层式MEMS安全保险装置Fig.17 Layered MEMS S&A device figure

2011年，David A. Olson等人提出了一种利用电热驱动的MEMS S&A装置[31]，采用错位式设计，半导体桥起爆器放置在滑块上，滑块平时被锁定。

2011年，Lawrence Fan等人发明了一种利用后坐力、离心力、电热驱动解除保险的MEMS S&A装置[32]。采用两组质量弹簧系统分别组成后坐保险和离心保险，二者的作用仅仅是直接或间接地锁止了滑块的运动；滑块的运动是由电热驱动器驱动，微结构装药(微雷管)放置在滑块末端，并能控制与微结构换能元之间的距离，如图18所示。保持臂和驱动臂的端部带有一个或多个齿，这些齿可与滑块上的齿啮合，类似齿条机构，可驱动滑块单向运动。

图18 MEMS S&A装置Fig.18 MEMS S&A device

2011年，S.A.Ostrow等人提出了采用电热驱动器组合集成的MEMS S&A装置[33]，如图19所示。由安全状态进入待发状态，隔爆滑块必须移动785 μm，此长度远远超过常规MEMS电热驱动器的最大位移，采用棘轮-棘爪机构，棘爪驱动棘轮，棘轮驱动隔爆滑块直线运动，实现了将电热驱动器的较小位移放大为隔爆滑块的较大位移，如图20所示。

图19 电热驱动MEMS S&A装置Fig.19 Electrothermal driven MEMS S&A device

图20 棘轮-棘爪机构Fig.20 A ratchet-pawl mechanism

2012年第56届美国引信年会 “High-gMEMS Fuze”[34]的主题报告中，Indian Head研究所为陆军40 mm榴弹开发了硅基MEMS S&A装置，如图21所示。该装置在一块基片上同时制作了多种环境力保险机构、硅桥微换能元与微结构装药。安全状态时，硅桥微换能元与微结构装药分层错开隔离。在后坐力作用下，后坐机构解除保险，并卡死在后坐卡槽内；同时，离心滑块受V形面内电热驱动器的约束，限制在原始位置，当弹丸达到远解距离时，电热驱动器接收到指令解除保险，释放离心滑块；在离心环境力作用下，底部装有微结构装药(微雷管)的滑块向外侧运动，当底部的微雷管与微换能元对正时锁定在该位置，引信进入待发状态。该装置顶部尺寸为12 mm×12 mm×0.1 mm，底部尺寸为12 mm×12 mm×0.5 mm。

图21 硅基S&A装置Fig.21 Silicon-based S&A device

2015年第58届引信年会上公开了改进的美军40 mm榴弹MEMS S&A装置[35]，与2012年第56届引信年会的不同之处是增加了解除保险马达(微电机)控制离心滑块运动，其原理如图22。工作频率为25 Hz的马达与滑块配合工作，类似于棘爪-棘轮机构，可控制滑块在1 s内运动2 mm到达解除保险位置，微雷管与微换能元对正。

图22 硅基马达驱动滑块S&A装置Fig.22 Slider driven by silicon-based motor in S&A device

2016年，西安交通大学Hu Tengjiang等人提出了一种电热驱动的直线马达[36]，在17 V电压驱动下，马达每步驱动100 μm，可达到1 mm的位移，如图23所示。

图23 电热驱动直线马达结构示意图Fig.23 Schematic diagram of electro-thermal linear motor

为了拉动微弹簧产生足够大的位移，利用电热驱动带微杠杆的棘爪执行器，微杠杆可以放大输入位移同时减小输出力。两组电热驱动机构相互垂直，以实现两个方向驱动，水平电热驱动机构输出足够的拉力，拉动与微弹簧相连的滑块运动；垂直电热驱动机构可实现棘爪与滑块的分离与啮合。棘爪和滑块上的齿将相互锁定并防止滑块返回移动。

在此基础上，西安交通大学Tengjiang Hu等人不断地对电热驱动直线马达进行改进[37-38]，研制了双向驱动的直线马达，隔爆滑块可以双向移动，实现保险状态与解除保险的逆转换功能，如图24所示。为了增强滑块的隔爆能力，采用金属-硅结构复合的滑块，300 μm厚度的金属镍层电铸在硅滑块上，如图25所示。采用压力传感器的方法进行隔爆与起爆性能测试，在保险状态，飞片雷管的碎片不足以引爆下一级传爆药；在解除保险状态，飞片雷管的碎片足以起爆大多数种类的传爆药。

