MEMS安全與解除隔離裝置發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

席占穩(wěn)，聶偉榮，曹 云

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

1995年，美國國防部對MEMS技術(shù)評估時指出，MEMS技術(shù)是未來提升武器性能最有發(fā)展前途的技術(shù)之一，MEMS在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用作為12項(xiàng)國防應(yīng)用之首[1-2]。近些年，美國引信年會上報(bào)告的MEMS安全與解除隔離(S&A)裝置研究成果逐年增加。1998年，Charles[3]利用LIGA加工工藝制作理想單兵武器(OICW)20 mm高爆榴彈MEMS S&A裝置。

2007年，Indian Head研究所[4]采用硅基DRIE工藝、原位生成多孔疊氮化銅的方法，首次將引信的安全、解除保險與起爆功能在同一芯片上集成，形成尺寸更小的新型的MEMS安全系統(tǒng)芯片。

2008年，法國LAAS[5]研制了單一芯片固態(tài)安全與保險邏輯，并集成了火工品與致動器，形成了固態(tài)S&A裝置。

當(dāng)前，國內(nèi)外對MEMS S&A裝置給與了高度關(guān)注。MEMS S&A裝置在材料的選取上，主要有硅和金屬兩大類；從加工方法上一般可分為硅微機(jī)械加工技術(shù)和非硅微機(jī)械加工技術(shù)；按照MEMS S&A裝置的基板與彈軸的相對位置，可將MEMS S&A裝置的結(jié)構(gòu)形式分為平行基板式和垂直基板式[6-7]。MEMS S&A裝置從隔離狀態(tài)轉(zhuǎn)化到解除隔離狀態(tài)，需要將保險裝置和/或隔爆裝置(滑塊)在一定條件下驅(qū)動一定位移，可以利用的驅(qū)動力有慣性力、電磁力、靜電力、記憶合金、氣體等[8]。本文按照驅(qū)動方式將MEMS S&A裝置分為慣性力驅(qū)動、電熱驅(qū)動、火藥能量驅(qū)動等類型，并就其典型裝置的發(fā)展歷程、技術(shù)演變、技術(shù)特征進(jìn)行分析綜述，提出MEMS S&A裝置的發(fā)展趨勢。

1 慣性力驅(qū)動

1.1 典型裝置

1998年，美國陸軍武器研發(fā)中心(ARDEC)Charles等人的發(fā)明專利中提出了一種采用環(huán)境力解除保險的MEMS引信S&A裝置[3]，如圖1(a)所示。2001年，明確提出了Z形齒的慣性驅(qū)動、慣性阻尼延時機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，即設(shè)計(jì)一片“微慣性機(jī)械保險邏輯”的無源芯片[9]，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。為應(yīng)用于20 mm高爆榴彈，滿足低成本、小體積的要求，Charles等人于2005年采用鎳基材料，2012年又改為銅基材料的UV-LIGA工藝制作了引信MEMS S&A裝置[10]，如圖2所示。

圖1 典型慣性驅(qū)動MEMS安全與解除隔離裝置Fig.1 MEMS S&A device driven by inertial force

圖2 20 mm榴彈MEMS安全與解除隔離裝置Fig.2 MEMS S&A device of 20 mm grenade

針對子母彈的子彈安全與保險，Charles分別在2003年、2008年提出專利，利用后坐力、前沖力、離心力、指令解除保險[11-12]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 子彈MEMS安全與解除隔離裝置Fig.3 MEMS S&A device of bullet

2015年引信年會上Robert Renz介紹了采用EFAB(Electrochemical Fabrication)加工技術(shù)制作的以邊緣擒縱機(jī)構(gòu)為核心的MEMS S&A裝置[13]，該MEMS S&A裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 慣性驅(qū)動的MEMS安全保險機(jī)構(gòu)Fig.4 Inertial-driven MEMS S&A mechanism

該結(jié)構(gòu)由后坐鎖、后坐滑塊、減速齒輪和旋轉(zhuǎn)滑塊組成，采用無返回力矩擒縱機(jī)構(gòu)延期解除保險。發(fā)射過程后坐環(huán)境力的作用下，后坐彈片解除第一道保險，此后，在離心力的作用下卡槽中的彈性卡片從齒輪中彈出，解除第二道保險，然后通過減速齒輪的扭矩放大，啟動旋轉(zhuǎn)滑塊，最后旋轉(zhuǎn)至齒輪與安保機(jī)構(gòu)邊緣卡住鎖死，此時安保機(jī)構(gòu)成功解除保險，疊氮化鉛裝藥與傳爆序列對正，安保機(jī)構(gòu)處于解除保險狀態(tài)。

Ji-hun Jeong采用濕法刻蝕方法制作了金屬結(jié)構(gòu)[14]，如圖5所示，并在2018年提出了慣性延遲MEMS S&A裝置，采用無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離解除保險，如圖6所示。

圖5 不銹鋼濕蝕刻工藝的結(jié)果Fig.5 Stainless steel wet etching process results

圖6 慣性延遲MEMS安全與解除隔離裝置Fig.6 MEMS S&A device with inertial delay

2011年美國引信年會上，法國NEXTER公司展示了一種MEMS S&A裝置[15]，如圖7所示。采用硅基DRIE工藝，尺寸為5 mm×3.5 mm×0.6 mm，配用于法國輪式VBCI步兵戰(zhàn)車的25M811型火炮的MR251改進(jìn)型引信中，在原引信只有一個慣性后坐保險的基礎(chǔ)上增加了一個MEMS離心保險，滿足了引信雙環(huán)境保險的安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 MR251改進(jìn)型引信結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Sschematic diagram of MR251 modified fuze

