微起爆系統(tǒng)中mems安全與解除保險(xiǎn)裝置發(fā)展綜述

微起爆系統(tǒng)中mems安全與解除保險(xiǎn)裝置發(fā)展綜述

1微機(jī)電系統(tǒng)mems火炬工品本手冊(cè)是指裝有點(diǎn)燃料、爆炸、煙霧劑、炸藥等含能材料的材料。受到外部刺激后，它會(huì)燃燒或爆炸，帶有燃料、爆炸、采礦和機(jī)械操作等統(tǒng)一使用的器官和設(shè)備的總稱?；鸸て肥俏淦飨到y(tǒng)的首發(fā)元件和最敏感部件，火工品的安全性、可靠性直接影響武器系統(tǒng)的安全性、可靠性?；鸸て芳夹g(shù)不只受到武器系統(tǒng)發(fā)展需求的牽引，也對(duì)武器系統(tǒng)的發(fā)展有著推動(dòng)作用。受武器系統(tǒng)微型化、智能化等發(fā)展需求，結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，火工品的主要發(fā)展方向是以信息化、集成化和微型化為主要特點(diǎn)的第四代火工品，即MEMS火工品。MEMS火工品采用微機(jī)電的設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)，將微結(jié)構(gòu)換能元、微裝藥組件、微含能器件、控制電路、微作動(dòng)機(jī)構(gòu)等集成在一片基片上，形成具有功能可選擇、信息可識(shí)別和內(nèi)置安保機(jī)構(gòu)的火工品或火工芯片利用MEMS技術(shù)在微納米級(jí)的高制造精度，MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置（MEMSS&Adevices）的概念應(yīng)運(yùn)而生。MEMS安保裝置是研究MEMS火工品需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，是保障MEMS火工品安全性和可靠性的關(guān)鍵部件?；鸸て穬?nèi)嵌MEMS安保裝置是在引信MEMS安保裝置的基礎(chǔ)上將MEMS安保裝置與火工品更進(jìn)一步進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)火工品與引信功能的融合發(fā)展。作為新一代微起爆系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，MEMS安全保險(xiǎn)裝置的發(fā)展將對(duì)其功能集成、安全控制設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。針對(duì)MEMS集成火工品序列的安全性問題，本文從現(xiàn)有的MEMS安保裝置的制造材料、裝置尺寸、驅(qū)動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)條件、輸出效能、應(yīng)用平臺(tái)等多個(gè)方面進(jìn)行了歸納整理，并探討了其與火工品的集成與發(fā)展重點(diǎn)方向。2mems安保裝置的驅(qū)動(dòng)方案MEMS工藝技術(shù)主要解決安保裝置小型化、集成化制造問題，但是其應(yīng)用原理特別是驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)與典型彈藥平臺(tái)環(huán)境力相匹配或采取專門設(shè)計(jì)。MEMS安保裝置按照解除保險(xiǎn)的微作動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可分為機(jī)械環(huán)境力驅(qū)動(dòng)、火藥力驅(qū)動(dòng)、電磁力驅(qū)動(dòng)、電熱力驅(qū)動(dòng)和壓電原理驅(qū)動(dòng)等。微作動(dòng)機(jī)構(gòu)是指MEMS安保裝置中使用的作動(dòng)器，主要為安保裝置的隔板提供推力或位移。微作動(dòng)機(jī)構(gòu)是MEMS安保裝置中重要組成部分，擔(dān)負(fù)著安保裝置內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)和力的傳遞以及對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行響應(yīng)等功能2.1mems安保裝置穩(wěn)定性影響機(jī)械環(huán)境力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置，保險(xiǎn)滑塊通過感應(yīng)環(huán)境力，如后坐力、離心力，當(dāng)環(huán)境力滿足預(yù)設(shè)條件后，保險(xiǎn)滑塊移動(dòng)至發(fā)火位置，將裝置由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)火狀態(tài)。美國(guó)陸軍武器研發(fā)中心（ARDEC）的CharlesH.RobinsonCharlesH.Robinson為了降低制造難度，JihunJeong為了解決UV-LIGA技術(shù)制造中的誤差問題，YUQIN等2012年，WangWei可移動(dòng)保險(xiǎn)滑塊需要有一定的厚度才可成功阻隔爆轟能力，并且滑塊的側(cè)面具有較高的深寬比，因此WangWei2014年，WangFufu等2016年，史春景等史春景等2017年，DakuiWang等2018年，劉章等機(jī)械環(huán)境力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置大多是平行于彈軸放置，這使得在微傳爆序列中產(chǎn)生的爆轟能量在傳遞時(shí)會(huì)改變方向造成能量的損失，甚至?xí)?dǎo)致無法引爆下一級(jí)裝藥進(jìn)而造成“啞彈”現(xiàn)象；并且安保裝置中閉鎖機(jī)構(gòu)易發(fā)生塑性形變。