微起爆系統(tǒng)中mems安全與解除保險裝置發(fā)展綜述

微起爆系統(tǒng)中mems安全與解除保險裝置發(fā)展綜述

1微機電系統(tǒng)mems火炬工品本手冊是指裝有點燃料、爆炸、煙霧劑、炸藥等含能材料的材料。受到外部刺激后，它會燃燒或爆炸，帶有燃料、爆炸、采礦和機械操作等統(tǒng)一使用的器官和設備的總稱?；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不只受到武器系統(tǒng)發(fā)展需求的牽引，也對武器系統(tǒng)的發(fā)展有著推動作用。受武器系統(tǒng)微型化、智能化等發(fā)展需求，結合微機電系統(tǒng)（MEMS）技術，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的第四代火工品，即MEMS火工品。MEMS火工品采用微機電的設計思想和制造技術，將微結構換能元、微裝藥組件、微含能器件、控制電路、微作動機構等集成在一片基片上，形成具有功能可選擇、信息可識別和內置安保機構的火工品或火工芯片利用MEMS技術在微納米級的高制造精度，MEMS安全與解除保險裝置（MEMSS&Adevices）的概念應運而生。MEMS安保裝置是研究MEMS火工品需要解決的關鍵技術之一，是保障MEMS火工品安全性和可靠性的關鍵部件?；鸸て穬惹禡EMS安保裝置是在引信MEMS安保裝置的基礎上將MEMS安保裝置與火工品更進一步進行集成，實現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)的關鍵組成部分，MEMS安全保險裝置的發(fā)展將對其功能集成、安全控制設計產生重大影響。針對MEMS集成火工品序列的安全性問題，本文從現有的MEMS安保裝置的制造材料、裝置尺寸、驅動原理、驅動條件、輸出效能、應用平臺等多個方面進行了歸納整理，并探討了其與火工品的集成與發(fā)展重點方向。2mems安保裝置的驅動方案MEMS工藝技術主要解決安保裝置小型化、集成化制造問題，但是其應用原理特別是驅動方式應與典型彈藥平臺環(huán)境力相匹配或采取專門設計。MEMS安保裝置按照解除保險的微作動機構的不同可分為機械環(huán)境力驅動、火藥力驅動、電磁力驅動、電熱力驅動和壓電原理驅動等。微作動機構是指MEMS安保裝置中使用的作動器，主要為安保裝置的隔板提供推力或位移。微作動機構是MEMS安保裝置中重要組成部分，擔負著安保裝置內的能量轉換、運動和力的傳遞以及對系統(tǒng)信息進行響應等功能2.1mems安保裝置穩(wěn)定性影響機械環(huán)境力驅動的MEMS安保裝置，保險滑塊通過感應環(huán)境力，如后坐力、離心力，當環(huán)境力滿足預設條件后，保險滑塊移動至發(fā)火位置，將裝置由安全狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)火狀態(tài)。美國陸軍武器研發(fā)中心（ARDEC）的CharlesH.RobinsonCharlesH.Robinson為了降低制造難度，JihunJeong為了解決UV-LIGA技術制造中的誤差問題，YUQIN等2012年，WangWei可移動保險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，劉章等機械環(huán)境力驅動的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生的爆轟能量在傳遞時會改變方向造成能量的損失，甚至會導致無法引爆下一級裝藥進而造成“啞彈”現象；并且安保裝置中閉鎖機構易發(fā)生塑性形變。徐娜等目前大多數機械環(huán)境力驅動的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安保裝置火藥力驅動的MEMS安保裝置通過煙火藥劑產生高溫高壓氣體推動裝置內的滑塊，使爆炸序列對正，裝置由安全狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)火狀態(tài)。2010年法國國家科研中心（CNRS）系統(tǒng)結構分析實驗室（LAAS)該裝置通過低壓化學氣相沉積（low-pressurechemicalvapordeposition）、反應離子刻蝕（reactiveionetching）、等離子體增強化學氣相沉積（plasma-enhancedchemicalvapordeposition）和深反應離子刻蝕（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南京理工大學的朱朋等2018年，南京理工大學的侯剛2016年，李國中2021年，耿萬鈞等該滑塊作動器的止推、止退結構為過盈配合結構。在作用前，過盈結構可以將滑塊鎖定在安全位置；作用后，氣體產物對滑塊的推力大于過盈結構的摩擦力時，滑塊可被壓縮變形“進入”過盈結構部分，滑塊運動到發(fā)火位置后，過盈結構的摩擦力又可防止滑塊重新“返回”安全位置。