2017年，韓國Jin Oh Seok等人設(shè)計(jì)制作了碳化鎢球驅(qū)動的MEMS S&A裝置[16]，如圖8所示。帶有導(dǎo)槽的框架采用UV-LIGA工藝制作。

圖8 球驅(qū)動MEMS S&A裝置Fig.8 Schematic diagram of ball driven MEMS S&A devices

2005—2007年，西安機(jī)電信息技術(shù)研究所開展了MEMS技術(shù)的微小型可編程引信研究[17-19]，研制出了適用于小口徑榴彈的MEMS安全系統(tǒng)。該MEMS安全系統(tǒng)芯片尺寸為14 mm×6.5 mm×1.2 mm。在安全性指標(biāo)、隔爆能力、炮口安全距離和解除保險距離等方面滿足引信總體技術(shù)指標(biāo)，如圖9所示。

圖9 可編程引信MEMS S&A裝置Fig.9 MEMS S&A device for micro programmable fuze

2008年，北京理工大學(xué)研制的引信MEMS無返回力矩鐘表遠(yuǎn)解機(jī)構(gòu)[20-21]，解決了引信實(shí)現(xiàn)微小型化延時保險的關(guān)鍵技術(shù)，如圖10所示。

圖10 無返回力矩機(jī)構(gòu)Fig.10 No return torque mechanism

2017年，北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了平行基板式MEMS S&A裝置[22-23]，如圖11所示。發(fā)射時，在后坐力作用下，后坐保險機(jī)構(gòu)解除保險，離心保險(亦作為自毀機(jī)構(gòu)) 在炮口附近解除保險，當(dāng)彈丸飛過一定距離后拔銷器作用解除保險，滑塊在離心力作用下運(yùn)動到位，解除隔離，引信處于待發(fā)狀態(tài)。

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

2018年，南京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了基于LIGA工藝的MEMS S&A裝置[24-25]，如圖12所示，整體尺寸為20 mm×20 mm×0.8 mm，利用后坐、離心及電推銷解除保險。

圖12 MEMS S&A裝置Fig.12 MEMS S&A device

1.2 技術(shù)特征

1.2.1慣性驅(qū)動利用的環(huán)境力

慣性驅(qū)動MEMS S&A裝置通過一個后坐滑塊(或懸臂梁)感受后坐發(fā)射環(huán)境解除一道保險，再有一個命令鎖(或無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu))起到遠(yuǎn)解延期的目的，在離心力的作用下離心滑塊運(yùn)動到位，引信解除隔離進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。這類MEMS S&A裝置直接使用環(huán)境力作為解除保險的驅(qū)動力，有較強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，自主敏感發(fā)射環(huán)境，無需電源供電，體現(xiàn)了“無源芯片”的設(shè)計(jì)思想。但也正因?yàn)槿绱?，發(fā)射過程及彈道環(huán)境的許多信息較難或不能被機(jī)械機(jī)構(gòu)所敏感和利用，限制了機(jī)械解除保險方式的應(yīng)用。

遠(yuǎn)解功能的實(shí)現(xiàn)是依靠鐘表機(jī)構(gòu)或引信電路的指令解除保險。采用指令鎖解除保險將環(huán)境信息探測與解除保險分開，容易利用彈道各類信息，是MEMS S&A裝置中常用的解除保險方式。

MEMS技術(shù)可以充分利用子母彈藥發(fā)射、飛行、拋撒過程的環(huán)境力實(shí)現(xiàn)解除保險。這類MEMS S&A裝置主要應(yīng)用于具有較強(qiáng)后坐環(huán)境和旋轉(zhuǎn)環(huán)境的彈藥中。

1.2.2后坐保險機(jī)構(gòu)的演變

Charles等人發(fā)明設(shè)計(jì)的MEMS S&A裝置采用了平行于彈軸安裝，也即垂直基板式，采用平面帶Z形齒的后坐滑塊，其一方面作為敏感元件感受后坐力，另一方面在后坐加速度作用下運(yùn)動到位，又作為解除保險的執(zhí)行元件。由于滑塊上和框架上的Z形齒相互嚙合起到了后坐延時的作用。只有在后坐過載達(dá)到一定的強(qiáng)度和持續(xù)時間才能使后坐滑塊運(yùn)動到位，平時勤務(wù)處理時的擾動結(jié)束后，后坐滑塊將在彈簧的拉力作用下復(fù)位到原始位置，這種設(shè)計(jì)區(qū)分了發(fā)射過程與勤務(wù)處理，保證了勤務(wù)處理時的安全。

平面Z形齒后坐滑塊的原理來源于傳統(tǒng)后坐慣性桶。平面化是LIGA加工工藝的要求，一般采用金屬材料，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)?；贛EMS加工技術(shù)的特點(diǎn)，基板和零件的厚度比較小(單層基板的厚度小于1 mm)，而其平面尺寸可以相對較大，為此，后坐滑塊的運(yùn)動必須與彈軸平行。

近期國內(nèi)外研究者，如Robert Renz、Jin Oh Seok等設(shè)計(jì)的慣性力驅(qū)動MEMS S&A裝置，采用垂直于彈軸安裝，也即平行基板式。這類結(jié)構(gòu)形式的S&A裝置由于平行于彈軸方向的結(jié)構(gòu)尺寸更小，允許的機(jī)構(gòu)位移小，一般后坐保險機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為懸臂梁式，僅能起到慣性保險，而不能實(shí)現(xiàn)對勤務(wù)與發(fā)射環(huán)境的識別。