图24 双向运动的直线马达机构Fig.24 A linear motor mechanism with two-way motion

图25 金属与硅组合隔爆滑块安全与保险装置Fig.25 S&A device for metal and silicon combined flameproof slider

2.2 技术特征

1) 可供利用环境信息更丰富

硅基电热驱动MEMS S&A装置中，电热驱动将作为完成解除保险动作的一种常用方式，电热驱动器作为执行元件，采用电热驱动力，而不是来自环境力，这样就解决了引信各种独立的微弱环境信息可以利用却不能完成解除保险动作的问题。同时，对解除保险时间可以根据系统的要求灵活设定，从而大大提高引信的安全性及可靠性。

电热驱动MEMS安全系统可利用MEMS传感器实现对引信使用环境中的加速度，引信头部的温度、压力和噪声，弹的自转信息等进行测量，环境传感器代替了机械环境敏感装置，同时解除保险的驱动一般也采用电能作动器。MEMS安全系统通过对环境信息的识别判断后再传输给S&A装置的执行机构。利用解除保险马达控制隔爆滑块运动，尤其是对于非旋转弹药，既解决了解除保险的动力，也可实现远距离解除保险。

2) 电热驱动的位移放大

电热驱动是利用材料受热后自身的弹性形变来实现微位移和力的输出，是现阶段MEMS可行的主要驱动方式。电热驱动器具有体积小、抗电磁干扰、驱动电压低、IC工艺兼容、可重复执行、精度高、可靠性好的特点，与静电驱动、压电驱动、电磁驱动相比，电热驱动更适宜于MEMS S&A装置中驱动隔爆滑块解除保险，锁定滑块位置。

U型和V型以及它们的组合是MEMS电热驱动器常用的结构形式，采用各种结构的配置组合来增大位移是结构设计追求的目标，以达到MEMS安解装置解除隔离要求的输出位移和输出力。研究者采用如图18齿条结构，如图20的棘轮-棘爪机构，如图23的杠杆原理实现了将MEMS电热驱动器微米级的较小位移放大为毫米级的隔爆滑块需求的较大位移，使得MEMS电热驱动成为MEMS S&A装置解除隔离的一种方式。

3) 微含能芯片初始起爆隔断

MEMS火工品在满足爆轰可靠传递的前提下降低了起爆系统中的装药尺寸，与之匹配的隔爆方式随之改变，隔离装置的尺寸可以更小。微含能芯片初始起爆隔断就是将微含能芯片与微结构药剂隔离。

20 世纪90年代，基于MEMS技术的设计思想，采用MEMS工艺制作的微结构换能元(Micro-initiator)、微含能芯片(Micro-energetics-on-a-chip)得到了快速发展[41]。一种典型的装填有叠氮化铜微含能芯片的制备以硅片为基底，采用MEMS工艺在其上制作Ni/Cr合金材料的微结构换能元，然后在微结构换能元上制作金属铜薄膜，经光刻-腐蚀及原位叠氮化反应后，金属铜薄膜生成叠氮化铜薄膜药剂，形成微含能芯片(国内也称作含能半导体桥芯片)。该设计中微纳结构换能元和微薄膜药剂(叠氮化铜薄膜)被设计在同一个平面上。微结构换能元通电后，产生热量引发叠氮化铜薄膜发生爆炸反应。

2010年美国引信年会报道了半导体桥换能元作为微结构换能元，引发采用原位装药形成的混合药剂(AgN3)驱动钛飞片，钛飞片撞击直写墨水药剂EDF-11 传爆药线，形成爆轰输出，引爆 PBXN5 传爆药，完成整个序列的能量传递与放大过程[39]，如图26所示。

图26 NSWC研制的MEMS起爆序列Fig.26 MEMS explosive train developed by NSWC

微含能芯片初始起爆隔断比起爆装置(微雷管)输出能量隔断的能量变小，隔离滑块的厚度可以变薄，运动行程减小，硅基材料可以隔断微含能芯片的能量，采用硅基隔离滑块成为可行的技术选择，如图27所示。采用硅基材料，可以将微火工品集成在硅基结构上，这样MEMS S&A装置的体积更小，隔离装置与微火工品相互匹配，满足引信的使用环境。

