馮恒振， 婁文忠， 孫毅， 趙悅岑

(1.北京理工大學 機電學院，北京 100081；2.北京理工大學 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120)

微型引信對實現(xiàn)彈藥微型化、可靠性具有極大地推進作用[1-3].微型引信的核心技術是MEMS安保機構、MEMS火工品及三維異構集成工藝、測試及裝配方法等.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，美國大力發(fā)展非硅MEMS安保機構與火工品集成制造技術，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，美國借助UV-LIGA、精密機械加工等工藝研制出MEMS引信的安保機構，成為小口徑彈、中大口徑炮彈的基型，最典型是應用于美國理想單兵武器系統(tǒng)的25 mm高爆榴彈引信[4].2010年，法國首次實現(xiàn)了在同一個硅芯片上MEMS安保裝置與火工品系統(tǒng)的集成，滿足STANAG 4187標準，點火僅需635 mW[5-6].2012年，美國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集成安保機構與火工品，實現(xiàn)引信安全與起爆控制的全部核心功能，無需裝配，可大規(guī)模制造，成本低.2015年，該系統(tǒng)技術成熟度已達6級，并在40 mm榴彈上驗證應用[7-9].近年來國內(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計準則的結構[10-12].但是以上研究的微型引信安保機構均基于彈道環(huán)境敏感，具有較大發(fā)射過載或者是離心環(huán)境，無法在弱環(huán)境力或者是無環(huán)境力環(huán)境下實現(xiàn)微型引信的保險解除.也就是說由于機電引信內(nèi)部的供電系統(tǒng)普遍供電范圍在(5～35 V)左右，該芯片無法實現(xiàn)在機電引信正常工作范圍內(nèi)的信號驅動.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, 實現(xiàn)了基于低壓驅動(5～30 V)的弱環(huán)境力固態(tài)保險設計.

1 引信固態(tài)保險模型設計及理論數(shù)值計算

文中基于弱環(huán)境力彈道環(huán)境(低或無發(fā)射過載(0～20g)，無自旋轉)，開展微型引信低壓驅動固態(tài)保險模型設計，該固態(tài)保險借助MEMS加工工藝，通過電氣化方式，實現(xiàn)與彈上引信控制系統(tǒng)互聯(lián)，通過電控方式實現(xiàn)引信的安全與解保控制.可以廣泛應用在引信的安全控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)高動態(tài)環(huán)境與弱環(huán)境彈藥的安全控制通用化.由于機電引信內(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)保險各個驅動環(huán)節(jié)的驅動電壓，實現(xiàn)固態(tài)保險的低壓驅動設計.

引信固態(tài)保險模型如圖1所示.其中，控制層接入微型引信的控制系統(tǒng)，固態(tài)保險的控制層的常態(tài)為“中斷”信號，其敏感結構為“對插式”梳齒結構.其材料選取為電導率高的材料(例如：金屬鋁)，控制層基于修正的Corona effect，通過完成10 μm量級電極間隙內(nèi)，氣體擊穿，使得開關控制層狀態(tài)有常態(tài)的“斷”轉向“通”，并由電能轉化為焦耳熱能.除此之外，文中設計的執(zhí)行層中間工作區(qū)域為“狗骨梁式橋區(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，且熔點低，可實現(xiàn)在控制層工作環(huán)境下的可靠熔斷，該層通過儲能電容放電，完成狗骨梁橋區(qū)熔斷，實現(xiàn)電氣信號“通”到“斷”.

圖1 引信固態(tài)保險模型

1.1 基于Corona放電效應控制層模型設計

控制層通過電極之間的不對稱電場分布產(chǎn)生空氣的瞬時擊穿，從而實現(xiàn)信號“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.文中的電暈結構是根據(jù)其應用的實際需求設計的,皮克定律將此起始電勢與間隙距離d關聯(lián)起來，其關系式為[9]

(1)

表1 電暈放電模型的理論參數(shù)

為可靠地實現(xiàn)控制層導通，本文中選擇兩個電極間隙值9 μm和11 μm進行結構仿真和設計過程.根據(jù)電暈放電原理設計了結構模型.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模型開發(fā)了靜電模擬.襯底材料選擇為氧化硅，并且金屬結構由鋁材料組成.使用COMSOL多物理場仿真軟件進行結構仿真，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合.擊穿電壓和電場強度如圖2～3所示.結合低壓驅動固態(tài)保險不同電極間間隙與驅動電壓之間的關系，不同電極間隙、驅動電壓和場強強度之間的關系如圖4所示.當點擊間隙范圍在2～6 μm之間，相同驅動電壓產(chǎn)生的空氣擊穿場強分布出現(xiàn)較大波動，當電極間隙在9～11 μm，驅動電壓在30 V時，空氣擊穿場強趨于平穩(wěn)，可以實現(xiàn)器件工作可靠性.

圖2 9 μm以下的電場強度分布

圖3 11 μm下的電場強度分布

圖4 電極間隙、靜電激勵電壓和場強密度之間的關系

1.2 執(zhí)行層模型設計

由于本文中設計的執(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，可以實現(xiàn)鎳電極熔斷.執(zhí)行層尺寸在微米量級，可以在短時間內(nèi)積累大量焦耳熱，發(fā)生電爆炸.控制層采用電容放電驅動，整個驅動電路從原理上可等效為一個RLC串聯(lián)電路.