隨著MEMS引信智能化的發(fā)展，將有更充分的環(huán)境信息可利用，不必要求后坐保險機(jī)構(gòu)既要利用慣性力驅(qū)動，又要利用慣性力的特征識別勤務(wù)與發(fā)射環(huán)境。

1.2.3慣性力驅(qū)動MEMS S&A裝置加工工藝

Charles等人采用DRIE硅工藝制作了帶Z形齒的滑塊、彈簧、鎖鉤等第一代MEMS S&A裝置部件，如圖13所示。經(jīng)過發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅基框架產(chǎn)生碎裂，強(qiáng)度不夠；改進(jìn)為金屬框架和基底的分離加工后，經(jīng)過40 mm榴彈25 000g發(fā)射過載的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以滿足發(fā)射過程的強(qiáng)度要求。

圖13 DRIE硅工藝制造帶Z形齒的滑塊、彈簧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工藝制作加工的MEMS安全裝置安裝在40 mm的榴彈里進(jìn)行了實(shí)彈射擊驗(yàn)證，發(fā)射最大過載為60 000g、最大轉(zhuǎn)速12 500 r/min，發(fā)射后回收解剖發(fā)現(xiàn)所有試驗(yàn)樣機(jī)都成功解除保險且滑塊被鎖定在解除保險的位置，MEMS S&A裝置具有足夠的抗過載能力。

慣性力驅(qū)動MEMS S&A裝置承受膛內(nèi)過載較大，一般選用金屬材料，小而精密的零件采用UV-LIGA工藝，結(jié)構(gòu)框架采用精密機(jī)械加工，最后微裝配在一起。

由于硅材料本身較脆，當(dāng)其尺寸較大時,在引信高沖擊、高過載力的作用下，容易發(fā)生斷裂、破損等現(xiàn)象，一般不用硅材料制作有較大位移的MEMS慣性后坐機(jī)構(gòu)。

1.2.4起爆裝置(微雷管)輸出能量隔斷

國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道慣性驅(qū)動MEMS安保裝置主要集中在起爆裝置(微雷管)輸出能量隔斷[26]，如圖14所示。

圖14 能量輸出端隔斷原理圖Fig.14 Schematic diagram of the partition structure at the energy output end

OICW 20 mm和25 mm理想班組武器系統(tǒng)(OCSW)中的高爆彈定距空炸引信中采用了低能金屬膜橋起爆的起爆序列。該起爆序列的發(fā)展經(jīng)歷了從“直向式”傳爆到“轉(zhuǎn)向式”傳爆的轉(zhuǎn)變[22]，如圖15所示。文獻(xiàn)顯示： 2001年和2002 年報(bào)道的該起爆序列變化較??；2003年以后，該起爆序列改變?yōu)檗D(zhuǎn)向式傳爆，通過可移動傳爆藥將電雷管的爆轟沿橫向傳爆后轉(zhuǎn)向受主裝藥。

圖15 低能金屬膜橋起爆序列Fig.15 Low energy metal film bridge initiation train

OICW 20 mm高爆榴彈MEMS S&A裝置選擇金屬材料，采用UV-LIGA工藝、常規(guī)“壓藥”工藝的傳爆藥裝藥，其爆炸序列只是傳統(tǒng)火工元件的縮小。為達(dá)到隔爆要求，需要一定厚度的隔離滑塊隔離雷管的能量輸出，較厚的隔離滑塊增加了工藝難度，為彌補(bǔ)減薄MEMS隔離滑塊厚度帶來的隔爆安全性問題，由“直向式”起爆序列到“轉(zhuǎn)向式”傳爆，拉大了雷管與受主裝藥的隔離距離，體現(xiàn)了高安全性的設(shè)計(jì)理念。

2 電熱驅(qū)動

2.1 典型裝置

2002年5月，美國Indian Head研究所對應(yīng)用于6.75 in魚雷(CCAT)引信中的MEMS S&A裝置成功進(jìn)行海上實(shí)彈射擊試驗(yàn)[27-29]，MEMS S&A裝置的體積小于1 in3。

該MEMS S&A裝置包括滑塊、環(huán)境傳感器、光檢測裝置、水壓調(diào)節(jié)器等，如圖16所示。水壓調(diào)節(jié)器作為滑塊的一道保險，它感受水壓的大小來解除保險；加速度開關(guān)感受魚雷發(fā)射過程中的加速度大小，到預(yù)定值時解除滑塊的一道保險；流動傳感器作動器是一種特殊的壓力傳感器，用來感受水流的大小解除保險；在所有的保險鎖都打開的前提下，引信向作動器發(fā)出指令驅(qū)動滑塊到解除保險位置。驅(qū)動滑塊移動的作動器由前期的電磁力驅(qū)動器改進(jìn)為電熱驅(qū)動器。

圖16 應(yīng)用于魚雷的MEMS安全保險裝置Fig.16 MEMS S&A device for torpedoes

2006年美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室Koehler等人發(fā)明了一種分層結(jié)構(gòu)的MEMS S&A裝置[30]，后坐保險采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，彈簧采用片狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了制造難度，如圖17所示。采用單片式設(shè)計(jì)，硅基DRIE工藝，所有部件都在一層中動作，打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

