MEMS安全與解除隔離裝置發展現狀及趨勢

席占穩，聶偉榮，曹 云

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

1995年，美國國防部對MEMS技術評估時指出，MEMS技術是未來提升武器性能最有發展前途的技術之一，MEMS在引信安全系統中的應用作為12項國防應用之首[1-2]。近些年，美國引信年會上報告的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安全系統芯片。

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

當前，國內外對MEMS S&A裝置給與了高度關注。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械加工技術和非硅微機械加工技術；按照MEMS S&A裝置的基板與彈軸的相對位置，可將MEMS S&A裝置的結構形式分為平行基板式和垂直基板式[6-7]。MEMS S&A裝置從隔離狀態轉化到解除隔離狀態，需要將保險裝置和/或隔爆裝置(滑塊)在一定條件下驅動一定位移，可以利用的驅動力有慣性力、電磁力、靜電力、記憶合金、氣體等[8]。本文按照驅動方式將MEMS S&A裝置分為慣性力驅動、電熱驅動、火藥能量驅動等類型，并就其典型裝置的發展歷程、技術演變、技術特征進行分析綜述，提出MEMS S&A裝置的發展趨勢。

1 慣性力驅動

1.1 典型裝置

1998年，美國陸軍武器研發中心(ARDEC)Charles等人的發明專利中提出了一種采用環境力解除保險的MEMS引信S&A裝置[3]，如圖1(a)所示。2001年，明確提出了Z形齒的慣性驅動、慣性阻尼延時機構的設計思想，即設計一片“微慣性機械保險邏輯”的無源芯片[9]，其結構如圖1(b)所示。為應用于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]，其結構如圖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)加工技術制作的以邊緣擒縱機構為核心的MEMS S&A裝置[13]，該MEMS S&A裝置的結構如圖4所示。

圖4 慣性驅動的MEMS安全保險機構Fig.4 Inertial-driven MEMS S&A mechanism

該結構由后坐鎖、后坐滑塊、減速齒輪和旋轉滑塊組成，采用無返回力矩擒縱機構延期解除保險。發射過程后坐環境力的作用下，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，啟動旋轉滑塊，最后旋轉至齒輪與安保機構邊緣卡住鎖死，此時安保機構成功解除保險，疊氮化鉛裝藥與傳爆序列對正，安保機構處于解除保險狀態。

Ji-hun Jeong采用濕法刻蝕方法制作了金屬結構[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構實現遠距離解除保險，如圖6所示。

圖5 不銹鋼濕蝕刻工藝的結果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步兵戰車的25M811型火炮的MR251改進型引信中，在原引信只有一個慣性后坐保險的基礎上增加了一個MEMS離心保險，滿足了引信雙環境保險的安全標準。

圖7 MR251改進型引信結構示意Fig.7 Sschematic diagram of MR251 modified fuze

2017年，韓國Jin Oh Seok等人設計制作了碳化鎢球驅動的MEMS S&A裝置[16]，如圖8所示。帶有導槽的框架采用UV-LIGA工藝制作。

圖8 球驅動MEMS S&A裝置Fig.8 Schematic diagram of ball driven MEMS S&A devices

2005—2007年，西安機電信息技術研究所開展了MEMS技術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。該MEMS安全系統芯片尺寸為14 mm×6.5 mm×1.2 mm。在安全性指標、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指標，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，北京理工大學研制的引信MEMS無返回力矩鐘表遠解機構[20-21]，解決了引信實現微小型化延時保險的關鍵技術，如圖10所示。

圖10 無返回力矩機構Fig.10 No return torque mechanism

2017年，北京理工大學設計了平行基板式MEMS S&A裝置[22-23]，如圖11所示。發射時，在后坐力作用下，后坐保險機構解除保險，離心保險(亦作為自毀機構) 在炮口附近解除保險，當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動到位，解除隔離，引信處于待發狀態。

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

2018年，南京理工大學設計了基于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 技術特征

1.2.1慣性驅動利用的環境力

慣性驅動MEMS S&A裝置通過一個后坐滑塊(或懸臂梁)感受后坐發射環境解除一道保險，再有一個命令鎖(或無返回力矩鐘表機構)起到遠解延期的目的，在離心力的作用下離心滑塊運動到位，引信解除隔離進入待發狀態。這類MEMS S&A裝置直接使用環境力作為解除保險的驅動力，有較強的抗干擾性和可靠性，自主敏感發射環境，無需電源供電，體現了“無源芯片”的設計思想。但也正因為如此，發射過程及彈道環境的許多信息較難或不能被機械機構所敏感和利用，限制了機械解除保險方式的應用。