根據(jù)基爾霍夫定律，驅動電路的回路方程可表示為

(2)

式中:UCdc為驅動電容兩端電壓;Cdc為驅動電容;Ldc為電路中分布的電感;Rd為驅動電路總電阻值.

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)可知當電路其他參數(shù)固定時，電容值越高，峰值電流越高.驅動電路電阻、電容和電感間存在匹配關系.超過臨界值后，隨電容值增大，電阻和電感減小，驅動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半軸.由于控制層在驅動過程中會出現(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[11-12]結果可知，執(zhí)行層疏導過程為穩(wěn)態(tài)過程，取執(zhí)行層寬度10 μm，長度30 μm為例對執(zhí)行層的恒流穩(wěn)態(tài)特性開展仿真分析，施加了對應(10 V,22 μf)電容放電能量的恒流載荷，通過理論計算[12]，該處電流強度范圍為(200～1 200 mA)，得到執(zhí)行層穩(wěn)態(tài)的溫度場分布云圖.如圖5所示.由圖可知，驅動過程中，執(zhí)行層的橋型區(qū)域為焦耳熱量的主要集中區(qū)，當電流負載達到1 000 mA時，執(zhí)行層溫度達到鎳的熔點，結構失去疏導能力，因此在寬度10 μm，長度30 μm時疏導能力約為1 000 mA，與計算結果基本吻合.

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動，峰值電壓10 V，儲能電容10 μF.由圖6可知，在0.2 μs時，控制層已經(jīng)出現(xiàn)汽化相變，在仿真模型中汽化后的結構仍具有均勻性和連續(xù)性，因此在汽化相變后相變區(qū)域進一步擴大，以至于超出執(zhí)行層橋區(qū)區(qū)域.綜上所述，文中設計的微型引信固態(tài)保險執(zhí)行層結構尺寸:狗骨梁最窄處寬度為20μm,厚度為0.5 μm,長度為30 μm,弧度半徑為5 μm.

圖6 裸芯片驅動過程控制層平面相變云圖

2 引信固態(tài)保險加工設計

文中基于對固態(tài)保險的理論計算與仿真優(yōu)化，結合體硅加工工藝標準, 結構加工工藝流程設計如圖7所示.

圖7 微型引信固態(tài)保險加工流程

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500 r/min，后轉3 000 r/min，厚度：2 μm，光刻后，顯影45 s，完成結構圖形化；

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 ℃，水浴時間15 min)；

⑦ 通過PECVD生長SiO2，生長厚度200 nm，速率：25 nm/min；

⑧ 光刻，完成絕緣層結構圖形化，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 測試與驗證

本研究中的引信微型固態(tài)保險圓片級靜態(tài)測試基于自主研發(fā)的圓片級測試系統(tǒng)，如圖8所示.圓片級測試系統(tǒng)主要包括：高精度探針臺、數(shù)字萬用表、虛擬示波器、脈沖電壓發(fā)生器、恒流源.文中設計的固態(tài)安全開關借助固態(tài)探針臺實現(xiàn)控制層驅動電壓輸入與執(zhí)行層驅動能量輸入.借助掃描電子顯微鏡對固態(tài)開關控制層與執(zhí)行層結構形貌拍攝，如圖9所示.

圖8 圓片級測試系統(tǒng)

圖9 固態(tài)開關結構形貌示意圖

文中為驗證固態(tài)保險的作用可靠性，共挑選5支固態(tài)保險芯片.首先需要開展待測試固態(tài)開關的電氣性能，主要包括：控制層的通斷及執(zhí)行層的電阻.待測固態(tài)開關的性能如表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.其波動誤差保持在：

(6)

式中:γ為測試誤差；R為固態(tài)保險執(zhí)行層電阻；R均為固態(tài)保險執(zhí)行層的平均電阻；n為測試固態(tài)保險數(shù)量.通過計算得到誤差為9.2%，由于誤差小于10%，滿足設計要求.對控制層施加驅動電壓，驅動電壓初始值為30 V，對執(zhí)行層施加驅動能量為(10 V，10 μF)，通過以上測試系統(tǒng)測試得到表3驅動電壓、控制層與執(zhí)行層作用通斷情況.測試得到5個芯片測試結果如表3所示.其執(zhí)行層驅動能量為10 V,10 μF.

表3 測試結果

經(jīng)過以上試驗，可以得出本文中設計的低電壓驅動引信固態(tài)保險的控制層驅動電壓與理論建模分析得到的驅動電壓相比：

(7)

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

4 結束語

文中基于MEMS體硅加工技術，結合弱環(huán)境力彈道條件與固態(tài)保險無法低壓驅動的技術瓶頸，設計了基于Corona電暈放電效應的固態(tài)保險，與此同時，根據(jù)微型機電引信中，驅動電壓低的現(xiàn)狀，提出基于低壓驅動的固態(tài)保險控制機制.該保險包含兩道獨立的保險機構，首先，通過Corona效應完成控制層作用，將電雷管連接至起爆回路中；其次，通過儲能電容放電實現(xiàn)執(zhí)行層結構熔斷，將起爆電容拉回起爆回路.從而完成兩道保險設計.通過搭建的實驗室級晶圓測試系統(tǒng)完成固態(tài)保險性能測試，得到控制層驅動電壓實際測試與理論誤差為10.28%，控制層平均驅動電壓為33.1 V，執(zhí)行層驅動能量為10 V,10 μF.滿足應用于微型機電引信的低電壓驅動及不依靠環(huán)境實現(xiàn)保險解除的需求.