火藥力驅動的安保裝置有如下優(yōu)點：（1）與傳統(tǒng)機械環(huán)境力驅動的MEMS安保裝置相比，火藥力驅動的MEMS安保裝置中更多使用硅材料并采用MEMS技術制造，因此具有更小的體積和更輕的質量；（2）不受環(huán)境力約束；（3）小尺寸可實現大位移。但是由于微/納含能材料的制備工藝與MEMS技術不兼容，通常在器件制造完成后才能進行含能材料的填充2.3基于電磁微效率的mems安保電磁力驅動的MEMS安保裝置通過裝置內的電磁線圈產生電磁力使隔板滑塊位移，解除保險，裝置由安全狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)火狀態(tài)。WalterH.Maurer2009年，ZhanwenXI等在Walter上述電磁驅動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SunYi等上述三種電磁力驅動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)微型化的技術要求，因此需要尋找一種新的電磁微驅動器，對其進行結構優(yōu)化或改良，并嘗試將其應用于MEMS安保裝置中。XingdongLv磁流變液（MagnetorheologicalFluid，簡稱MR流體）是一種獨特的智能材料，一般是微米級或納米級的鐵磁顆粒（一般為羰基鐵顆粒）沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液，同時還有少量的其他輔助溶液。根據載液的不同可以分為磁流變液和磁流變脂2018年，JiaJiaZheng等在適當的彈丸旋轉速度（>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的安全狀態(tài)和解保狀態(tài)，王海龍等磁力驅動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)境適應性2.4硅基安保裝置電熱微作動器是基于材料的焦耳熱效應和熱膨脹原理進行工作的，是一種典型的電-熱-機耦合系統(tǒng)2016年，XiuyuanLi等西安交通大學的胡騰江2017年，XiaodongZhou等胡騰江20世紀90年代，美國桑迪亞國家實驗室（SandiaNationalLaboratories)為了解決上述裝置的缺陷，同時減少強電磁環(huán)境對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等電熱原理驅動的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、易于制造等特點硅基安保裝置具有小型化和集成化的特點，然而受硅材料性質（脆性）2.5壓電原理驅動壓電微作動器是利用壓電材料（如陶瓷）具有逆壓電效應而制成的作動器。壓電材料在受到外力作用后，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷，這種現象稱為壓電效應；相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。壓電微作動器具有結構簡單、快速響應、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2020年，DongSun該H型壓電作動器的工作原理示意圖如圖30所示，當交流信號施加到縱振壓電陶瓷片上時，H型壓電作動器激勵產生一階對稱縱振，此時驅動足在水平方向上產生伸縮運動；當交流信號施加到彎振壓電陶瓷片上時，H型壓電作動器激勵產生二階對稱彎，此時驅動足在垂直方向上上下運動。當相位差為90°的交流信號分別施加到縱振與彎振壓電陶瓷片上，在驅動足上形成相位差為180°橢圓運動。若在H型壓電作動器的兩側施加平行導軌，在驅動足與導軌之間摩擦力的作用下，驅動足的橢圓運動將驅動H型壓電作動器前行。在120V的交變電壓驅動下，H型壓電作動器可在25ms內實現3mm的固定位移，使傳火通道與傳火孔對正，完成解保；當輸入相反的信號時，裝置可重新返回安全狀態(tài)，傳火通道與傳火孔再次錯位。解除保險的最大速度與恢復保險的最大速度分別為120.6mm·s2.6ms安保裝置在微米級尺寸下，慣性力的作用受到限制，在非旋轉或無后坐力的武器中無法將通過機械環(huán)境力解保的方式應用于MEMS安保裝置。針對此技術難點，將機械環(huán)境力與其他解保方式結合，如電熱力解保，形成多原理共同驅動的MEMS安保裝置。TaylorT.Young2020年，胡騰江等上述兩種由多原理共同驅動的MEMS安保裝置融合了電熱力驅動和機械環(huán)境力驅動的優(yōu)點，為武器系統(tǒng)增加了發(fā)火信號的多樣性，擴展了其在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的應用前景3火災樣品和as-s安全系統(tǒng)的綜合設計3.1非硅基安保裝置基于不同驅動原理的MEMS安保裝置可總結如表1。