一種引信用固態(tài)安全開關(guān)設(shè)計及模擬分析

王大奎，婁文忠，馮恒振，孫 毅，鄭學(xué)均

(1. 北京電子工程總體研究所，北京 100854； 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；3. 重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401120)

0 引 言

MEMS固態(tài)控制器是一類可以實(shí)現(xiàn)控制功能的MEMS固態(tài)器件，具有結(jié)構(gòu)不可動的特點(diǎn). 固態(tài)開關(guān)是MEMS固態(tài)控制器的代表，具有與固態(tài)控制器同樣的特征，以換能元為主要應(yīng)用. 法國洛倫茲大學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的C. Rossi教授課題組于2005年率先開展了基于MEMS換能元與微量敏感藥劑作用的固態(tài)開關(guān)研究，該開關(guān)基于MEMS體硅工藝同時采用了先進(jìn)的裝藥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在硅片槽型結(jié)構(gòu)中微量裝入敏感藥，該開關(guān)的換能元采用薄膜多晶電阻制作. 該開關(guān)的作用過程為對薄膜電阻通電，根據(jù)焦耳定律電阻溫度升高，電阻通過與其緊貼的SiO2鈍化層間接向敏感藥傳熱，藥劑達(dá)到起爆溫度后爆炸. 將其上方臨近薄膜電阻的金屬導(dǎo)線結(jié)構(gòu)破壞，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)由通到斷轉(zhuǎn)換的目的. 此類以換能元及含能藥劑為核心的應(yīng)用研究的關(guān)鍵在于換能元的性能及含能藥劑的起爆能力控制，但對不含藥劑的換能元應(yīng)用研究較少. 目前僅有C. Rossi教授利用多晶硅電阻薄膜加熱器件表層裸露的鋁金屬導(dǎo)線及鉛錫焊球來分別實(shí)現(xiàn)開關(guān)由通及斷和由斷導(dǎo)通的不含藥劑的固態(tài)開關(guān)[1-3]. 除此之外，尚無其它研究機(jī)構(gòu)開展相關(guān)研究. 南京理工大學(xué)聶偉榮教授課題組仿制了該開關(guān)[4,5]，并完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn).

金屬橋換能元在大電流激發(fā)下(電流>107A/cm2，功率>108W)會產(chǎn)生電爆炸作用. 電爆炸過程會產(chǎn)生金屬蒸汽，由于金屬蒸汽的快速產(chǎn)生與膨脹，電爆炸過程同時伴隨高溫、 高壓與沖擊波，并有發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生[6-8]. 本文基于上述作用利用金屬橋電爆炸過程設(shè)計了MEMS固態(tài)開關(guān). 由于電爆炸過程為不可逆過程，所以本研究中基于金屬橋換能元電爆炸設(shè)計的MEMS固態(tài)開關(guān)組中各開關(guān)均為單向一次性結(jié)構(gòu)，即每種開關(guān)僅可實(shí)現(xiàn)由通及斷或由斷到通的單一過程，且作用后不可恢復(fù). 研究中共設(shè)計兩類開關(guān)——由通及斷型(ON-OFF型)與由斷到通型(OFF-ON型)，4種作用方式——直接電爆炸型、 間接電爆炸破壞型、 間接電熱破壞型與間接電爆炸導(dǎo)通型. 本研究中設(shè)計的MEMS固態(tài)控制器均利用MEMS換能元作為基本動作執(zhí)行元件.

1 固態(tài)開關(guān)模型建立

直接ON-OFF開關(guān)在作用時，金屬橋作為其中的換能和動作執(zhí)行元件在開關(guān)動作過程中發(fā)生的變化與金屬橋完全電爆時相同. 利用COMSOL多物理場有限元分析軟件建立了金屬橋橋區(qū)多層結(jié)構(gòu)傳熱模型，該模型由7層結(jié)構(gòu)組成，分別為硅基底薄層(1)、 底層絕緣層(2)、 金屬橋?qū)?3)、 中間絕緣層(4)、 電路層(5)、 頂層鈍化層(6)與空氣薄層(7). 利用該軟件對上述模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真可以得到模型的熱傳導(dǎo)過程，仿真結(jié)果如圖1～圖3 所示.

圖1 傳熱模型在220 μs時的仿真結(jié)果云圖與截面圖

圖2 模型中不同層對應(yīng)位置處的升溫曲線

由圖1～圖3 中結(jié)果可以看出，在前30 μs的升溫初始階段，模型中橋區(qū)在流過其中電流的作用下溫度升高，同時開始向其它結(jié)構(gòu)層傳熱，此時不同層之間的熱通量由0開始逐漸增加，但由于比熱、 密度等的不同，各層升溫速度不同，30 μs 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此后各層對應(yīng)位置溫差趨于穩(wěn)定，即層間熱通量趨于穩(wěn)定. 所以對開關(guān)建立數(shù)學(xué)模型需考慮對其它各層的熱傳導(dǎo).

2 引信用MEMS固態(tài)控制器組設(shè)計、 模擬與分析

直接ON-OFF開關(guān)本身為金屬橋，為在加工前對其性能進(jìn)行預(yù)估，利用COMSOL Multiphysics多物理場有限元分析軟件對該問題建立實(shí)體模型并求解.