遠解功能的實現是依靠鐘表機構或引信電路的指令解除保險。采用指令鎖解除保險將環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技術可以充分利用子母彈藥發射、飛行、拋撒過程的環境力實現解除保險。這類MEMS S&A裝置主要應用于具有較強后坐環境和旋轉環境的彈藥中。

1.2.2后坐保險機構的演變

Charles等人發明設計的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動到位，又作為解除保險的執行元件。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。只有在后坐過載達到一定的強度和持續時間才能使后坐滑塊運動到位，平時勤務處理時的擾動結束后，后坐滑塊將在彈簧的拉力作用下復位到原始位置，這種設計區分了發射過程與勤務處理，保證了勤務處理時的安全。

平面Z形齒后坐滑塊的原理來源于傳統后坐慣性桶。平面化是LIGA加工工藝的要求，一般采用金屬材料，結構強度高、抗沖擊能力強。基于MEMS加工技術的特點，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，后坐滑塊的運動必須與彈軸平行。

近期國內外研究者，如Robert Renz、Jin Oh Seok等設計的慣性力驅動MEMS S&A裝置，采用垂直于彈軸安裝，也即平行基板式。這類結構形式的S&A裝置由于平行于彈軸方向的結構尺寸更小，允許的機構位移小，一般后坐保險機構設計為懸臂梁式，僅能起到慣性保險，而不能實現對勤務與發射環境的識別。

隨著MEMS引信智能化的發展，將有更充分的環境信息可利用，不必要求后坐保險機構既要利用慣性力驅動，又要利用慣性力的特征識別勤務與發射環境。

1.2.3慣性力驅動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。經過發射試驗發現，硅基框架產生碎裂，強度不夠；改進為金屬框架和基底的分離加工后，經過40 mm榴彈25 000g發射過載的實驗驗證，可以滿足發射過程的強度要求。

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的榴彈里進行了實彈射擊驗證，發射最大過載為60 000g、最大轉速12 500 r/min，發射后回收解剖發現所有試驗樣機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。

慣性力驅動MEMS S&A裝置承受膛內過載較大，一般選用金屬材料，小而精密的零件采用UV-LIGA工藝，結構框架采用精密機械加工，最后微裝配在一起。

由于硅材料本身較脆，當其尺寸較大時,在引信高沖擊、高過載力的作用下，容易發生斷裂、破損等現象，一般不用硅材料制作有較大位移的MEMS慣性后坐機構。

1.2.4起爆裝置(微雷管)輸出能量隔斷

國內外文獻報道慣性驅動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(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。該起爆序列的發展經歷了從“直向式”傳爆到“轉向式”傳爆的轉變[22]，如圖15所示。文獻顯示： 2001年和2002 年報道的該起爆序列變化較??；2003年以后，該起爆序列改變為轉向式傳爆，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“壓藥”工藝的傳爆藥裝藥，其爆炸序列只是傳統火工元件的縮小。為達到隔爆要求，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“轉向式”傳爆，拉大了雷管與受主裝藥的隔離距離，體現了高安全性的設計理念。

2 電熱驅動

2.1 典型裝置

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

該MEMS S&A裝置包括滑塊、環境傳感器、光檢測裝置、水壓調節器等，如圖16所示。水壓調節器作為滑塊的一道保險，它感受水壓的大小來解除保險；加速度開關感受魚雷發射過程中的加速度大小，到預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，引信向作動器發出指令驅動滑塊到解除保險位置。驅動滑塊移動的作動器由前期的電磁力驅動器改進為電熱驅動器。

圖16 應用于魚雷的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驗室Koehler等人發明了一種分層結構的MEMS S&A裝置[30]，后坐保險采用懸臂梁結構，彈簧采用片狀結構設計降低了制造難度，如圖17所示。采用單片式設計，硅基DRIE工藝，所有部件都在一層中動作，打破了傳統的設計思想。

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動的MEMS S&A裝置[31]，采用錯位式設計，半導體橋起爆器放置在滑塊上，滑塊平時被鎖定。

2011年，Lawrence Fan等人發明了一種利用后坐力、離心力、電熱驅動解除保險的MEMS S&A裝置[32]。采用兩組質量彈簧系統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動；滑塊的運動是由電熱驅動器驅動，微結構裝藥(微雷管)放置在滑塊末端，并能控制與微結構換能元之間的距離，如圖18所示。保持臂和驅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，類似齒條機構，可驅動滑塊單向運動。

