賈 樂, 高 楊, 王宇航, 4

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010； 2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621999； 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，重慶 400044； 4.核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室 (中國科學(xué)院高能物理研究所)，北京 100049)

固態(tài)熱機械密碼鑒別器的安全性增強方法

賈 樂1, 高 楊2,3, 王宇航1, 4

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010； 2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621999； 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，重慶 400044； 4.核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室 (中國科學(xué)院高能物理研究所)，北京 100049)

針對固態(tài)熱機械密碼鑒別器 (Solid State Thermal Mechanical Discriminator，SSTMD)在異常環(huán)境下安全性失效的問題，提出了其安全性增強的方法。該方法通過分析SSTMD中陷阱熱機械開關(guān) (Thermo-Mechanical Switch，TMS)的工作原理，從實現(xiàn)其固有熱弱鏈功能的角度，對SSTMD提出兩條設(shè)計準(zhǔn)則，加強了固有熱弱鏈的作用，從而降低SSTMD在異常高溫環(huán)境下的誤解鎖概率。通過分析SSTMD中路徑TMS的工作原理，從實現(xiàn)SSTMD沖擊弱鏈功能的角度，提出了在路徑TMS絕熱膜片背部刻蝕環(huán)形凹槽的方案，增強了SSTMD在異常沖擊/振動環(huán)境下的安全性。并對SSTMD的安全性進行了分析，分析結(jié)果表明，不增加新的元件即可集成熱弱鏈與沖擊弱鏈的SSTMD設(shè)計，顯著增強了其在異常環(huán)境下的安全性，更加適合對異常環(huán)境下的安全性也有嚴(yán)苛要求的要害系統(tǒng)應(yīng)用。

密碼鑒別器；TMS；安全性；弱鏈；引信系統(tǒng)；異常環(huán)境

0 引言

“要害事件 (High Consequence Event)”是指這樣一類事件：對系統(tǒng)的疏忽操作，可能導(dǎo)致生命、財產(chǎn)的災(zāi)難性損失或危害環(huán)境[1-2];這樣的系統(tǒng)，則被稱為“要害系統(tǒng) (High Consequence System)”[3]。原位焊接型單次試開密碼鑒別電路[4]是基于開關(guān)(TMS)[5]構(gòu)建的一種固態(tài)熱機械密碼鑒別器(SSTMD)，將TMS與具有熔斷特性的保險絲按照裝定密碼對應(yīng)的電路關(guān)系進行連接，構(gòu)成了原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖[6]，可用于要害系統(tǒng)及引信系統(tǒng)等安全應(yīng)用中。該密碼鎖結(jié)構(gòu)簡單、易于制作，但是未考慮在異常(高溫/沖擊)環(huán)境下密碼鎖的安全性，同時并未對系統(tǒng)安全性進行設(shè)計。異常高溫是一種典型異常環(huán)境，可以由多種異常事故引發(fā)[7]。在異常高溫下，SSTMD中的TMS會隨溫度變化而出現(xiàn)未知的切換狀態(tài)，可能使開關(guān)發(fā)生不想要的切換而意外解鎖，從而使固態(tài)密碼鎖安全性失效，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

為了確保引信系統(tǒng)在異常環(huán)境下的安全性，從而保證其在貯存、運輸、操作和調(diào)度過程中不發(fā)生誤爆等意外事件[8]，必須對系統(tǒng)進行安全設(shè)計。安全性設(shè)計常采用以模型為基礎(chǔ)的安全性估算法 (Model-Based Safety Assessment，MBSA)[9]計算安全失效概率，說明系統(tǒng)的安全性。文獻[10]對機械熱弱鏈進行設(shè)計，并計算系統(tǒng)的安全失效概率。弱鏈?zhǔn)谴_保引信系統(tǒng)受控作用的關(guān)鍵組成部分之一，在非正常環(huán)境下，它先于其他部、組件作用之前失效，并且它的失效是可預(yù)測、被動、不可逆的[11]。在弱鏈研究中，美國Sandia國家實驗室提出了兩種弱鏈：熱弱鏈和力弱鏈[12]，但是實現(xiàn)該弱鏈需要引入新材料，且對材料類型和工藝要求較高。提高系統(tǒng)安全性的同時也增加了系統(tǒng)的設(shè)置，會給系統(tǒng)可靠性與安全性帶來新問題。本文針對固態(tài)熱機械密碼鑒別器在異常環(huán)境下安全性失效的問題，提出了其安全性增強的方法。

