一种引信用固态安全开关设计及模拟分析

王大奎，娄文忠，冯恒振，孙 毅，郑学均

(1. 北京电子工程总体研究所，北京 100854； 2. 北京理工大学 机电学院，北京 100081；3. 重庆长安工业(集团)有限责任公司，重庆 401120)

0 引 言

MEMS固态控制器是一类可以实现控制功能的MEMS固态器件，具有结构不可动的特点. 固态开关是MEMS固态控制器的代表，具有与固态控制器同样的特征，以换能元为主要应用. 法国洛伦兹大学系统结构实验室的C. Rossi教授课题组于2005年率先开展了基于MEMS换能元与微量敏感药剂作用的固态开关研究，该开关基于MEMS体硅工艺同时采用了先进的装药技术实现了在硅片槽型结构中微量装入敏感药，该开关的换能元采用薄膜多晶电阻制作. 该开关的作用过程为对薄膜电阻通电，根据焦耳定律电阻温度升高，电阻通过与其紧贴的SiO2钝化层间接向敏感药传热，药剂达到起爆温度后爆炸. 将其上方临近薄膜电阻的金属导线结构破坏，从而实现开关状态由通到断转换的目的. 此类以换能元及含能药剂为核心的应用研究的关键在于换能元的性能及含能药剂的起爆能力控制，但对不含药剂的换能元应用研究较少. 目前仅有C. Rossi教授利用多晶硅电阻薄膜加热器件表层裸露的铝金属导线及铅锡焊球来分别实现开关由通及断和由断导通的不含药剂的固态开关[1-3]. 除此之外，尚无其它研究机构开展相关研究. 南京理工大学聂伟荣教授课题组仿制了该开关[4,5]，并完成了相关实验.

金属桥换能元在大电流激发下(电流>107A/cm2，功率>108W)会产生电爆炸作用. 电爆炸过程会产生金属蒸汽，由于金属蒸汽的快速产生与膨胀，电爆炸过程同时伴随高温、 高压与冲击波，并有发光现象产生[6-8]. 本文基于上述作用利用金属桥电爆炸过程设计了MEMS固态开关. 由于电爆炸过程为不可逆过程，所以本研究中基于金属桥换能元电爆炸设计的MEMS固态开关组中各开关均为单向一次性结构，即每种开关仅可实现由通及断或由断到通的单一过程，且作用后不可恢复. 研究中共设计两类开关——由通及断型(ON-OFF型)与由断到通型(OFF-ON型)，4种作用方式——直接电爆炸型、 间接电爆炸破坏型、 间接电热破坏型与间接电爆炸导通型. 本研究中设计的MEMS固态控制器均利用MEMS换能元作为基本动作执行元件.

1 固态开关模型建立

直接ON-OFF开关在作用时，金属桥作为其中的换能和动作执行元件在开关动作过程中发生的变化与金属桥完全电爆时相同. 利用COMSOL多物理场有限元分析软件建立了金属桥桥区多层结构传热模型，该模型由7层结构组成，分别为硅基底薄层(1)、 底层绝缘层(2)、 金属桥层(3)、 中间绝缘层(4)、 电路层(5)、 顶层钝化层(6)与空气薄层(7). 利用该软件对上述模型进行瞬态仿真可以得到模型的热传导过程，仿真结果如图1～图3 所示.

图1 传热模型在220 μs时的仿真结果云图与截面图

图2 模型中不同层对应位置处的升温曲线

由图1～图3 中结果可以看出，在前30 μs的升温初始阶段，模型中桥区在流过其中电流的作用下温度升高，同时开始向其它结构层传热，此时不同层之间的热通量由0开始逐渐增加，但由于比热、 密度等的不同，各层升温速度不同，30 μs 后达到稳定状态，此后各层对应位置温差趋于稳定，即层间热通量趋于稳定. 所以对开关建立数学模型需考虑对其它各层的热传导.

2 引信用MEMS固态控制器组设计、 模拟与分析

直接ON-OFF开关本身为金属桥，为在加工前对其性能进行预估，利用COMSOL Multiphysics多物理场有限元分析软件对该问题建立实体模型并求解.