徐娜等目前大多數(shù)機(jī)械環(huán)境力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置基于金屬基板（鎳或銅），由于金屬材料具有良好的防爆性能2.2藥能型mems安保裝置火藥力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置通過煙火藥劑產(chǎn)生高溫高壓氣體推動(dòng)裝置內(nèi)的滑塊，使爆炸序列對(duì)正，裝置由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)火狀態(tài)。2010年法國(guó)國(guó)家科研中心（CNRS）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室（LAAS)該裝置通過低壓化學(xué)氣相沉積（low-pressurechemicalvapordeposition）、反應(yīng)離子刻蝕（reactiveionetching）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（plasma-enhancedchemicalvapordeposition）和深反應(yīng)離子刻蝕（deepreactiveionetching）制作而成。裝置整體基于硅基底，整體尺寸為8.4mm×7.4mm×3mm（不含電路層），觸發(fā)起爆器的電流為53mA。為了降低熱損失，起爆器與敏感藥劑間僅用400nmSiO南京理工大學(xué)的朱朋等2018年，南京理工大學(xué)的侯剛2016年，李國(guó)中2021年，耿萬鈞等該滑塊作動(dòng)器的止推、止退結(jié)構(gòu)為過盈配合結(jié)構(gòu)。在作用前，過盈結(jié)構(gòu)可以將滑塊鎖定在安全位置；作用后，氣體產(chǎn)物對(duì)滑塊的推力大于過盈結(jié)構(gòu)的摩擦力時(shí)，滑塊可被壓縮變形“進(jìn)入”過盈結(jié)構(gòu)部分，滑塊運(yùn)動(dòng)到發(fā)火位置后，過盈結(jié)構(gòu)的摩擦力又可防止滑塊重新“返回”安全位置。火藥力驅(qū)動(dòng)的安保裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）與傳統(tǒng)機(jī)械環(huán)境力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置相比，火藥力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置中更多使用硅材料并采用MEMS技術(shù)制造，因此具有更小的體積和更輕的質(zhì)量；（2）不受環(huán)境力約束；（3）小尺寸可實(shí)現(xiàn)大位移。但是由于微/納含能材料的制備工藝與MEMS技術(shù)不兼容，通常在器件制造完成后才能進(jìn)行含能材料的填充2.3基于電磁微效率的mems安保電磁力驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置通過裝置內(nèi)的電磁線圈產(chǎn)生電磁力使隔板滑塊位移，解除保險(xiǎn)，裝置由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)火狀態(tài)。WalterH.Maurer2009年，ZhanwenXI等在Walter上述電磁驅(qū)動(dòng)安保裝置的體積過大，不易于集成。為解決這一問題，北京理工大學(xué)SunYi等上述三種電磁力驅(qū)動(dòng)的安保裝置都需要在裝置中引入電磁線圈，這不能滿足微起爆系統(tǒng)微型化的技術(shù)要求，因此需要尋找一種新的電磁微驅(qū)動(dòng)器，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或改良，并嘗試將其應(yīng)用于MEMS安保裝置中。XingdongLv磁流變液（MagnetorheologicalFluid，簡(jiǎn)稱MR流體）是一種獨(dú)特的智能材料，一般是微米級(jí)或納米級(jí)的鐵磁顆粒（一般為羰基鐵顆粒）沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液，同時(shí)還有少量的其他輔助溶液。根據(jù)載液的不同可以分為磁流變液和磁流變脂2018年，JiaJiaZheng等在適當(dāng)?shù)膹椡栊D(zhuǎn)速度（>20000r·min為使引信或安保裝置能夠通過外部供電電路和判斷電路判別電磁保險(xiǎn)的安全狀態(tài)和解保狀態(tài)，王海龍等磁力驅(qū)動(dòng)的安保裝置幾乎不受發(fā)射環(huán)境的影響，這可以很大程度地提高武器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性2.4硅基安保裝置電熱微作動(dòng)器是基于材料的焦耳熱效應(yīng)和熱膨脹原理進(jìn)行工作的，是一種典型的電-熱-機(jī)耦合系統(tǒng)2016年，XiuyuanLi等西安交通大學(xué)的胡騰江2017年，XiaodongZhou等胡騰江20世紀(jì)90年代，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SandiaNationalLaboratories)為了解決上述裝置的缺陷，同時(shí)減少?gòu)?qiáng)電磁環(huán)境對(duì)MEMS安保裝置的影響，獲得更微型化、具有“密碼鎖定”功能，且易于與微起爆序列集成的MEMS安保裝置，中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所的房曠2020年，YuecenZhao等電熱原理驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置基于硅基，這使得這類安保裝置具有低成本、可批量生產(chǎn)、易于制造等特點(diǎn)硅基安保裝置具有小型化和集成化的特點(diǎn)，然而受硅材料性質(zhì)（脆性）2.5壓電原理驅(qū)動(dòng)壓電微作動(dòng)器是利用壓電材料（如陶瓷）具有逆壓電效應(yīng)而制成的作動(dòng)器。