通過對以上不同驅動方式的MEMS安保裝置進行對比總結，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環(huán)境力的改變，實現解除保險的功能。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，易于電信號輸入控制，結合傳感器技術，利用電熱驅動器實現保險的解除，將通過環(huán)境力的被動解保方式轉變?yōu)橛呻娦盘柨刂频闹鲃咏獗７绞剑哂懈鼜姷脑O計可拓展性；并且在電控條件下，安保裝置的輸出更精準，輸出位移可達0.5～2mm。硅基安保裝置與微電子加工工藝有很好的兼容性，可實現與MEMS火工品的一體化集成，為MEMS火工品增添在復雜作戰(zhàn)環(huán)境中信息識別及發(fā)火控制的功能。3.2ss火工品的集成根據爆炸序列中實現隔斷的結構不同，可將爆炸序列分為直列式爆炸序列和錯位式爆炸序列。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，進而保證勤務狀態(tài)下的安全性，若初始元件或藥劑的感度過高，會導致整體系統(tǒng)的安全性較差；而錯位式爆炸序列是指在勤務狀態(tài)下，將敏感爆炸元件產生的能量與下一級的爆炸元件或藥劑隔斷，保證初始元件意外發(fā)火不會引爆下一級裝藥但是隨著高新技術的出現和快速發(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裝置得到保證。這種內置安全保險裝置的爆炸序列，在保證安全性和可靠性的同時又很大程度上簡化了序列的結構，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火工品是采用微細加工技術和微裝藥技術將多個含能單元、微機械系統(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，與傳統(tǒng)火工品相比，其具備更高的安全性和可靠性。MEMS安全保險裝置能夠與含能復合薄膜換能元集成，形成具有高度集成化、高安全可靠性特點MEMS火工品。這種MEMS火工品將微結構換能元、微納含能藥劑與微安全機構進行了一體化集成設計，可實現起爆、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)展方向這種內置安全保險裝置的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。起爆器由含能復合薄膜換能元組成；安保裝置為由微執(zhí)行器驅動的隔斷機構，可實現隔板的大位移運動。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，起爆器產生的火焰無法通過傳爆孔引爆下一級裝藥；當接收到解保指令后，隔斷機構中的隔板打開，使起爆器與傳爆孔對正，起爆器產生的火焰可成功引發(fā)下一級裝藥。2021年，胡騰江等通過裝配平臺，將MEMS安保裝置中的傳火通道與涂有環(huán)氧膠EPO330的MEMS換能元中的鎳鉻橋對準。在110℃和0.1MPa的條件下，MEMS換能元和MEMS安保裝置緊密結合在一起，形成具有內置安保裝置的MEMS火工品?？紤]到控制信號（低電流）與發(fā)火信號（大電流）之間的差異，采用直徑25μm的金線實現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。內置安全保險裝置的MEMS火工品，即將MEMS安保裝置與MEMS火工品集成，在火工品層面上實現安全保險控制的功能。通過電信號主動控制保險機構動作，可實現微起爆序列的隔斷與對正，有效地提高了火工品的安全性和可靠性，結合微尺度傳爆序列技術、MEMS技術及先進微機械加工技術實現其微型化智能化設計，符合下一代火工品的發(fā)展要求，為新型火工品的設計提供了參考。4mems安保裝置的未來發(fā)展趨勢20世紀初提出了MEMS安保裝置的概念，經過近二十年的發(fā)展，其集成化、小型化和智能化的器件特性已經得到廣泛應用。目前，MEMS安保裝置的發(fā)展趨勢可總結為以下三點：(1）增加輸出位移。微含能材料的輸出能量密度遠高于傳統(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。目前可達到微米級的輸出位移。(2）主動的驅動方式。早期的MEMS安保裝置只能在特定的慣性環(huán)境下驅動，這種被動驅動方式很難滿足當前復雜的戰(zhàn)場環(huán)境要求。而主動驅動方式，例如電熱驅動，能更好地滿足下一代武器系統(tǒng)智能化的發(fā)展需求。(3）精密的結構。MEMS安保裝置的制造方法逐漸由LIGA工藝轉變?yōu)?/p>