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動器組合集成的MEMS S&A裝置[33]，如圖19所示。由安全狀態進入待發狀態，隔爆滑塊必須移動785 μm，此長度遠遠超過常規MEMS電熱驅動器的最大位移，采用棘輪-棘爪機構，棘爪驅動棘輪，棘輪驅動隔爆滑塊直線運動，實現了將電熱驅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 電熱驅動MEMS S&A裝置Fig.19 Electrothermal driven MEMS S&A device

圖20 棘輪-棘爪機構Fig.20 A ratchet-pawl mechanism

2012年第56屆美國引信年會 “High-gMEMS Fuze”[34]的主題報告中，Indian Head研究所為陸軍40 mm榴彈開發了硅基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境力保險機構、硅橋微換能元與微結構裝藥。安全狀態時，硅橋微換能元與微結構裝藥分層錯開隔離。在后坐力作用下，后坐機構解除保險，并卡死在后坐卡槽內；同時，離心滑塊受V形面內電熱驅動器的約束，限制在原始位置，當彈丸達到遠解距離時，電熱驅動器接收到指令解除保險，釋放離心滑塊；在離心環境力作用下，底部裝有微結構裝藥(微雷管)的滑塊向外側運動，當底部的微雷管與微換能元對正時鎖定在該位置，引信進入待發狀態。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(微電機)控制離心滑塊運動，其原理如圖22。工作頻率為25 Hz的馬達與滑塊配合工作，類似于棘爪-棘輪機構，可控制滑塊在1 s內運動2 mm到達解除保險位置，微雷管與微換能元對正。

圖22 硅基馬達驅動滑塊S&A裝置Fig.22 Slider driven by silicon-based motor in S&A device

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

圖23 電熱驅動直線馬達結構示意圖Fig.23 Schematic diagram of electro-thermal linear motor

為了拉動微彈簧產生足夠大的位移，利用電熱驅動帶微杠桿的棘爪執行器，微杠桿可以放大輸入位移同時減小輸出力。兩組電熱驅動機構相互垂直，以實現兩個方向驅動，水平電熱驅動機構輸出足夠的拉力，拉動與微彈簧相連的滑塊運動；垂直電熱驅動機構可實現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。

在此基礎上，西安交通大學Tengjiang Hu等人不斷地對電熱驅動直線馬達進行改進[37-38]，研制了雙向驅動的直線馬達，隔爆滑塊可以雙向移動，實現保險狀態與解除保險的逆轉換功能，如圖24所示。為了增強滑塊的隔爆能力，采用金屬-硅結構復合的滑塊，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行隔爆與起爆性能測試，在保險狀態，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，飛片雷管的碎片足以起爆大多數種類的傳爆藥。

圖24 雙向運動的直線馬達機構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 技術特征

1) 可供利用環境信息更豐富

硅基電熱驅動MEMS S&A裝置中，電熱驅動將作為完成解除保險動作的一種常用方式，電熱驅動器作為執行元件，采用電熱驅動力，而不是來自環境力，這樣就解決了引信各種獨立的微弱環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系統的要求靈活設定，從而大大提高引信的安全性及可靠性。

電熱驅動MEMS安全系統可利用MEMS傳感器實現對引信使用環境中的加速度，引信頭部的溫度、壓力和噪聲，彈的自轉信息等進行測量，環境傳感器代替了機械環境敏感裝置，同時解除保險的驅動一般也采用電能作動器。MEMS安全系統通過對環境信息的識別判斷后再傳輸給S&A裝置的執行機構。利用解除保險馬達控制隔爆滑塊運動，尤其是對于非旋轉彈藥，既解決了解除保險的動力，也可實現遠距離解除保險。

2) 電熱驅動的位移放大

電熱驅動是利用材料受熱后自身的彈性形變來實現微位移和力的輸出，是現階段MEMS可行的主要驅動方式。電熱驅動器具有體積小、抗電磁干擾、驅動電壓低、IC工藝兼容、可重復執行、精度高、可靠性好的特點，與靜電驅動、壓電驅動、電磁驅動相比，電熱驅動更適宜于MEMS S&A裝置中驅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電熱驅動器常用的結構形式，采用各種結構的配置組合來增大位移是結構設計追求的目標，以達到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齒條結構，如圖20的棘輪-棘爪機構，如圖23的杠桿原理實現了將MEMS電熱驅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構藥劑隔離。