图27 初始起爆隔断式原理图Fig.27 Initial ignition and initiation partition schematic diagram

4) 原位装药技术催生了硅基MEMS S&A装置的发展[42-43]

与传统S&A装置相比，MEMS S&A装置具有结构微型化和序列集成化等特点，传爆序列是MEMS引信S&A装置中不可或缺的组成部件，MEMS引信S&A装置对传爆序列所用药剂及装药工艺提出了新的要求，即需要在微尺寸(毫米级甚至亚毫米级)下装填并稳定做功。

2004年，美国NSWC的研究人员采用气固叠氮化反应，将MEMS S&A装置上的多孔铜转化成多孔叠氮化铜起爆药，这一过程称为“原位装药”[39-40]。纳米多孔铜“原位”转换为叠氮化铜的技术，避免了装药和压药潜在的危险，所制备的微装药结构体积小，且原位装药工艺与MEMS工艺兼容。

2007年，美国的Brain Fuchs团队成功研制出EDF-11型炸药油墨[44]，利用喷墨打印技术，在MEMS机构上成功进行了图形化，得到了任意形状的传爆药线。

2015年第58届引信年会上公开的美军40 mm榴弹MEMS S&A装置，采用硅基的DRIE工艺加工而成，在一块基片上同时形成多种环境力保险机构，滑块上原位生成微结构装药(微雷管)，可以实现引信安全与起爆控制的全部核心功能，无需装配，大规模制造可以大大降低成本[35,42]。

3 火药能量驱动

3.1 典型装置

烟火微机电系统(pyrotechnical micro-electro mechanical system，PyroMEMS) 是一种基于MEMS技术，装载固体含能材料作为功能燃料的微型火工烟火装置。烟火药剂(火药)由于具有能量密度高，单位体积提供的动力更强等特点，以火药燃烧分解产生的气体作为动力的S&A装置可以实现较大的驱动位移[43]。

OICW 20 mm空爆弹MEMS S&A装置远解功能是依靠引信电路的指令解除保险，解除保险的驱动能量采用火药气体能量，由2002年电-火药的拔销器方案，到2005年的电-火药-活塞推动摇杆结构，2012年改进为电-火药-气体驱动方案，将电路与火工元件集成在一起，大大提高了集成度，使用电-火药的远解方案，可以充分利用弹道信息[15]。

2005年LAAS-CNRS实验室的Pierre Pennarun, Carole Rossi等首次提出MEMS电子安全解除保险和MEMS机械解除保险两个层次的安全解除保险系统[45-46]，如图28所示。

图28 三层MEMS SAF装置Fig.28 Three layer MEMS SAF device

MEMS SAF(safe arm and fire device)以安全模式存储，滑块被锁定，并且起爆器连接到电气接地，在加速度作用下惯性销向下运动解除对滑块的约束，然后微控制器向微点火器发送指令，电路向加热电阻通电，当加热温度达到225 ℃，火药被点燃产生气体压力达到6×105Pa时，火药气体驱动滑块到传爆通道对正的位置，解除隔离处于待发状态，如图29所示。滑块为陶瓷材料，铝框架分为盖子和底座，外部尺寸为8.4 mm×7.4 mm。

图29 火药驱动机械保险机构Fig.29 Pyrotechnic drive machinery arming mechanism

然后，SAF开始电解除保险，即通过常开/常闭MEMS开关通、断状态间的转换实现微起爆器与电源的连接。此后，微控制器向微起爆器发送一个指令起爆位于其空腔中的起爆药。如果顺序出现故障，可以断开MEMS开关的电气连接，最终断开微起爆器与其电源的连接，SAF处于绝火功能。

南京理工大学朱朋等设计了平面起爆的Pyro-MEMS隔离装置[47-49]，如图30所示。

图30 硅基隔离装置Fig.30 Silicon-based interrupter

该装置采用硅基双固体梁，它的主要特点包括大位移、集成批量生产，无需环境力驱动。通过传爆序列的错位设计，保证了在意外起爆(点火)情况下，爆轰被中断而不能向下一级传递。当接收到解除保险指令，隔离装置层上的推进剂被点燃后产生气体，气体压力作用在双硅固体梁上超过其内应力时，就会发生脆性断裂，隔爆滑块与基板分离，并且气体继续推动隔爆滑块到解除隔离位置。弹性梁有两个功能：一是引导隔爆滑块的运动方向，二是锁定隔爆滑块实现传爆通道精确对准。