圖17 分層式MEMS安全保險裝置Fig.17 Layered MEMS S&A device figure

2011年，David A. Olson等人提出了一種利用電熱驅(qū)動的MEMS S&A裝置[31]，采用錯位式設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體橋起爆器放置在滑塊上，滑塊平時被鎖定。

2011年，Lawrence Fan等人發(fā)明了一種利用后坐力、離心力、電熱驅(qū)動解除保險的MEMS S&A裝置[32]。采用兩組質(zhì)量彈簧系統(tǒng)分別組成后坐保險和離心保險，二者的作用僅僅是直接或間接地鎖止了滑塊的運(yùn)動；滑塊的運(yùn)動是由電熱驅(qū)動器驅(qū)動，微結(jié)構(gòu)裝藥(微雷管)放置在滑塊末端，并能控制與微結(jié)構(gòu)換能元之間的距離，如圖18所示。保持臂和驅(qū)動臂的端部帶有一個或多個齒，這些齒可與滑塊上的齒嚙合，類似齒條機(jī)構(gòu)，可驅(qū)動滑塊單向運(yùn)動。

圖18 MEMS S&A裝置Fig.18 MEMS S&A device

2011年，S.A.Ostrow等人提出了采用電熱驅(qū)動器組合集成的MEMS S&A裝置[33]，如圖19所示。由安全狀態(tài)進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)，隔爆滑塊必須移動785 μm，此長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)MEMS電熱驅(qū)動器的最大位移，采用棘輪-棘爪機(jī)構(gòu)，棘爪驅(qū)動棘輪，棘輪驅(qū)動隔爆滑塊直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了將電熱驅(qū)動器的較小位移放大為隔爆滑塊的較大位移，如圖20所示。

圖19 電熱驅(qū)動MEMS S&A裝置Fig.19 Electrothermal driven MEMS S&A device

圖20 棘輪-棘爪機(jī)構(gòu)Fig.20 A ratchet-pawl mechanism

2012年第56屆美國引信年會 “High-gMEMS Fuze”[34]的主題報(bào)告中，Indian Head研究所為陸軍40 mm榴彈開發(fā)了硅基MEMS S&A裝置，如圖21所示。該裝置在一塊基片上同時制作了多種環(huán)境力保險機(jī)構(gòu)、硅橋微換能元與微結(jié)構(gòu)裝藥。安全狀態(tài)時，硅橋微換能元與微結(jié)構(gòu)裝藥分層錯開隔離。在后坐力作用下，后坐機(jī)構(gòu)解除保險，并卡死在后坐卡槽內(nèi)；同時，離心滑塊受V形面內(nèi)電熱驅(qū)動器的約束，限制在原始位置，當(dāng)彈丸達(dá)到遠(yuǎn)解距離時，電熱驅(qū)動器接收到指令解除保險，釋放離心滑塊；在離心環(huán)境力作用下，底部裝有微結(jié)構(gòu)裝藥(微雷管)的滑塊向外側(cè)運(yùn)動，當(dāng)?shù)撞康奈⒗坠芘c微換能元對正時鎖定在該位置，引信進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。該裝置頂部尺寸為12 mm×12 mm×0.1 mm，底部尺寸為12 mm×12 mm×0.5 mm。

圖21 硅基S&A裝置Fig.21 Silicon-based S&A device

2015年第58屆引信年會上公開了改進(jìn)的美軍40 mm榴彈MEMS S&A裝置[35]，與2012年第56屆引信年會的不同之處是增加了解除保險馬達(dá)(微電機(jī))控制離心滑塊運(yùn)動，其原理如圖22。工作頻率為25 Hz的馬達(dá)與滑塊配合工作，類似于棘爪-棘輪機(jī)構(gòu)，可控制滑塊在1 s內(nèi)運(yùn)動2 mm到達(dá)解除保險位置，微雷管與微換能元對正。

圖22 硅基馬達(dá)驅(qū)動滑塊S&A裝置Fig.22 Slider driven by silicon-based motor in S&A device

2016年，西安交通大學(xué)Hu Tengjiang等人提出了一種電熱驅(qū)動的直線馬達(dá)[36]，在17 V電壓驅(qū)動下，馬達(dá)每步驅(qū)動100 μm，可達(dá)到1 mm的位移，如圖23所示。

圖23 電熱驅(qū)動直線馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.23 Schematic diagram of electro-thermal linear motor

為了拉動微彈簧產(chǎn)生足夠大的位移，利用電熱驅(qū)動帶微杠桿的棘爪執(zhí)行器，微杠桿可以放大輸入位移同時減小輸出力。兩組電熱驅(qū)動機(jī)構(gòu)相互垂直，以實(shí)現(xiàn)兩個方向驅(qū)動，水平電熱驅(qū)動機(jī)構(gòu)輸出足夠的拉力，拉動與微彈簧相連的滑塊運(yùn)動；垂直電熱驅(qū)動機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)棘爪與滑塊的分離與嚙合。棘爪和滑塊上的齒將相互鎖定并防止滑塊返回移動。

在此基礎(chǔ)上，西安交通大學(xué)Tengjiang Hu等人不斷地對電熱驅(qū)動直線馬達(dá)進(jìn)行改進(jìn)[37-38]，研制了雙向驅(qū)動的直線馬達(dá)，隔爆滑塊可以雙向移動，實(shí)現(xiàn)保險狀態(tài)與解除保險的逆轉(zhuǎn)換功能，如圖24所示。為了增強(qiáng)滑塊的隔爆能力，采用金屬-硅結(jié)構(gòu)復(fù)合的滑塊，300 μm厚度的金屬鎳層電鑄在硅滑塊上，如圖25所示。采用壓力傳感器的方法進(jìn)行隔爆與起爆性能測試，在保險狀態(tài)，飛片雷管的碎片不足以引爆下一級傳爆藥；在解除保險狀態(tài)，飛片雷管的碎片足以起爆大多數(shù)種類的傳爆藥。

