微起爆系统中mems安全与解除保险装置发展综述

微起爆系统中mems安全与解除保险装置发展综述

1微机电系统mems火炬工品本手册是指装有点燃料、爆炸、烟雾剂、炸药等含能材料的材料。受到外部刺激后，它会燃烧或爆炸，带有燃料、爆炸、采矿和机械操作等统一使用的器官和设备的总称。火工品是武器系统的首发元件和最敏感部件，火工品的安全性、可靠性直接影响武器系统的安全性、可靠性。火工品技术不只受到武器系统发展需求的牵引，也对武器系统的发展有着推动作用。受武器系统微型化、智能化等发展需求，结合微机电系统（MEMS）技术，火工品的主要发展方向是以信息化、集成化和微型化为主要特点的第四代火工品，即MEMS火工品。MEMS火工品采用微机电的设计思想和制造技术，将微结构换能元、微装药组件、微含能器件、控制电路、微作动机构等集成在一片基片上，形成具有功能可选择、信息可识别和内置安保机构的火工品或火工芯片利用MEMS技术在微纳米级的高制造精度，MEMS安全与解除保险装置（MEMSS&Adevices）的概念应运而生。MEMS安保装置是研究MEMS火工品需要解决的关键技术之一，是保障MEMS火工品安全性和可靠性的关键部件。火工品内嵌MEMS安保装置是在引信MEMS安保装置的基础上将MEMS安保装置与火工品更进一步进行集成，实现火工品与引信功能的融合发展。作为新一代微起爆系统的关键组成部分，MEMS安全保险装置的发展将对其功能集成、安全控制设计产生重大影响。针对MEMS集成火工品序列的安全性问题，本文从现有的MEMS安保装置的制造材料、装置尺寸、驱动原理、驱动条件、输出效能、应用平台等多个方面进行了归纳整理，并探讨了其与火工品的集成与发展重点方向。2mems安保装置的驱动方案MEMS工艺技术主要解决安保装置小型化、集成化制造问题，但是其应用原理特别是驱动方式应与典型弹药平台环境力相匹配或采取专门设计。MEMS安保装置按照解除保险的微作动机构的不同可分为机械环境力驱动、火药力驱动、电磁力驱动、电热力驱动和压电原理驱动等。微作动机构是指MEMS安保装置中使用的作动器，主要为安保装置的隔板提供推力或位移。微作动机构是MEMS安保装置中重要组成部分，担负着安保装置内的能量转换、运动和力的传递以及对系统信息进行响应等功能2.1mems安保装置稳定性影响机械环境力驱动的MEMS安保装置，保险滑块通过感应环境力，如后坐力、离心力，当环境力满足预设条件后，保险滑块移动至发火位置，将装置由安全状态转变为发火状态。美国陆军武器研发中心（ARDEC）的CharlesH.RobinsonCharlesH.Robinson为了降低制造难度，JihunJeong为了解决UV-LIGA技术制造中的误差问题，YUQIN等2012年，WangWei可移动保险滑块需要有一定的厚度才可成功阻隔爆轰能力，并且滑块的侧面具有较高的深宽比，因此WangWei2014年，WangFufu等2016年，史春景等史春景等2017年，DakuiWang等2018年，刘章等机械环境力驱动的MEMS安保装置大多是平行于弹轴放置，这使得在微传爆序列中产生的爆轰能量在传递时会改变方向造成能量的损失，甚至会导致无法引爆下一级装药进而造成“哑弹”现象；并且安保装置中闭锁机构易发生塑性形变。徐娜等目前大多数机械环境力驱动的MEMS安保装置基于金属基板（镍或铜），由于金属材料具有良好的防爆性能2.2药能型mems安保装置火药力驱动的MEMS安保装置通过烟火药剂产生高温高压气体推动装置内的滑块，使爆炸序列对正，装置由安全状态转变为发火状态。2010年法国国家科研中心（CNRS）系统结构分析实验室（LAAS)该装置通过低压化学气相沉积（low-pressurechemicalvapordeposition）、反应离子刻蚀（reactiveionetching）、等离子体增强化学气相沉积（plasma-enhancedchemicalvapordeposition）和深反应离子刻蚀（deepreactiveionetching）制作而成。装置整体基于硅基底，整体尺寸为8.4mm×7.4mm×3mm（不含电路层），触发起爆器的电流为53mA。为了降低热损失，起爆器与敏感药剂间仅用400nmSiO南京理工大学的朱朋等2018年，南京理工大学的侯刚2016年，李国中2021年，耿万钧等该滑块作动器的止推、止退结构为过盈配合结构。