本研究中该问题的实体模型如图4 所示： 该模型中空气层厚度为20 μm，硅衬底厚度20 μm，金属桥层及SiO2绝缘层均为1 μm，采用COMSOL中的焦耳热模块进行瞬态仿真分析. 激发源采用电容放电的形式.

图4 直接ON-OFF开关仿真实体模型Fig.4 Direct ON-OFF switch simulation entity model

仿真中为模拟发生相变后的桥区及绝缘层的物性参数，对起主要作用的比热容作了分段处理，将处于液相、 固相、 气相的比热分别描述，所得Al与SiO2的比热与温度的关系如图5，图6 所示.

图5 铝比热容随温度变化曲线Fig.5 Curve of aluminum specific heat capacity with temperature

图6 SiO2比热容随温度变化曲线Fig.6 SiO2 specific heat capacity curve with temperature

仿真中的桥区为长40 μm、 宽20 μm厚度为1 μm 的铝桥，在初始电压1.5 V的电容放电激发下可得仿真云图如图7 所示. 从图7(a)中可以看出桥区产生的热量向空气中产生热传导，最高温度为2 983 K，大于铝的熔点2 773.5 K可以认为此时桥区已爆发. 桥区在该时刻的温度分布云图如图7(b)所示，由图中可以看出桥区为温度最高区域.

(a) 考虑对流换热的仿真结果

(b) 开关在爆发时的温度分布云图图7 直接ON-OFF开关仿真云图Fig.7 Direct ON-OFF switch simulation cloud

桥区产生的热量还向与桥区紧邻的SiO2绝缘层及空气层扩散，并通过SiO2绝缘层扩散至硅基底，其扩散形式可认为是以桥区为中心的热点球形扩散模型，扩散过程的等温面与等值面图如图8 所示. 桥区处的局部温度分布云图如图9 所示. 由图8 可以看出，在桥区达到爆发温度时，桥区向外界通过对流及传导的方式散射热量较小，虽然SiO2薄层厚度较小，但其内部温度衰减依然较大. 可以认为前述假设合理.

图8 直接电爆炸开关等温面图与等值线图Fig.8 Isothermal surface and isoline diagram ofdirect electric explosion switch

图9 仿真桥区截面云图Fig.9 Cross-section cloud image of the simulated bridge area

图9 为仿真云图截面图，由图9 可以看出，桥区为模型中温度最高处，符合桥区升温最迅速，达到汽化温度后爆发的特点. 桥区温度时间曲线如图10 所示.

图10 桥区局部温度时间曲线图Fig.10 Local temperature time curve of the bridge area

桥区中任一点的温度随时间的变化曲线如图11(a)所示，未能将桥区断开后导致电流归零的变化特性在仿真中描述出，此曲线表示电容中储存的能量大于桥区爆发所需的能量，则桥区可以爆发，图11(a)中圆点后的曲线(t>2×10-6s)应不存在. 同理若电容上存储能量不足(电压1.0 V)，无法使桥区起爆，则其温度时间曲线如图11(b)所示，当温度达到最大时仍未实现桥区熔断.

(a) 电容电压为1.5 V时的温度时间曲线

(b) 电容电压为1 V时的温度时间曲线图11 桥区爆发与未爆发时的温度-时间曲线Fig.11 Temperature-time curve of the bridge areawhen it bursts and does not burst

3 结 论

本文对MEMS固态控制器进行了定义，并对多种MEMS换能元进行了对比，得出金属桥换能元是最适合MEMS固态控制器的内部动作执行元件.

在对MEMS金属桥的研究基础上，建立了MEMS固态控制器的数学模型，给出了MEMS固态控制器作用限定条件. 并利用Matlab工具进行了数值计算得到了相关规律.

利用COMSOL软件对MEMS固态控制器的实体模型进行了仿真，得到了与数值计算类似的结果，验证了理论模型的正确性. 建立了理论计算仿真与实际加工测试间的联系，为MEMS固态控制器的设计加工提供了理论依据.