圖24 雙向運(yùn)動的直線馬達(dá)機(jī)構(gòu)Fig.24 A linear motor mechanism with two-way motion

圖25 金屬與硅組合隔爆滑塊安全與保險裝置Fig.25 S&A device for metal and silicon combined flameproof slider

2.2 技術(shù)特征

1) 可供利用環(huán)境信息更豐富

硅基電熱驅(qū)動MEMS S&A裝置中，電熱驅(qū)動將作為完成解除保險動作的一種常用方式，電熱驅(qū)動器作為執(zhí)行元件，采用電熱驅(qū)動力，而不是來自環(huán)境力，這樣就解決了引信各種獨(dú)立的微弱環(huán)境信息可以利用卻不能完成解除保險動作的問題。同時，對解除保險時間可以根據(jù)系統(tǒng)的要求靈活設(shè)定，從而大大提高引信的安全性及可靠性。

電熱驅(qū)動MEMS安全系統(tǒng)可利用MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)對引信使用環(huán)境中的加速度，引信頭部的溫度、壓力和噪聲，彈的自轉(zhuǎn)信息等進(jìn)行測量，環(huán)境傳感器代替了機(jī)械環(huán)境敏感裝置，同時解除保險的驅(qū)動一般也采用電能作動器。MEMS安全系統(tǒng)通過對環(huán)境信息的識別判斷后再傳輸給S&A裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用解除保險馬達(dá)控制隔爆滑塊運(yùn)動，尤其是對于非旋轉(zhuǎn)彈藥，既解決了解除保險的動力，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離解除保險。

2) 電熱驅(qū)動的位移放大

電熱驅(qū)動是利用材料受熱后自身的彈性形變來實(shí)現(xiàn)微位移和力的輸出，是現(xiàn)階段MEMS可行的主要驅(qū)動方式。電熱驅(qū)動器具有體積小、抗電磁干擾、驅(qū)動電壓低、IC工藝兼容、可重復(fù)執(zhí)行、精度高、可靠性好的特點(diǎn)，與靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電磁驅(qū)動相比，電熱驅(qū)動更適宜于MEMS S&A裝置中驅(qū)動隔爆滑塊解除保險，鎖定滑塊位置。

U型和V型以及它們的組合是MEMS電熱驅(qū)動器常用的結(jié)構(gòu)形式，采用各種結(jié)構(gòu)的配置組合來增大位移是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)，以達(dá)到MEMS安解裝置解除隔離要求的輸出位移和輸出力。研究者采用如圖18齒條結(jié)構(gòu)，如圖20的棘輪-棘爪機(jī)構(gòu)，如圖23的杠桿原理實(shí)現(xiàn)了將MEMS電熱驅(qū)動器微米級的較小位移放大為毫米級的隔爆滑塊需求的較大位移，使得MEMS電熱驅(qū)動成為MEMS S&A裝置解除隔離的一種方式。

3) 微含能芯片初始起爆隔斷

MEMS火工品在滿足爆轟可靠傳遞的前提下降低了起爆系統(tǒng)中的裝藥尺寸，與之匹配的隔爆方式隨之改變，隔離裝置的尺寸可以更小。微含能芯片初始起爆隔斷就是將微含能芯片與微結(jié)構(gòu)藥劑隔離。

20 世紀(jì)90年代，基于MEMS技術(shù)的設(shè)計(jì)思想，采用MEMS工藝制作的微結(jié)構(gòu)換能元(Micro-initiator)、微含能芯片(Micro-energetics-on-a-chip)得到了快速發(fā)展[41]。一種典型的裝填有疊氮化銅微含能芯片的制備以硅片為基底，采用MEMS工藝在其上制作Ni/Cr合金材料的微結(jié)構(gòu)換能元，然后在微結(jié)構(gòu)換能元上制作金屬銅薄膜，經(jīng)光刻-腐蝕及原位疊氮化反應(yīng)后，金屬銅薄膜生成疊氮化銅薄膜藥劑，形成微含能芯片(國內(nèi)也稱作含能半導(dǎo)體橋芯片)。該設(shè)計(jì)中微納結(jié)構(gòu)換能元和微薄膜藥劑(疊氮化銅薄膜)被設(shè)計(jì)在同一個平面上。微結(jié)構(gòu)換能元通電后，產(chǎn)生熱量引發(fā)疊氮化銅薄膜發(fā)生爆炸反應(yīng)。

2010年美國引信年會報(bào)道了半導(dǎo)體橋換能元作為微結(jié)構(gòu)換能元，引發(fā)采用原位裝藥形成的混合藥劑(AgN3)驅(qū)動鈦飛片，鈦飛片撞擊直寫墨水藥劑EDF-11 傳爆藥線，形成爆轟輸出，引爆 PBXN5 傳爆藥，完成整個序列的能量傳遞與放大過程[39]，如圖26所示。

圖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斷比起爆裝置(微雷管)輸出能量隔斷的能量變小，隔離滑塊的厚度可以變薄，運(yùn)動行程減小，硅基材料可以隔斷微含能芯片的能量，采用硅基隔離滑塊成為可行的技術(shù)選擇，如圖27所示。采用硅基材料，可以將微火工品集成在硅基結(jié)構(gòu)上，這樣MEMS S&A裝置的體積更小，隔離裝置與微火工品相互匹配，滿足引信的使用環(huán)境。