20 世紀90年代，基于MEMS技術的設計思想，采用MEMS工藝制作的微結構換能元(Micro-initiator)、微含能芯片(Micro-energetics-on-a-chip)得到了快速發展[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合金材料的微結構換能元，然后在微結構換能元上制作金屬銅薄膜，經光刻-腐蝕及原位疊氮化反應后，金屬銅薄膜生成疊氮化銅薄膜藥劑，形成微含能芯片(國內也稱作含能半導體橋芯片)。該設計中微納結構換能元和微薄膜藥劑(疊氮化銅薄膜)被設計在同一個平面上。微結構換能元通電后，產生熱量引發疊氮化銅薄膜發生爆炸反應。

2010年美國引信年會報道了半導體橋換能元作為微結構換能元，引發采用原位裝藥形成的混合藥劑(AgN3)驅動鈦飛片，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構上，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) 原位裝藥技術催生了硅基MEMS S&A裝置的發展[42-43]

與傳統S&A裝置相比，MEMS S&A裝置具有結構微型化和序列集成化等特點，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)下裝填并穩定做功。

2004年，美國NSWC的研究人員采用氣固疊氮化反應，將MEMS S&A裝置上的多孔銅轉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”轉換為疊氮化銅的技術，避免了裝藥和壓藥潛在的危險，所制備的微裝藥結構體積小，且原位裝藥工藝與MEMS工藝兼容。

2007年，美國的Brain Fuchs團隊成功研制出EDF-11型炸藥油墨[44]，利用噴墨打印技術，在MEMS機構上成功進行了圖形化，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境力保險機構，滑塊上原位生成微結構裝藥(微雷管)，可以實現引信安全與起爆控制的全部核心功能，無需裝配，大規模制造可以大大降低成本[35,42]。

3 火藥能量驅動

3.1 典型裝置

煙火微機電系統(pyrotechnical micro-electro mechanical system，PyroMEMS) 是一種基于MEMS技術，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等特點，以火藥燃燒分解產生的氣體作為動力的S&A裝置可以實現較大的驅動位移[43]。

OICW 20 mm空爆彈MEMS S&A裝置遠解功能是依靠引信電路的指令解除保險，解除保險的驅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-活塞推動搖桿結構，2012年改進為電-火藥-氣體驅動方案，將電路與火工元件集成在一起，大大提高了集成度，使用電-火藥的遠解方案，可以充分利用彈道信息[15]。

2005年LAAS-CNRS實驗室的Pierre Pennarun, Carole Rossi等首次提出MEMS電子安全解除保險和MEMS機械解除保險兩個層次的安全解除保險系統[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動解除對滑塊的約束，然后微控制器向微點火器發送指令，電路向加熱電阻通電，當加熱溫度達到225 ℃，火藥被點燃產生氣體壓力達到6×105Pa時，火藥氣體驅動滑塊到傳爆通道對正的位置，解除隔離處于待發狀態，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 火藥驅動機械保險機構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開關通、斷狀態間的轉換實現微起爆器與電源的連接。此后，微控制器向微起爆器發送一個指令起爆位于其空腔中的起爆藥。如果順序出現故障，可以斷開MEMS開關的電氣連接，最終斷開微起爆器與其電源的連接，SAF處于絕火功能。

南京理工大學朱朋等設計了平面起爆的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，它的主要特點包括大位移、集成批量生產，無需環境力驅動。通過傳爆序列的錯位設計，保證了在意外起爆(點火)情況下，爆轟被中斷而不能向下一級傳遞。當接收到解除保險指令，隔離裝置層上的推進劑被點燃后產生氣體，氣體壓力作用在雙硅固體梁上超過其內應力時，就會發生脆性斷裂，隔爆滑塊與基板分離，并且氣體繼續推動隔爆滑塊到解除隔離位置。彈性梁有兩個功能：一是引導隔爆滑塊的運動方向，二是鎖定隔爆滑塊實現傳爆通道精確對準。

北京理工大學Bao Bingliang等人提出了一種應用于解除機械隔離的火藥驅動器[50]，如圖31所示。

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

滑塊槽中設計的臺階結構一方面保證了勤務和發射過程中滑塊被臺階阻擋(止推)不能運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現了對滑塊的鎖定(止退)功能。針對這種結構的微火藥驅動器，對臺階高度、翅片長、寬尺寸與止推力、止退力關系進行了仿真與實驗，通過臨界裝藥量的實驗驗證了臺階止推、止退結構設計的科學和合理性。

陜西應用物理化學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

當控制電路識別到解除保險信號后，解除保險即點燃微火藥驅動器，驅動隔斷滑塊移動至設計位置，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，采用了微雷管驅動飛片經加速膛起爆隔斷單元上裝藥的設計，保證在小尺寸裝藥條件下爆轟的可靠傳遞。