1 安全性增強原理

圖1所示為TMS的工作原理示意圖[5]，其工作原理為：在硅基絕熱膜片上集成有電阻式微型電熱器，電熱器之上、兩條導(dǎo)線之間，制作一層釬劑，實現(xiàn)兩條導(dǎo)線間的電氣絕緣；釬劑之上、兩條導(dǎo)線之間，沉積制作一個微焊球。電熱器通過電流時，原位加熱釬劑和微焊球至焊接溫度，實現(xiàn)兩條隔離導(dǎo)線之間的釬焊導(dǎo)通。其中，TMS從OFF態(tài)到ON態(tài)具有單向切換的不可逆特性。

基于TMS構(gòu)建了SSTMD，即原位焊接型單次試開密碼鑒別電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中8個TMS(4級、每級2個)按照每級“二進制”的邏輯，4級級聯(lián)構(gòu)成“固態(tài)密碼鑒別器”，實現(xiàn)密碼的裝定與鑒別。將固態(tài)密碼鑒別器與具有熔斷特性的保險絲按照裝定密碼對應(yīng)的電路關(guān)系進行連接，構(gòu)成了一個4 bit的原位焊接型單次試開密碼鎖。由于TMS只能實現(xiàn)OFF態(tài)到ON態(tài)的單向、不可逆切換，并且固態(tài)密碼鑒別器具有與裝定密碼對應(yīng)的電路連接關(guān)系，將使電源和保險絲保持在短路狀態(tài)，進而熔斷保險絲，電起爆器無法獲得來自電源的電激勵信號而作動。只有當(dāng)Nbit密碼全部輸入正確時，固態(tài)密碼鑒別器才會使電源和電起爆器保持在串聯(lián)狀態(tài)，電起爆器獲得來自電源的電激勵信號而作動。即輸入密碼正確，電起爆器工作。

1.1 固有熱弱鏈效應(yīng)及其增強

在SSTMD中，解鎖路徑上的開關(guān)稱為路徑TMS，其他開關(guān)稱為陷阱TMS。如圖2所示，在4 bit SSTMD中，當(dāng)路徑TMS A1，B2，A3，B4這4個開關(guān)處于ON態(tài) (記為“1”)、其他4個陷阱TMS處于OFF態(tài) (記為“0”)，即虛線框中的4 bit SSTMD處于“01100110”狀態(tài)時，密碼正確，密碼鑒別器解鎖，電起爆器獲得電流而作動。

如圖2所示，4 bit SSTMD處于非“01100110”的任何其它15個狀態(tài)時，即開關(guān)B1，A2，B3，A4只要有一個處于ON態(tài)，都有電流流經(jīng)開關(guān)而將保險絲熔斷，將電起爆器與電源徹底斷開。由于TMS將不可逆地處于ON態(tài)，即使更換保險絲，電路仍將處于短路狀態(tài)而再次熔斷保險絲。因此，誤碼后電起爆器將始終與電源物理隔斷，確保其安全性。故SSTMD具有固有熱弱鏈，即圖中與保險絲相連接的陷阱TMS (如圖2中的TMS B1，A2，B3，A4)對于整個電路在異常高溫環(huán)境下可以起到熱弱鏈的作用。

在異常高溫環(huán)境下，當(dāng)任意一個陷阱TMS切換為ON態(tài)時，電路將處于短路狀態(tài)，SSTMD鎖定而失效。這樣就增強了SSTMD在使用和貯存時的安全性，降低SSTMD由異常高溫環(huán)境而引起的誤解鎖概率。作為熱弱鏈的陷阱TMS，使SSTMD具有內(nèi)在的安全性。根據(jù)TMS的工作原理可知，TMS從OFF態(tài)切換到ON態(tài)的概率與溫度有關(guān)，故若使陷阱TMS先于路徑TMS接觸到熱點而受熱，先切換到ON態(tài)，便可大大提高SSTMD的安全性。故對SSTMD提出以下兩條設(shè)計準(zhǔn)則。