本研究中該問題的實(shí)體模型如圖4 所示： 該模型中空氣層厚度為20 μm，硅襯底厚度20 μm，金屬橋?qū)蛹癝iO2絕緣層均為1 μm，采用COMSOL中的焦耳熱模塊進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析. 激發(fā)源采用電容放電的形式.

圖4 直接ON-OFF開關(guān)仿真實(shí)體模型Fig.4 Direct ON-OFF switch simulation entity model

仿真中為模擬發(fā)生相變后的橋區(qū)及絕緣層的物性參數(shù)，對起主要作用的比熱容作了分段處理，將處于液相、 固相、 氣相的比熱分別描述，所得Al與SiO2的比熱與溫度的關(guān)系如圖5，圖6 所示.

圖5 鋁比熱容隨溫度變化曲線Fig.5 Curve of aluminum specific heat capacity with temperature

圖6 SiO2比熱容隨溫度變化曲線Fig.6 SiO2 specific heat capacity curve with temperature

仿真中的橋區(qū)為長40 μm、 寬20 μm厚度為1 μm 的鋁橋，在初始電壓1.5 V的電容放電激發(fā)下可得仿真云圖如圖7 所示. 從圖7(a)中可以看出橋區(qū)產(chǎn)生的熱量向空氣中產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，最高溫度為2 983 K，大于鋁的熔點(diǎn)2 773.5 K可以認(rèn)為此時橋區(qū)已爆發(fā). 橋區(qū)在該時刻的溫度分布云圖如圖7(b)所示，由圖中可以看出橋區(qū)為溫度最高區(qū)域.

(a) 考慮對流換熱的仿真結(jié)果

(b) 開關(guān)在爆發(fā)時的溫度分布云圖圖7 直接ON-OFF開關(guān)仿真云圖Fig.7 Direct ON-OFF switch simulation cloud

橋區(qū)產(chǎn)生的熱量還向與橋區(qū)緊鄰的SiO2絕緣層及空氣層擴(kuò)散，并通過SiO2絕緣層擴(kuò)散至硅基底，其擴(kuò)散形式可認(rèn)為是以橋區(qū)為中心的熱點(diǎn)球形擴(kuò)散模型，擴(kuò)散過程的等溫面與等值面圖如圖8 所示. 橋區(qū)處的局部溫度分布云圖如圖9 所示. 由圖8 可以看出，在橋區(qū)達(dá)到爆發(fā)溫度時，橋區(qū)向外界通過對流及傳導(dǎo)的方式散射熱量較小，雖然SiO2薄層厚度較小，但其內(nèi)部溫度衰減依然較大. 可以認(rèn)為前述假設(shè)合理.

圖8 直接電爆炸開關(guān)等溫面圖與等值線圖Fig.8 Isothermal surface and isoline diagram ofdirect electric explosion switch

圖9 仿真橋區(qū)截面云圖Fig.9 Cross-section cloud image of the simulated bridge area

圖9 為仿真云圖截面圖，由圖9 可以看出，橋區(qū)為模型中溫度最高處，符合橋區(qū)升溫最迅速，達(dá)到汽化溫度后爆發(fā)的特點(diǎn). 橋區(qū)溫度時間曲線如圖10 所示.

圖10 橋區(qū)局部溫度時間曲線圖Fig.10 Local temperature time curve of the bridge area

橋區(qū)中任一點(diǎn)的溫度隨時間的變化曲線如圖11(a)所示，未能將橋區(qū)斷開后導(dǎo)致電流歸零的變化特性在仿真中描述出，此曲線表示電容中儲存的能量大于橋區(qū)爆發(fā)所需的能量，則橋區(qū)可以爆發(fā)，圖11(a)中圓點(diǎn)后的曲線(t>2×10-6s)應(yīng)不存在. 同理若電容上存儲能量不足(電壓1.0 V)，無法使橋區(qū)起爆，則其溫度時間曲線如圖11(b)所示，當(dāng)溫度達(dá)到最大時仍未實(shí)現(xiàn)橋區(qū)熔斷.

(a) 電容電壓為1.5 V時的溫度時間曲線

(b) 電容電壓為1 V時的溫度時間曲線圖11 橋區(qū)爆發(fā)與未爆發(fā)時的溫度-時間曲線Fig.11 Temperature-time curve of the bridge areawhen it bursts and does not burst

3 結(jié) 論

本文對MEMS固態(tài)控制器進(jìn)行了定義，并對多種MEMS換能元進(jìn)行了對比，得出金屬橋換能元是最適合MEMS固態(tài)控制器的內(nèi)部動作執(zhí)行元件.

在對MEMS金屬橋的研究基礎(chǔ)上，建立了MEMS固態(tài)控制器的數(shù)學(xué)模型，給出了MEMS固態(tài)控制器作用限定條件. 并利用Matlab工具進(jìn)行了數(shù)值計算得到了相關(guān)規(guī)律.

利用COMSOL軟件對MEMS固態(tài)控制器的實(shí)體模型進(jìn)行了仿真，得到了與數(shù)值計算類似的結(jié)果，驗(yàn)證了理論模型的正確性. 建立了理論計算仿真與實(shí)際加工測試間的聯(lián)系，為MEMS固態(tài)控制器的設(shè)計加工提供了理論依據(jù).