CN102645140A

CN102645140A - 一种基于微系统集成技术的mems-cmos saf一体化芯片

Info

Publication number: CN102645140A
Application number: CN2011100414427A
Authority: CN
Inventors: 赵越; 娄文忠; 宋荣昌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明涉及的是一种基于微系统集成技术设计的MEMS-CMOS安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化芯片。本发明体积小巧、可靠性高、无可动结构、易于批量生产，并且实现了基本安全、解保与发火系统全部功能的均集成在一片基于微系统集成技术的引信用MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片上。本发明包括保险与失效控制微组件，启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件与微发火件。芯片可以实现安全、解保、发火与失效四种功能，可以设定发火方式，并预设发火延期时间，便于批量生产，通用性好。

Description

一种基于微系统集成技术的MEMS-CMOS SAF一体化芯片

技术领域

本发明涉及的是安全、解保与发火系统，具体地说是一种基于微系统集成技术设计的MEMS-CMOS安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化芯片。

背景技术

安全、解保(Safe & Arm)系统是中保证发火控制装置正常作用发火和平时勤务处理安全的关键机构，近年来随着微系统集成技术的发展，将该技术应用于S&A系统的设计与制造中是当前及未来S&A技术研究的热点。将微系统集成技术应用于安全与解保系统中，可以减小S&A系统的体积、提高可靠性及增加新的智能化功能。目前的大多数微型S&A系统只是实现了安全系统中的安全隔爆及解除两道环境力保险功能，少数集成度较高的产品将机械保险装置、电推销器与隔爆装置进行微系统集成，但初级火工品还是以传统的桥丝雷管为主，由于设计中需要考虑雷管外形及与系统连接关系的影响，无法做到SAF的一体化设计影响了系统的安全性与可靠性。同时由于系统中的机械安全装置多为MEMS弹性结构，弹性元件的性能对系统可靠性影响较大，且不易装配，不利于机电式微S&A系统的大规模、低成本使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小巧、可靠性高、无可动结构、易于批量生产，并且实现了基本安全、解保与发火系统全部功能的基于微系统集成技术的用MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片。

本发明的目的是这样实现的：MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片的组成包括保险与失效控制微组件，启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件与微发火件。MEMS-CMOS SAF一体化芯片的组成包括硅基片<100>、硅化物绝缘层与表面电路、控制开关、微发火件层。所有组件均采用CMOS加工工艺与MEMS平面加工工艺在硅基片上完成。硅化物绝缘层用于硅基片与表面电路、控制开关、微发火件层的电绝缘。表面电路、控制开关、微发火件层设置有用于引燃击发药的半导体桥/金属桥微发火件，用于微发火件短路保险的保险开关，用于在起爆失败或取消任务情况下切断微发火件供能通道的失效开关，用于控制保险开关、失效开关作用，完成电子系统初始装定、启动、计时与逻辑控制功能的CMOS数模混合集成电路部分。本发明的特征是：所有相关微组件均制作在一片硅基MEMS-CMOS芯片上。平时状态下，保险与失效控制微组件中的保险开关将微发火件短路，芯片处于安全状态，上电后开关断开，微发火件被接入回路处于待发状态。任务开始前对启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件进行装定，确定起爆方式、延期方式与延期时间窗口，上电后该微组件控制芯片启动并开始计时，当预设发火时间窗口到达后经逻辑安全电路输出一个发火控制信号(同时计时电路继续计时)启动与外围相连的发火能量传递控制开关，能量被传递到微发火件，微发火件起爆。若微发火件未按预定起爆方式与起爆时间起爆，当计时电路计时至失效时间窗口时，发出失效信号，保险与失效控制微组件中的实效开关作用彻底断开微发火件的能量来源通路，芯片失效。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路，保险与失效开关，微发火件通过外接二极管、储能电容、发火能量传递控制开关等分立元件形成各组件之间的互连。

2、在芯片上的硅化物绝缘层上淀积金属，通过光刻形成一条两侧宽中间窄的条带保险丝结构，并在结构表面淀积钝化层，形成保险开关。

3、在芯片上的硅化物绝缘层上淀积多晶硅，对多晶硅进行掺杂形成多晶硅电阻层，经光刻后形成所需的电阻形状与阻值，在多晶硅电阻层上淀积钝化层、金属导电层、经光刻后形成金属互连，形成失效开关。

4、在芯片上的硅化物绝缘层上淀积多晶硅对多晶硅进行重掺杂形成多晶硅电阻层，经光刻后形成1Ω左右的多晶硅电阻区，在其上形成钝化层并淀积金属层，该微发火件通过过孔与金属层相连。