壓電材料在受到外力作用后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)；相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電微作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快速響應(yīng)、重量輕、功耗小、在斷電狀態(tài)可以自鎖及受電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)2020年，DongSun該H型壓電作動(dòng)器的工作原理示意圖如圖30所示，當(dāng)交流信號(hào)施加到縱振壓電陶瓷片上時(shí)，H型壓電作動(dòng)器激勵(lì)產(chǎn)生一階對(duì)稱縱振，此時(shí)驅(qū)動(dòng)足在水平方向上產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)；當(dāng)交流信號(hào)施加到彎振壓電陶瓷片上時(shí)，H型壓電作動(dòng)器激勵(lì)產(chǎn)生二階對(duì)稱彎，此時(shí)驅(qū)動(dòng)足在垂直方向上上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)相位差為90°的交流信號(hào)分別施加到縱振與彎振壓電陶瓷片上，在驅(qū)動(dòng)足上形成相位差為180°橢圓運(yùn)動(dòng)。若在H型壓電作動(dòng)器的兩側(cè)施加平行導(dǎo)軌，在驅(qū)動(dòng)足與導(dǎo)軌之間摩擦力的作用下，驅(qū)動(dòng)足的橢圓運(yùn)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)H型壓電作動(dòng)器前行。在120V的交變電壓驅(qū)動(dòng)下，H型壓電作動(dòng)器可在25ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)3mm的固定位移，使傳火通道與傳火孔對(duì)正，完成解保；當(dāng)輸入相反的信號(hào)時(shí)，裝置可重新返回安全狀態(tài)，傳火通道與傳火孔再次錯(cuò)位。解除保險(xiǎn)的最大速度與恢復(fù)保險(xiǎn)的最大速度分別為120.6mm·s2.6ms安保裝置在微米級(jí)尺寸下，慣性力的作用受到限制，在非旋轉(zhuǎn)或無后坐力的武器中無法將通過機(jī)械環(huán)境力解保的方式應(yīng)用于MEMS安保裝置。針對(duì)此技術(shù)難點(diǎn)，將機(jī)械環(huán)境力與其他解保方式結(jié)合，如電熱力解保，形成多原理共同驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置。TaylorT.Young2020年，胡騰江等上述兩種由多原理共同驅(qū)動(dòng)的MEMS安保裝置融合了電熱力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械環(huán)境力驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，為武器系統(tǒng)增加了發(fā)火信號(hào)的多樣性，擴(kuò)展了其在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用前景3火災(zāi)樣品和as-s安全系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)3.1非硅基安保裝置基于不同驅(qū)動(dòng)原理的MEMS安保裝置可總結(jié)如表1。通過對(duì)以上不同驅(qū)動(dòng)方式的MEMS安保裝置進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，可按制造材料類型將其分為非硅基類和硅基類。非硅基安保裝置可通過感應(yīng)環(huán)境力的改變，實(shí)現(xiàn)解除保險(xiǎn)的功能。但是非硅基安保裝置體積大、智能化控制程度低，無法滿足現(xiàn)代武器系統(tǒng)微型化、智能化的發(fā)展需求。而硅基安保裝置，如電熱安保裝置，易于電信號(hào)輸入控制，結(jié)合傳感器技術(shù)，利用電熱驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)的解除，將通過環(huán)境力的被動(dòng)解保方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娦盘?hào)控制的主動(dòng)解保方式，具有更強(qiáng)的設(shè)計(jì)可拓展性；并且在電控條件下，安保裝置的輸出更精準(zhǔn)，輸出位移可達(dá)0.5～2mm。硅基安保裝置與微電子加工工藝有很好的兼容性，可實(shí)現(xiàn)與MEMS火工品的一體化集成，為MEMS火工品增添在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中信息識(shí)別及發(fā)火控制的功能。3.2ss火工品的集成根據(jù)爆炸序列中實(shí)現(xiàn)隔斷的結(jié)構(gòu)不同，可將爆炸序列分為直列式爆炸序列和錯(cuò)位式爆炸序列。