3.2 技術特征

1) 引信火藥能量驅動器分類

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

2) 火藥能量驅動位移大、適用廣

以火藥燃燒產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等特點，相比于電磁式、電熱式、記憶合金式等驅動方式，可以實現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動。

針對引信傳統保險機構依靠發射環境解除保險帶來的適用性受限問題，通過結構匹配設計，火藥驅動隔爆滑塊可設計為引信通用的隔離裝置，易于利用彈道環境信息，依據指令解除保險，提高MEMS S&A裝置的通用性。

3) 電子解除保險易于實現引信“三自”功能

隨著微火工品與MEMS結構融合發展， MEMS電子解除保險和MEMS機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開關的集成實現電子解除保險和恢復保險功能，LAAS-CNRS提出的常開/常閉MEMS開關體積小、無可動結構、作用方式簡單可靠，采用功率-能量復合控制，當控制信號的功率達到一定要求時MEMS開關才進行通、斷狀態間的轉換。電熱MEMS常開/常閉開關的組合布局可以實現電子點火、電子絕火、電子解除保險、電子恢復保險功能，容易滿足引信自毀、自失能和自失效的“三自”功能。

4 發展趨勢

通過對國內外文獻與專利的分析，可以對MEMS S&A裝置的發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等人經過不斷改進，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，此后采用LIGA工藝制作的金屬基MEMS安全系統報道的文獻較少。

Chares等人提出的微慣性機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動，達到區分發射環境與勤務環境的目的，齒與齒的碰撞中結構承受巨大的應力，只有選用金屬材料才能滿足強度要求；同時，傳爆序列只是傳統火工元件的縮小，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構，但不能一體化加工，還需要微裝配，其代表性結構是OICW的MEMS S&A裝置。

微納米銅與化學氣體反應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，適于大規模生產。

硅基工藝與傳統的微電子工藝有較好的兼容性，采用原位裝藥技術，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，其代表性結構是Indian Head為40 mm榴彈開發了硅基MEMS S&A裝置[4,34-35]。

利用硅工藝，國內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，可實現引信對環境和目標的探測、識別、分類的精細化, 以及對安全狀態轉換、炸點控制和起爆控制的精確化。

隨著引信MEMS安全系統設計思想的發展，原位裝藥、噴墨打印裝藥、飛片起爆技術的應用，加速了硅基MEMS S&A裝置的發展，分層平行基板式硅基MEMS S&A裝置將成為發展方向[40]。

4.2 微火工品集成于MEMS S&A裝置

傳統的引信S&A裝置與火工品通常是作為一個獨立部件分開設計制造后組裝在一起，其體積質量較大不能滿足未來武器彈藥的發展需求。

原位裝藥技術實現了MEMS S&A裝置與裝藥的集成化制造。微結構換能元、微含能芯片與MEMS S&A裝置一體化的設計理念是充分利用MEMS機構作為微型起爆序列的結構件，使得在結構形式上微型起爆序列與微安保機構不可分割，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，滿足引信的使用環境。

隨著硅基MEMS安全系統的發展，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

引信模塊化設計的概念出現在20世紀90年代，對引信系統按其功能分為安全控制、發火控制、爆炸序列、能源系統等模塊，各模塊按照引信總體設計要求和各模塊的技術特點進行設計，采用包括機械加工等方法制作出結構獨立的模塊，各功能模塊通過接口、導線連接組合成引信系統[52-53]。2004年引信年會上，美國海軍水面武器中心John Hendershot的報告中提出“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境信息，運算集成電路智能化控制，從MEMS加工、IC加工工藝出發，將控制電路、MEMS S&A裝置、含能材料根據工藝兼容原則，集成設計與制作在一片或多片芯片上，引信系統高度集成，形成片上引信，體積更小、重量更輕，適宜于大批量生產，降低生產成本和提高可靠性。采用通用的MEMS引信芯片，通過改變裝定參數和相關處理軟件，性能易于變化和組合，可大大提高引信的通用性。

5 結束語

本文分析總結了慣性力驅動、電熱驅動、火藥能量驅動三種類型MEMS S&A裝置的典型結構、技術特征。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展。原位裝藥、噴墨打印裝藥、飛片起爆技術的發展應用，MEMS S&A裝置將向硅基工藝制作平行基板式結構，與微火工品集成設計制造，與微電子系統集成出片上引信的方向發展。MEMS S&A裝置的不斷發展為引信微型化、智能化提供了適宜的技術支撐。