圖27 初始起爆隔斷式原理圖Fig.27 Initial ignition and initiation partition schematic diagram

4) 原位裝藥技術(shù)催生了硅基MEMS S&A裝置的發(fā)展[42-43]

與傳統(tǒng)S&A裝置相比，MEMS S&A裝置具有結(jié)構(gòu)微型化和序列集成化等特點(diǎn)，傳爆序列是MEMS引信S&A裝置中不可或缺的組成部件，MEMS引信S&A裝置對傳爆序列所用藥劑及裝藥工藝提出了新的要求，即需要在微尺寸(毫米級甚至亞毫米級)下裝填并穩(wěn)定做功。

2004年，美國NSWC的研究人員采用氣固疊氮化反應(yīng)，將MEMS S&A裝置上的多孔銅轉(zhuǎn)化成多孔疊氮化銅起爆藥，這一過程稱為“原位裝藥”[39-40]。納米多孔銅“原位”轉(zhuǎn)換為疊氮化銅的技術(shù)，避免了裝藥和壓藥潛在的危險，所制備的微裝藥結(jié)構(gòu)體積小，且原位裝藥工藝與MEMS工藝兼容。

2007年，美國的Brain Fuchs團(tuán)隊(duì)成功研制出EDF-11型炸藥油墨[44]，利用噴墨打印技術(shù)，在MEMS機(jī)構(gòu)上成功進(jìn)行了圖形化，得到了任意形狀的傳爆藥線。

2015年第58屆引信年會上公開的美軍40 mm榴彈MEMS S&A裝置，采用硅基的DRIE工藝加工而成，在一塊基片上同時形成多種環(huán)境力保險機(jī)構(gòu)，滑塊上原位生成微結(jié)構(gòu)裝藥(微雷管)，可以實(shí)現(xiàn)引信安全與起爆控制的全部核心功能，無需裝配，大規(guī)模制造可以大大降低成本[35,42]。

3 火藥能量驅(qū)動

3.1 典型裝置

煙火微機(jī)電系統(tǒng)(pyrotechnical micro-electro mechanical system，PyroMEMS) 是一種基于MEMS技術(shù)，裝載固體含能材料作為功能燃料的微型火工煙火裝置。煙火藥劑(火藥)由于具有能量密度高，單位體積提供的動力更強(qiáng)等特點(diǎn)，以火藥燃燒分解產(chǎn)生的氣體作為動力的S&A裝置可以實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動位移[43]。

OICW 20 mm空爆彈MEMS S&A裝置遠(yuǎn)解功能是依靠引信電路的指令解除保險，解除保險的驅(qū)動能量采用火藥氣體能量，由2002年電-火藥的拔銷器方案，到2005年的電-火藥-活塞推動搖桿結(jié)構(gòu)，2012年改進(jìn)為電-火藥-氣體驅(qū)動方案，將電路與火工元件集成在一起，大大提高了集成度，使用電-火藥的遠(yuǎn)解方案，可以充分利用彈道信息[15]。

2005年LAAS-CNRS實(shí)驗(yàn)室的Pierre Pennarun, Carole Rossi等首次提出MEMS電子安全解除保險和MEMS機(jī)械解除保險兩個層次的安全解除保險系統(tǒng)[45-46]，如圖28所示。

圖28 三層MEMS SAF裝置Fig.28 Three layer MEMS SAF device

MEMS SAF(safe arm and fire device)以安全模式存儲，滑塊被鎖定，并且起爆器連接到電氣接地，在加速度作用下慣性銷向下運(yùn)動解除對滑塊的約束，然后微控制器向微點(diǎn)火器發(fā)送指令，電路向加熱電阻通電，當(dāng)加熱溫度達(dá)到225 ℃，火藥被點(diǎn)燃產(chǎn)生氣體壓力達(dá)到6×105Pa時，火藥氣體驅(qū)動滑塊到傳爆通道對正的位置，解除隔離處于待發(fā)狀態(tài)，如圖29所示?；瑝K為陶瓷材料，鋁框架分為蓋子和底座，外部尺寸為8.4 mm×7.4 mm。

圖29 火藥驅(qū)動機(jī)械保險機(jī)構(gòu)Fig.29 Pyrotechnic drive machinery arming mechanism

然后，SAF開始電解除保險，即通過常開/常閉MEMS開關(guān)通、斷狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)微起爆器與電源的連接。此后，微控制器向微起爆器發(fā)送一個指令起爆位于其空腔中的起爆藥。如果順序出現(xiàn)故障，可以斷開MEMS開關(guān)的電氣連接，最終斷開微起爆器與其電源的連接，SAF處于絕火功能。

南京理工大學(xué)朱朋等設(shè)計(jì)了平面起爆的Pyro-MEMS隔離裝置[47-49]，如圖30所示。

圖30 硅基隔離裝置Fig.30 Silicon-based interrupter

該裝置采用硅基雙固體梁，它的主要特點(diǎn)包括大位移、集成批量生產(chǎn)，無需環(huán)境力驅(qū)動。通過傳爆序列的錯位設(shè)計(jì)，保證了在意外起爆(點(diǎn)火)情況下，爆轟被中斷而不能向下一級傳遞。當(dāng)接收到解除保險指令，隔離裝置層上的推進(jìn)劑被點(diǎn)燃后產(chǎn)生氣體，氣體壓力作用在雙硅固體梁上超過其內(nèi)應(yīng)力時，就會發(fā)生脆性斷裂，隔爆滑塊與基板分離，并且氣體繼續(xù)推動隔爆滑塊到解除隔離位置。彈性梁有兩個功能：一是引導(dǎo)隔爆滑塊的運(yùn)動方向，二是鎖定隔爆滑塊實(shí)現(xiàn)傳爆通道精確對準(zhǔn)。