其中直列式爆炸序列是指序列中的爆炸元件或含能藥劑一直處于對(duì)正位置，序列主要依靠爆炸元件自身的感度滿足安全性要求，進(jìn)而保證勤務(wù)狀態(tài)下的安全性，若初始元件或藥劑的感度過高，會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)的安全性較差；而錯(cuò)位式爆炸序列是指在勤務(wù)狀態(tài)下，將敏感爆炸元件產(chǎn)生的能量與下一級(jí)的爆炸元件或藥劑隔斷，保證初始元件意外發(fā)火不會(huì)引爆下一級(jí)裝藥但是隨著高新技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，爆炸序列中可以不含有敏感元件或藥劑，序列的安全性通過安全保險(xiǎn)裝置得到保證。這種內(nèi)置安全保險(xiǎn)裝置的爆炸序列，在保證安全性和可靠性的同時(shí)又很大程度上簡(jiǎn)化了序列的結(jié)構(gòu)，減小了序列的體積，符合武器系統(tǒng)微型化的發(fā)展需求MEMS火工品是采用微細(xì)加工技術(shù)和微裝藥技術(shù)將多個(gè)含能單元、微機(jī)械系統(tǒng)和微電子系統(tǒng)集成為具有多功能的含能模塊或芯片。MEMS火工品具有微型化、集成化、多功能化、高精度和高可靠性的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)火工品相比，其具備更高的安全性和可靠性。MEMS安全保險(xiǎn)裝置能夠與含能復(fù)合薄膜換能元集成，形成具有高度集成化、高安全可靠性特點(diǎn)MEMS火工品。這種MEMS火工品將微結(jié)構(gòu)換能元、微納含能藥劑與微安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一體化集成設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)起爆、傳爆、隔爆等功能，提高了火工品的安全性與可靠性，符合下一代火工品的發(fā)展方向這種內(nèi)置安全保險(xiǎn)裝置的MEMS火工品主要由起爆器、蓋板、安保裝置及PCB板組成，如圖33所示。其中主要功能部件為起爆器和安保裝置。起爆器由含能復(fù)合薄膜換能元組成；安保裝置為由微執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的隔斷機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)隔板的大位移運(yùn)動(dòng)。作用原理如圖34所示，在安全狀態(tài)下，安保裝置中的隔板將起爆器與傳爆孔隔斷，起爆器產(chǎn)生的火焰無法通過傳爆孔引爆下一級(jí)裝藥；當(dāng)接收到解保指令后，隔斷機(jī)構(gòu)中的隔板打開，使起爆器與傳爆孔對(duì)正，起爆器產(chǎn)生的火焰可成功引發(fā)下一級(jí)裝藥。2021年，胡騰江等通過裝配平臺(tái)，將MEMS安保裝置中的傳火通道與涂有環(huán)氧膠EPO330的MEMS換能元中的鎳鉻橋?qū)?zhǔn)。在110℃和0.1MPa的條件下，MEMS換能元和MEMS安保裝置緊密結(jié)合在一起，形成具有內(nèi)置安保裝置的MEMS火工品?？紤]到控制信號(hào)（低電流）與發(fā)火信號(hào)（大電流）之間的差異，采用直徑25μm的金線實(shí)現(xiàn)MEMS安保裝置與PCB板之間的連接，MEMS換能元通過焊接與PCB板連接。內(nèi)置安全保險(xiǎn)裝置的MEMS火工品，即將MEMS安保裝置與MEMS火工品集成，在火工品層面上實(shí)現(xiàn)安全保險(xiǎn)控制的功能。通過電信號(hào)主動(dòng)控制保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)微起爆序列的隔斷與對(duì)正，有效地提高了火工品的安全性和可靠性，結(jié)合微尺度傳爆序列技術(shù)、MEMS技術(shù)及先進(jìn)微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)其微型化智能化設(shè)計(jì)，符合下一代火工品的發(fā)展要求，為新型火工品的設(shè)計(jì)提供了參考。4mems安保裝置的未來發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì)初提出了MEMS安保裝置的概念，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，其集成化、小型化和智能化的器件特性已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前，MEMS安保裝置的發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為以下三點(diǎn)：(1）增加輸出位移。微含能材料的輸出能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的宏觀含能材料，因此需要MEMS安保裝置提供更大的輸出位移，以保證器件的整體安全性能。目前可達(dá)到微米級(jí)的輸出位移。(2）主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。早期的MEMS安保裝置只能在特定的慣性環(huán)境下驅(qū)動(dòng)，這種被動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式很難滿足當(dāng)前復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要求。而主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，例如電熱驅(qū)動(dòng)，能更好地滿足下一代武器系統(tǒng)智能化的發(fā)展需求。(3）精密的結(jié)構(gòu)。MEMS安保裝置的制造方法逐漸由LIGA工藝轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>