準(zhǔn)則一：TMS分布均勻。如圖2所示，只需將作為熱弱鏈的陷阱TMS B1，A2，B3，A4中任意一個開關(guān)處于ON態(tài)，就可以保證固態(tài)密碼鎖的安全性。故盡量使所有開關(guān)分布均勻，使每個開關(guān)接觸到熱點的概率相等，避免將路徑TMS集中而將陷阱TMS分散的情況。因為這種情況下，局部熱點很可能恰好出現(xiàn)在路徑TMS集中的位置，路徑TMS就會先于陷阱TMS切換到ON態(tài)，使SSTMD誤解鎖，導(dǎo)致其安全性失效。

準(zhǔn)則二：作為熱弱鏈的陷阱TMS，應(yīng)選用熔點比路徑TMS低的釬劑與釬料。TMS中釬劑的熔點和釬料的釬焊溫度是可以隨材料的選擇而變化的，故陷阱TMS的工作溫度是可調(diào)的。若使其工作溫度低于路徑TMS，則在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS將先于路徑TMS切換到ON態(tài)的概率就會增大，從而大大提高了SSTMD的安全性。

1.2 固有沖擊弱鏈效應(yīng)及其增強

為了確保SSTMD在異常沖擊或振動環(huán)境下的安全性，在路徑TMS中設(shè)計了一種沖擊弱鏈結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在路徑TMS的硅基底上的絕熱膜片背面的根部，使用MEMS制作工藝刻蝕一個槽。在異常沖擊或振動環(huán)境下，路徑TMS的凹槽處應(yīng)力集中而先斷裂，繼而使得金屬導(dǎo)線折斷，路徑TMS失效而不能從OFF態(tài)切換到ON態(tài)。電起爆器不能獲得來自電源的電激勵信號而無法作動，這樣就不會引爆下一階段的要害部件。故具有這樣結(jié)構(gòu)的路徑TMS起到了沖擊弱鏈的作用。此沖擊弱鏈?zhǔn)腔赥MS的結(jié)構(gòu)設(shè)計得到，而并未引入新材料或新結(jié)構(gòu)，故稱為固有沖擊弱鏈。路徑TMS中的固有沖擊弱鏈增強了SSTMD在使用和貯存時的安全性，保證了SSTMD在沖擊或振動環(huán)境下的安全性。

2 安全性分析

2.1 TMS個數(shù)與誤解鎖概率的關(guān)系

引信系統(tǒng)需要極高等級的安全性，一般對引信系統(tǒng)誤解鎖概率要求很嚴(yán)格。在國軍標(biāo)中規(guī)定引信系統(tǒng)誤解鎖概率小于10-6[3]。SSTMD中，由于2N個開關(guān)中的每個開關(guān)的誤解鎖概率為1/2，故在誤解鎖情況下，即N個路徑TMS都處于ON態(tài)，其他N個陷阱TMS都處于OFF態(tài)，Nbit SSTMD誤解鎖概率為

當(dāng)N=4 bit，8 bit，12 bit，16 bit時，SSTMD的誤解鎖概率如表1所示。由此得出，12 bit的SSTMD誤解鎖概率小于10-6，即SSTMD中只需24個TMS就可滿足規(guī)定。

2.2 異常高溫環(huán)境下的安全失效概率

根據(jù)TMS工作原理可知，在異常高溫環(huán)境下，開關(guān)從OFF態(tài)切換到ON態(tài)的概率POFF-ON會隨溫度T的變化而改變。如圖4所示，當(dāng)溫度處于A區(qū)時，即環(huán)境溫度低于釬劑熔點 (TTsoldering)時，TMS中的共晶焊球已熔化，此時POFF-ON=1。釬焊過程需要持續(xù)的溫度，故POFF-ON隨溫度的升高會保持不變；當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)升高處于D區(qū)時 (T>TIMC melt)，焊料與導(dǎo)線在釬焊過程中會形成過多的金屬化合物而使焊接接頭斷裂，故POFF-ON下降；當(dāng)外界溫度高于開關(guān)導(dǎo)線的熔點時，開關(guān)導(dǎo)線熔化而造成器件損壞。

由于TMS中釬劑的熔點和釬料的釬焊溫度，是可以隨材料的選擇而變化的，故圖4中釬劑的熔點Tsoldering-flux melt與釬料的釬焊溫度Tsoldering是可調(diào)的。圖1中TMS需使用軟釬劑與軟釬料 (釬料液相溫度低于450 ℃)。非腐蝕性軟釬劑有松香、有機鹵化物、胺等。如表2所示，給出了幾種典型的軟釬劑熔點。釬劑通常與釬料匹配使用，軟釬料分為鉍基、銦基、錫基、鉛基、鎘基、鋅基等。如表3所示，給出了幾種典型的共晶釬料熔點。根據(jù)圖4中TMS從OFF態(tài)切換到ON的概率與溫度變化曲線，后續(xù)對釬劑與釬料進行不同的組合以保證開關(guān)的可靠性與安全性。