北京理工大學(xué)Bao Bingliang等人提出了一種應(yīng)用于解除機(jī)械隔離的火藥驅(qū)動器[50]，如圖31所示。

圖31 金屬材料的火工驅(qū)動器Fig.31 Metal material fire actuators

滑塊槽中設(shè)計(jì)的臺階結(jié)構(gòu)一方面保證了勤務(wù)和發(fā)射過程中滑塊被臺階阻擋(止推)不能運(yùn)動到解除隔離的位置；另一方面在氣體的壓力作用下滑塊上翅片被臺階擠壓變形后，滑塊被推動運(yùn)動到解除隔離的位置，并依靠滑塊上變形的翅片與基板緊密接觸實(shí)現(xiàn)了對滑塊的鎖定(止退)功能。針對這種結(jié)構(gòu)的微火藥驅(qū)動器，對臺階高度、翅片長、寬尺寸與止推力、止退力關(guān)系進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)，通過臨界裝藥量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了臺階止推、止退結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)和合理性。

陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所解瑞珍等研制的微小型起爆序列在安全模式下，隔斷單元隔開了微雷管和傳爆藥裝藥[51]，如圖32所示。

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

當(dāng)控制電路識別到解除保險信號后，解除保險即點(diǎn)燃微火藥驅(qū)動器，驅(qū)動隔斷滑塊移動至設(shè)計(jì)位置，使得微雷管、隔斷滑塊上的裝藥、傳爆藥裝藥對正，形成爆轟通道；控制電路得到起爆信號后，起爆微雷管，完成起爆功能。由于微雷管裝藥尺寸小，裝藥量少，采用了微雷管驅(qū)動飛片經(jīng)加速膛起爆隔斷單元上裝藥的設(shè)計(jì)，保證在小尺寸裝藥條件下爆轟的可靠傳遞。

3.2 技術(shù)特征

1) 引信火藥能量驅(qū)動器分類

火藥能量驅(qū)動器為引信S&A裝置提供驅(qū)動力，可歸類為：①火藥氣體推動隔爆滑塊移動實(shí)現(xiàn)傳爆通道的對正；②火藥氣體推動拔銷解除對隔爆滑塊的約束；③活塞式微驅(qū)動器氣體驅(qū)動活塞運(yùn)動推動搖桿轉(zhuǎn)動解除對隔爆滑塊的約束；④活塞式微驅(qū)動器氣體驅(qū)動活塞運(yùn)動剪斷懸臂梁或推動懸臂梁變形實(shí)現(xiàn)對隔爆滑塊解鎖[22]。

2) 火藥能量驅(qū)動位移大、適用廣

以火藥燃燒產(chǎn)生的氣體作為動力源，具有能量密度高，單位體積提供的動力更強(qiáng)等特點(diǎn)，相比于電磁式、電熱式、記憶合金式等驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)S&A裝置隔爆滑塊的較大位移，但體積較大，MEMS工藝的兼容性不如電熱驅(qū)動。

針對引信傳統(tǒng)保險機(jī)構(gòu)依靠發(fā)射環(huán)境解除保險帶來的適用性受限問題，通過結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)，火藥驅(qū)動隔爆滑塊可設(shè)計(jì)為引信通用的隔離裝置，易于利用彈道環(huán)境信息，依據(jù)指令解除保險，提高M(jìn)EMS S&A裝置的通用性。

3) 電子解除保險易于實(shí)現(xiàn)引信“三自”功能

隨著微火工品與MEMS結(jié)構(gòu)融合發(fā)展， MEMS電子解除保險和MEMS機(jī)械解除保險的組合可為引信提供冗余保險。MEMS電子解除保險利用電阻和MEMS開關(guān)的集成實(shí)現(xiàn)電子解除保險和恢復(fù)保險功能，LAAS-CNRS提出的常開/常閉MEMS開關(guān)體積小、無可動結(jié)構(gòu)、作用方式簡單可靠，采用功率-能量復(fù)合控制，當(dāng)控制信號的功率達(dá)到一定要求時MEMS開關(guān)才進(jìn)行通、斷狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。電熱MEMS常開/常閉開關(guān)的組合布局可以實(shí)現(xiàn)電子點(diǎn)火、電子絕火、電子解除保險、電子恢復(fù)保險功能，容易滿足引信自毀、自失能和自失效的“三自”功能。

4 發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)與專利的分析，可以對MEMS S&A裝置的發(fā)展趨勢歸納為以下幾個方面。

4.1 硅基平行基板式將成為發(fā)展方向

國外MEMS S&A裝置采用金屬基工藝路線與硅基工藝路線。

Chares等人經(jīng)過不斷改進(jìn)，于2012年成功制作了采用UV-LIGA工藝，金屬銅為材料，20 mm高爆榴彈的可編程引信MEMS安全系統(tǒng)，此后采用LIGA工藝制作的金屬基MEMS安全系統(tǒng)報(bào)道的文獻(xiàn)較少。