在作用前，过盈结构可以将滑块锁定在安全位置；作用后，气体产物对滑块的推力大于过盈结构的摩擦力时，滑块可被压缩变形“进入”过盈结构部分，滑块运动到发火位置后，过盈结构的摩擦力又可防止滑块重新“返回”安全位置。火药力驱动的安保装置有如下优点：（1）与传统机械环境力驱动的MEMS安保装置相比，火药力驱动的MEMS安保装置中更多使用硅材料并采用MEMS技术制造，因此具有更小的体积和更轻的质量；（2）不受环境力约束；（3）小尺寸可实现大位移。但是由于微/纳含能材料的制备工艺与MEMS技术不兼容，通常在器件制造完成后才能进行含能材料的填充2.3基于电磁微效率的mems安保电磁力驱动的MEMS安保装置通过装置内的电磁线圈产生电磁力使隔板滑块位移，解除保险，装置由安全状态转变为发火状态。WalterH.Maurer2009年，ZhanwenXI等在Walter上述电磁驱动安保装置的体积过大，不易于集成。为解决这一问题，北京理工大学SunYi等上述三种电磁力驱动的安保装置都需要在装置中引入电磁线圈，这不能满足微起爆系统微型化的技术要求，因此需要寻找一种新的电磁微驱动器，对其进行结构优化或改良，并尝试将其应用于MEMS安保装置中。XingdongLv磁流变液（MagnetorheologicalFluid，简称MR流体）是一种独特的智能材料，一般是微米级或纳米级的铁磁颗粒（一般为羰基铁颗粒）沉浸在非磁性载液中所形成的悬浮液，同时还有少量的其他辅助溶液。根据载液的不同可以分为磁流变液和磁流变脂2018年，JiaJiaZheng等在适当的弹丸旋转速度（>20000r·min为使引信或安保装置能够通过外部供电电路和判断电路判别电磁保险的安全状态和解保状态，王海龙等磁力驱动的安保装置几乎不受发射环境的影响，这可以很大程度地提高武器系统的环境适应性2.4硅基安保装置电热微作动器是基于材料的焦耳热效应和热膨胀原理进行工作的，是一种典型的电-热-机耦合系统2016年，XiuyuanLi等西安交通大学的胡腾江2017年，XiaodongZhou等胡腾江20世纪90年代，美国桑迪亚国家实验室（SandiaNationalLaboratories)为了解决上述装置的缺陷，同时减少强电磁环境对MEMS安保装置的影响，获得更微型化、具有“密码锁定”功能，且易于与微起爆序列集成的MEMS安保装置，中国工程物理研究院化工材料研究所的房旷2020年，YuecenZhao等电热原理驱动的MEMS安保装置基于硅基，这使得这类安保装置具有低成本、可批量生产、易于制造等特点硅基安保装置具有小型化和集成化的特点，然而受硅材料性质（脆性）2.5压电原理驱动压电微作动器是利用压电材料（如陶瓷）具有逆压电效应而制成的作动器。压电材料在受到外力作用后，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，这种现象称为压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。压电微作动器具有结构简单、快速响应、重量轻、功耗小、在断电状态可以自锁及受电磁干扰小等优点2020年，DongSun该H型压电作动器的工作原理示意图如图30所示，当交流信号施加到纵振压电陶瓷片上时，H型压电作动器激励产生一阶对称纵振，此时驱动足在水平方向上产生伸缩运动；当交流信号施加到弯振压电陶瓷片上时，H型压电作动器激励产生二阶对称弯，此时驱动足在垂直方向上上下运动。当相位差为90°的交流信号分别施加到纵振与弯振压电陶瓷片上，在驱动足上形成相位差为180°椭圆运动。若在H型压电作动器的两侧施加平行导轨，在驱动足与导轨之间摩擦力的作用下，驱动足的椭圆运动将驱动H型压电作动器前行。在120V的交变电压驱动下，H型压电作动器可在25ms内实现3mm的固定位移，使传火通道与传火孔对正，完成解保；当输入相反的信号时，装置可重新返回安全状态，传火通道与传火孔再次错位。解除保险的最大速度与恢复保险的最大速度分别为120.6mm·s2.6ms安保装置在微米级尺寸下，惯性力的作用受到限制，在非旋转或无后坐力的武器中无法将通过机械环境力解保的方式应用于MEMS安保装置。针对此技术难点，将机械环境力与其他解保方式结合，如电热力解保，形成多原理共同驱动的MEMS安保装置。TaylorT.Young2020年，胡腾江等上述两种由多原理共同驱动的MEMS安保装置融合了电热力驱动和机械环境力驱动的优点，为武器系统增加了发火信号的多样性，扩展了其在复杂战场环境下的应用前景3火灾样品和as-s安全系统的综合设计3.1非硅基安保装置基于不同驱动原理的MEMS安保装置可总结如表1。