表2 典型軟釬劑的熔點

表3 典型軟釬料的熔點

在異常高溫環(huán)境下，假設(shè)每個TMS經(jīng)歷的溫度歷程 (如圖4所示)是相同的。鑒別器中每個開關(guān)的位置不同，所以每個開關(guān)接觸到熱點的先后順序也就不同。故在某一時刻，2N個TMS中每個開關(guān)從OFF態(tài)切換到ON態(tài)的概率POFF-ON不全相同。設(shè)t時刻，a1，a2，…，aN分別為N個路徑TMS (如圖2所示的TMS A1，B2，A3，B4)從OFF態(tài)切換到ON態(tài)的概率；b1，b2，…，bN分別其他N個陷阱TMS (如圖2所示的TMS B1，A2，B3，A4)從OFF態(tài)切換到ON態(tài)的概率。其中，0

(2)

式中，(1-bi)為TMS處于OFF態(tài)的概率。

3 結(jié)論

本文提出了固態(tài)熱機械密碼鑒別器安全性增強方法。通過分析SSTMD中陷阱TMS的工作原理，從增強SSTMD安全性、實現(xiàn)其固有熱弱鏈功能的角度，對SSTMD提出兩條設(shè)計準(zhǔn)則，加強了固有熱弱鏈的作用，從而降低SSTMD在異常高溫環(huán)境下的誤解鎖概率。通過分析SSTMD中路徑TMS的工作原理，從實現(xiàn)SSTMD沖擊弱鏈功能的角度，提出了在路徑TMS絕熱膜片背部刻蝕環(huán)形凹槽的方案，增強了SSTMD在異常沖擊/振動環(huán)境下的安全性。此外，采用概率論方法，還計算出SSTMD誤解鎖概率小于10-6時，所需TMS單元的個數(shù)為24個；同時估算了在異常高溫環(huán)境下SSTMD的安全失效概率。分析結(jié)果表明，不增加新的元件即可集成熱弱鏈與沖擊弱鏈的SSTMD設(shè)計，顯著增強了其在異常環(huán)境下的安全性，更加適合對異常環(huán)境下的安全性也有嚴(yán)苛要求的要害系統(tǒng)應(yīng)用。

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版 權(quán) 聲 明

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本刊編輯部

Safety Enhancement Method for Solid State ThermalMechanical Discriminator

JIA Le1, GAO Yang2, 3, WANG Yuhang1, 4

(1.Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010, China； 2.Institute of Electronic Engineering，CAEP， Mianyang 621999，China；3.National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing 400044，China; 4.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049，China)

Aiming at the problem of safety on the Solid State Thermal Mechanical Discriminator (SSTMD) in abnormal environment, the safety enhancement method for the SSTMD was proposed. In order to realize thermal weaklink effect and reduce the probability of safety failure on SSTMD in abnormal high temperature, two design criteria were proposed for the layout of the SSTMD by analyzing working principle of the Trap TMSs played a role as intrinsic thermal weaklink. Additionally, by analyzing working principle of the Route TMSs, an annular groove was etched on the back of insulating film membrane of the Route TMSs to realize shock weaklink effect and ensure the safety of the SSTMD in abnormal shock/vibration environments. Besides, we analyzed safety on the SSTMD. Analysis results showed that: we got the SSTMD with integrated intrinsic thermal and shock weaklink functions but without adding new component, which enhanced observably the safety on SSTMD in abnormal environment. It would be quite suitable for the high consequence system applications.

discriminator; thermo-mechanical switch; safety; weaklink; fuze; abnormal environment

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金項目資助(61574131)；中國工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點實驗室基金項目資助(2014ZA001)；核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室開放課題基金項目資助(2016KF-02)；西南科技大學(xué)特殊環(huán)境機器人技術(shù)四川省重點實驗室開放基金項目資助(14ZXTK01)；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目資助(16ycx101)

賈樂 (1993—), 女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，研究方向：微電子機械系統(tǒng)研究。E-mail:760486407@qq.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2017)03-0092-05