Chares等人提出的微慣性機(jī)械保險邏輯的無源芯片，通過滑塊上齒與框架上齒的碰撞阻擋滑塊的運(yùn)動，達(dá)到區(qū)分發(fā)射環(huán)境與勤務(wù)環(huán)境的目的，齒與齒的碰撞中結(jié)構(gòu)承受巨大的應(yīng)力，只有選用金屬材料才能滿足強(qiáng)度要求；同時，傳爆序列只是傳統(tǒng)火工元件的縮小，隔爆滑塊需要一定的隔爆能力，這也是Chares等人采用金屬基制作MEMS S&A裝置的主要考慮。

金屬基制作MEMS S&A裝置，其材料主要是鎳和銅，抗過載性能好，采用LIGA或者UV-LIGA工藝，可制造較大深寬比的結(jié)構(gòu)，但不能一體化加工，還需要微裝配，其代表性結(jié)構(gòu)是OICW的MEMS S&A裝置。

微納米銅與化學(xué)氣體反應(yīng)原位生成含能材料的方法制作圓柱形微雷管，采用隔離MEMS換能元件與微尺寸起爆藥(微雷管)的方法，其優(yōu)勢在于無含能材料廢物，具有較好的安全性，低起爆能量，集成化程度高，允許完全的引信微型化，采用硅材料，DRIE工藝制作，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

硅基工藝與傳統(tǒng)的微電子工藝有較好的兼容性，采用原位裝藥技術(shù)，可與微傳爆序列一體加工，體積更小，但硅材料的抗沖擊性能較差，其代表性結(jié)構(gòu)是Indian Head為40 mm榴彈開發(fā)了硅基MEMS S&A裝置[4,34-35]。

利用硅工藝，國內(nèi)外研制了諸如加速度、壓力、溫度、地磁、聲、微型陀螺、微型慣性測量組合等硅基MEMS傳感器，可實(shí)現(xiàn)引信對環(huán)境和目標(biāo)的探測、識別、分類的精細(xì)化, 以及對安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換、炸點(diǎn)控制和起爆控制的精確化。

隨著引信MEMS安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展，原位裝藥、噴墨打印裝藥、飛片起爆技術(shù)的應(yīng)用，加速了硅基MEMS S&A裝置的發(fā)展，分層平行基板式硅基MEMS S&A裝置將成為發(fā)展方向[40]。

4.2 微火工品集成于MEMS S&A裝置

傳統(tǒng)的引信S&A裝置與火工品通常是作為一個獨(dú)立部件分開設(shè)計(jì)制造后組裝在一起，其體積質(zhì)量較大不能滿足未來武器彈藥的發(fā)展需求。

原位裝藥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了MEMS S&A裝置與裝藥的集成化制造。微結(jié)構(gòu)換能元、微含能芯片與MEMS S&A裝置一體化的設(shè)計(jì)理念是充分利用MEMS機(jī)構(gòu)作為微型起爆序列的結(jié)構(gòu)件，使得在結(jié)構(gòu)形式上微型起爆序列與微安保機(jī)構(gòu)不可分割，降低引信體積重量，提升引信智能化及高可靠性安全性。如圖22所示的MEMS安解裝置，微火工品集成在MEMS安解裝置中一體化加工，相互匹配，滿足引信的使用環(huán)境。

隨著硅基MEMS安全系統(tǒng)的發(fā)展，MEMS S&A裝置與MEMS起爆裝置高度集成，界限更加模糊并互相滲透、不可分割。

4.3 模塊化的MEMS引信

引信模塊化設(shè)計(jì)的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，對引信系統(tǒng)按其功能分為安全控制、發(fā)火控制、爆炸序列、能源系統(tǒng)等模塊，各模塊按照引信總體設(shè)計(jì)要求和各模塊的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用包括機(jī)械加工等方法制作出結(jié)構(gòu)獨(dú)立的模塊，各功能模塊通過接口、導(dǎo)線連接組合成引信系統(tǒng)[52-53]。2004年引信年會上，美國海軍水面武器中心John Hendershot的報(bào)告中提出“模塊化的MEMS引信”(Modular MEMS Fuze)的概念[54]。MEMS引信模塊是以各類傳感器探測環(huán)境信息，運(yùn)算集成電路智能化控制，從MEMS加工、IC加工工藝出發(fā)，將控制電路、MEMS S&A裝置、含能材料根據(jù)工藝兼容原則，集成設(shè)計(jì)與制作在一片或多片芯片上，引信系統(tǒng)高度集成，形成片上引信，體積更小、重量更輕，適宜于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本和提高可靠性。采用通用的MEMS引信芯片，通過改變裝定參數(shù)和相關(guān)處理軟件，性能易于變化和組合，可大大提高引信的通用性。

5 結(jié)束語

本文分析總結(jié)了慣性力驅(qū)動、電熱驅(qū)動、火藥能量驅(qū)動三種類型MEMS S&A裝置的典型結(jié)構(gòu)、技術(shù)特征。從早期的金屬基工藝制作部件到硅基工藝的一體化制作，MEMS S&A裝置得到了快速的發(fā)展。原位裝藥、噴墨打印裝藥、飛片起爆技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，MEMS S&A裝置將向硅基工藝制作平行基板式結(jié)構(gòu)，與微火工品集成設(shè)計(jì)制造，與微電子系統(tǒng)集成出片上引信的方向發(fā)展。MEMS S&A裝置的不斷發(fā)展為引信微型化、智能化提供了適宜的技術(shù)支撐。