北京理工大学Bao Bingliang等人提出了一种应用于解除机械隔离的火药驱动器[50]，如图31所示。

图31 金属材料的火工驱动器Fig.31 Metal material fire actuators

滑块槽中设计的台阶结构一方面保证了勤务和发射过程中滑块被台阶阻挡(止推)不能运动到解除隔离的位置；另一方面在气体的压力作用下滑块上翅片被台阶挤压变形后，滑块被推动运动到解除隔离的位置，并依靠滑块上变形的翅片与基板紧密接触实现了对滑块的锁定(止退)功能。针对这种结构的微火药驱动器，对台阶高度、翅片长、宽尺寸与止推力、止退力关系进行了仿真与实验，通过临界装药量的实验验证了台阶止推、止退结构设计的科学和合理性。

陕西应用物理化学研究所解瑞珍等研制的微小型起爆序列在安全模式下，隔断单元隔开了微雷管和传爆药装药[51]，如图32所示。

图32 微小型起爆序列Fig.32 Micro explosive train

当控制电路识别到解除保险信号后，解除保险即点燃微火药驱动器，驱动隔断滑块移动至设计位置，使得微雷管、隔断滑块上的装药、传爆药装药对正，形成爆轰通道；控制电路得到起爆信号后，起爆微雷管，完成起爆功能。由于微雷管装药尺寸小，装药量少，采用了微雷管驱动飞片经加速膛起爆隔断单元上装药的设计，保证在小尺寸装药条件下爆轰的可靠传递。

3.2 技术特征

1) 引信火药能量驱动器分类

火药能量驱动器为引信S&A装置提供驱动力，可归类为：①火药气体推动隔爆滑块移动实现传爆通道的对正；②火药气体推动拔销解除对隔爆滑块的约束；③活塞式微驱动器气体驱动活塞运动推动摇杆转动解除对隔爆滑块的约束；④活塞式微驱动器气体驱动活塞运动剪断悬臂梁或推动悬臂梁变形实现对隔爆滑块解锁[22]。

2) 火药能量驱动位移大、适用广

以火药燃烧产生的气体作为动力源，具有能量密度高，单位体积提供的动力更强等特点，相比于电磁式、电热式、记忆合金式等驱动方式，可以实现S&A装置隔爆滑块的较大位移，但体积较大，MEMS工艺的兼容性不如电热驱动。

针对引信传统保险机构依靠发射环境解除保险带来的适用性受限问题，通过结构匹配设计，火药驱动隔爆滑块可设计为引信通用的隔离装置，易于利用弹道环境信息，依据指令解除保险，提高MEMS S&A装置的通用性。

3) 电子解除保险易于实现引信“三自”功能

随着微火工品与MEMS结构融合发展， MEMS电子解除保险和MEMS机械解除保险的组合可为引信提供冗余保险。MEMS电子解除保险利用电阻和MEMS开关的集成实现电子解除保险和恢复保险功能，LAAS-CNRS提出的常开/常闭MEMS开关体积小、无可动结构、作用方式简单可靠，采用功率-能量复合控制，当控制信号的功率达到一定要求时MEMS开关才进行通、断状态间的转换。电热MEMS常开/常闭开关的组合布局可以实现电子点火、电子绝火、电子解除保险、电子恢复保险功能，容易满足引信自毁、自失能和自失效的“三自”功能。

4 发展趋势

通过对国内外文献与专利的分析，可以对MEMS S&A装置的发展趋势归纳为以下几个方面。

4.1 硅基平行基板式将成为发展方向

国外MEMS S&A装置采用金属基工艺路线与硅基工艺路线。

Chares等人经过不断改进，于2012年成功制作了采用UV-LIGA工艺，金属铜为材料，20 mm高爆榴弹的可编程引信MEMS安全系统，此后采用LIGA工艺制作的金属基MEMS安全系统报道的文献较少。