通过对以上不同驱动方式的MEMS安保装置进行对比总结，可按制造材料类型将其分为非硅基类和硅基类。非硅基安保装置可通过感应环境力的改变，实现解除保险的功能。但是非硅基安保装置体积大、智能化控制程度低，无法满足现代武器系统微型化、智能化的发展需求。而硅基安保装置，如电热安保装置，易于电信号输入控制，结合传感器技术，利用电热驱动器实现保险的解除，将通过环境力的被动解保方式转变为由电信号控制的主动解保方式，具有更强的设计可拓展性；并且在电控条件下，安保装置的输出更精准，输出位移可达0.5～2mm。硅基安保装置与微电子加工工艺有很好的兼容性，可实现与MEMS火工品的一体化集成，为MEMS火工品增添在复杂作战环境中信息识别及发火控制的功能。3.2ss火工品的集成根据爆炸序列中实现隔断的结构不同，可将爆炸序列分为直列式爆炸序列和错位式爆炸序列。其中直列式爆炸序列是指序列中的爆炸元件或含能药剂一直处于对正位置，序列主要依靠爆炸元件自身的感度满足安全性要求，进而保证勤务状态下的安全性，若初始元件或药剂的感度过高，会导致整体系统的安全性较差；而错位式爆炸序列是指在勤务状态下，将敏感爆炸元件产生的能量与下一级的爆炸元件或药剂隔断，保证初始元件意外发火不会引爆下一级装药但是随着高新技术的出现和快速发展，爆炸序列中可以不含有敏感元件或药剂，序列的安全性通过安全保险装置得到保证。这种内置安全保险装置的爆炸序列，在保证安全性和可靠性的同时又很大程度上简化了序列的结构，减小了序列的体积，符合武器系统微型化的发展需求MEMS火工品是采用微细加工技术和微装药技术将多个含能单元、微机械系统和微电子系统集成为具有多功能的含能模块或芯片。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点，与传统火工品相比，其具备更高的安全性和可靠性。MEMS安全保险装置能够与含能复合薄膜换能元集成，形成具有高度集成化、高安全可靠性特点MEMS火工品。这种MEMS火工品将微结构换能元、微纳含能药剂与微安全机构进行了一体化集成设计，可实现起爆、传爆、隔爆等功能，提高了火工品的安全性与可靠性，符合下一代火工品的发展方向这种内置安全保险装置的MEMS火工品主要由起爆器、盖板、安保装置及PCB板组成，如图33所示。其中主要功能部件为起爆器和安保装置。起爆器由含能复合薄膜换能元组成；安保装置为由微执行器驱动的隔断机构，可实现隔板的大位移运动。作用原理如图34所示，在安全状态下，安保装置中的隔板将起爆器与传爆孔隔断，起爆器产生的火焰无法通过传爆孔引爆下一级装药；当接收到解保指令后，隔断机构中的隔板打开，使起爆器与传爆孔对正，起爆器产生的火焰可成功引发下一级装药。2021年，胡腾江等通过装配平台，将MEMS安保装置中的传火通道与涂有环氧胶EPO330的MEMS换能元中的镍铬桥对准。在110℃和0.1MPa的条件下，MEMS换能元和MEMS安保装置紧密结合在一起，形成具有内置安保装置的MEMS火工品。考虑到控制信号（低电流）与发火信号（大电流）之间的差异，采用直径25μm的金线实现MEMS安保装置与PCB板之间的连接，MEMS换能元通过焊接与PCB板连接。内置安全保险装置的MEMS火工品，即将MEMS安保装置与MEMS火工品集成，在火工品层面上实现安全保险控制的功能。通过电信号主动控制保险机构动作，可实现微起爆序列的隔断与对正，有效地提高了火工品的安全性和可靠性，结合微尺度传爆序列技术、MEMS技术及先进微机械加工技术实现其微型化智能化设计，符合下一代火工品的发展要求，为新型火工品的设计提供了参考。4mems安保装置的未来发展趋势20世纪初提出了MEMS安保装置的概念，经过近二十年的发展，其集成化、小型化和智能化的器件特性已经得到广泛应用。目前，MEMS安保装置的发展趋势可总结为以下三点：(1）增加输出位移。微含能材料的输出能量密度远高于传统的宏观含能材料，因此需要MEMS安保装置提供更大的输出位移，以保证器件的整体安全性能。目前可达到微米级的输出位移。(2）主动的驱动方式。早期的MEMS安保装置只能在特定的惯性环境下驱动，这种被动驱动方式很难满足当前复杂的战场环境要求。而主动驱动方式，例如电热驱动，能更好地满足下一代武器系统智能化的发展需求。(3）精密的结构。MEMS安保装置的制造方法逐渐由LIGA工艺转变为