Chares等人提出的微惯性机械保险逻辑的无源芯片，通过滑块上齿与框架上齿的碰撞阻挡滑块的运动，达到区分发射环境与勤务环境的目的，齿与齿的碰撞中结构承受巨大的应力，只有选用金属材料才能满足强度要求；同时，传爆序列只是传统火工元件的缩小，隔爆滑块需要一定的隔爆能力，这也是Chares等人采用金属基制作MEMS S&A装置的主要考虑。

金属基制作MEMS S&A装置，其材料主要是镍和铜，抗过载性能好，采用LIGA或者UV-LIGA工艺，可制造较大深宽比的结构，但不能一体化加工，还需要微装配，其代表性结构是OICW的MEMS S&A装置。

微纳米铜与化学气体反应原位生成含能材料的方法制作圆柱形微雷管，采用隔离MEMS换能元件与微尺寸起爆药(微雷管)的方法，其优势在于无含能材料废物，具有较好的安全性，低起爆能量，集成化程度高，允许完全的引信微型化，采用硅材料，DRIE工艺制作，适于大规模生产。

硅基工艺与传统的微电子工艺有较好的兼容性，采用原位装药技术，可与微传爆序列一体加工，体积更小，但硅材料的抗冲击性能较差，其代表性结构是Indian Head为40 mm榴弹开发了硅基MEMS S&A装置[4,34-35]。

利用硅工艺，国内外研制了诸如加速度、压力、温度、地磁、声、微型陀螺、微型惯性测量组合等硅基MEMS传感器，可实现引信对环境和目标的探测、识别、分类的精细化, 以及对安全状态转换、炸点控制和起爆控制的精确化。

随着引信MEMS安全系统设计思想的发展，原位装药、喷墨打印装药、飞片起爆技术的应用，加速了硅基MEMS S&A装置的发展，分层平行基板式硅基MEMS S&A装置将成为发展方向[40]。

4.2 微火工品集成于MEMS S&A装置

传统的引信S&A装置与火工品通常是作为一个独立部件分开设计制造后组装在一起，其体积质量较大不能满足未来武器弹药的发展需求。

原位装药技术实现了MEMS S&A装置与装药的集成化制造。微结构换能元、微含能芯片与MEMS S&A装置一体化的设计理念是充分利用MEMS机构作为微型起爆序列的结构件，使得在结构形式上微型起爆序列与微安保机构不可分割，降低引信体积重量，提升引信智能化及高可靠性安全性。如图22所示的MEMS安解装置，微火工品集成在MEMS安解装置中一体化加工，相互匹配，满足引信的使用环境。

随着硅基MEMS安全系统的发展，MEMS S&A装置与MEMS起爆装置高度集成，界限更加模糊并互相渗透、不可分割。

4.3 模块化的MEMS引信

引信模块化设计的概念出现在20世纪90年代，对引信系统按其功能分为安全控制、发火控制、爆炸序列、能源系统等模块，各模块按照引信总体设计要求和各模块的技术特点进行设计，采用包括机械加工等方法制作出结构独立的模块，各功能模块通过接口、导线连接组合成引信系统[52-53]。2004年引信年会上，美国海军水面武器中心John Hendershot的报告中提出“模块化的MEMS引信”(Modular MEMS Fuze)的概念[54]。MEMS引信模块是以各类传感器探测环境信息，运算集成电路智能化控制，从MEMS加工、IC加工工艺出发，将控制电路、MEMS S&A装置、含能材料根据工艺兼容原则，集成设计与制作在一片或多片芯片上，引信系统高度集成，形成片上引信，体积更小、重量更轻，适宜于大批量生产，降低生产成本和提高可靠性。采用通用的MEMS引信芯片，通过改变装定参数和相关处理软件，性能易于变化和组合，可大大提高引信的通用性。

5 结束语

本文分析总结了惯性力驱动、电热驱动、火药能量驱动三种类型MEMS S&A装置的典型结构、技术特征。从早期的金属基工艺制作部件到硅基工艺的一体化制作，MEMS S&A装置得到了快速的发展。原位装药、喷墨打印装药、飞片起爆技术的发展应用，MEMS S&A装置将向硅基工艺制作平行基板式结构，与微火工品集成设计制造，与微电子系统集成出片上引信的方向发展。MEMS S&A装置的不断发展为引信微型化、智能化提供了适宜的技术支撑。