5、在芯片上的硅化物绝缘层上淀积金属，通过光刻形成一条两侧宽中间窄的条带保险丝结构，并在结构表面淀积钝化层。

6、MEMS-CMOS SAF一体化芯片可以将保险与失效控制微组件，启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件与微发火件分别制成芯片，与具体应用相结合灵活组合。

与标准CMOS加工工艺的MEMS-CMOS工艺使用氧化、外延、光刻、干/湿法刻蚀、物理/化学气相沉积等技术，在批量制造微系统和微结构上有明显优势。与传统工艺相比更适用于用来加工MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片。本发明通过对安全、解保与发火原理的设计、一体化芯片中各MEMS组件及结构的选择、一体化芯片中CMOS电路部分的设计及各组件内部联线之间的能量关系匹配，使用安全、解保与发火单元的核心结构可以用MEMS-CMOS加工工艺来加工，原有的大尺寸三维机构缩小成为一个小尺寸平面芯片结构。此系统可以在实现传统的用安全、保险系统核心功能的同时使体积大大缩小，并集成了发火功能，提高了大规模加工的一致性，增加了系统可靠性并降低成本。芯片面积＜50mm2。本用MEMS-CMOS安全、解保与发火一体化芯片的主要优点可以归结为：

1、便于批量加工，可降低生产成本；

2、体积小，可用于小口径弹药；

3、可靠性高、耐受力强，可以提高在恶劣发射条件下的生存能力；

4、模块化封装，通用性强，易于勤务处理。

本发明产品适用于带有后座力发射环境的各型中大口径弹药及30mm以上小口径弹药。

附图说明

图1为本发明的起爆芯片安全状态表面图

图2为起爆芯片处于安全状态时的电路原理图

图3为系统处于解保状态时的表面图

图4a为起爆芯片处于解保状态下的电路原理图

图4b为系统处于失效状态时的表面图

图4c为起爆芯片处于失效状态时的电路原理图

图5为系统电路与开关、发火件连接关系图

图6为芯片工艺剖面图

具体实施方案

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：结合图1本发明的实施方案的组成包括电微发火件(1)、保险开关(2)、失效开关(3)。启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路(4)、焊盘(5)，导线(6)和硅基板(7)。保险开关(2)、失效开关(3)组成保险与失效控制微组件。

结合图1～图6说明本发明中安全、解保与起爆一体化芯片的安全、解保与失效原理。平时状态下微发火件(1)通过外接电路与保险开关(2)相连处于接地短路状态此时微发火件不接入回路，芯片处于安全状态；保险开关(2)是一条线宽远小于导线(6)的细导线，当芯片上电后，芯片内导线(6)、保险开关(2)中有电流流过，由于电流较大，保险开关(2)在此电流作用下被熔断，微发火件(1)接入回路，芯片解保；若任务取消或芯片上微发火件(1)未成功起爆，到达预定的失效时间窗口后，失效信号到来，将失效开关(3)中的加热电阻接入电路，电阻加热升温后熔断失效开关(3)中加热电阻表面的导线，微发火件(1)与起爆回路断开失去能量来源，不能完成起爆动作，芯片失效。

结合图5，本发明实施方案中的起爆信号、失效信号的提供及起爆方式、起爆时间的提供由启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路(4)提供。时钟(401)、数字计时器(402)、控制逻辑电路(403)、模拟计时电路(404)、晶闸管(405)、(406)、二极管(407)(408)(409)、储能电容(410)(411)(412)和电源(413)是启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路(4)的片上电路与外围元件。电源(413)通过二极管(407)(408)(409)对储能电容(410)(411)(412)充电，分别为时钟(401)、数字计时器(402)、控制逻辑电路(403)、模拟计时电路(404)、微发火件(1)、保险开关(2)和失效开关(3)提供能源，芯片上电后保险开关(2)熔断，芯片解保。根据预设的起爆方式，时钟(401)、数字计时器(402)和模拟计时电路(404)开始工作，直到预定的时间窗口到来，控制逻辑电路(403)的输出状态发生转换，控制晶闸管(405)导通，储能电容(412)上的能量传递给微发火件(1)，芯片发火。若发火失败或任务取消，计时电路(402)计时至失效时间窗口时，向晶闸管(406)发出失效控制信号，失效开关(3)接入回路，在储能电容(411)的作用下熔断，微发火件(1)与发火储能电容(412)断开，不再发生作用。

结合图6，本发明中的安全、解保与起爆一体化芯片的工艺流程为，准备双面抛光硅基片(701)(<100>晶向)为原料作为芯片基底，清洗后经双面氧化与等离子增强型化学气象沉积方法(LPCVD)，生成厚度2μm左右的钝化层(702)；在清洗后继续对硅片用LPCVD的方法在650℃的条件下淀积0.5μm厚的多晶硅层，之后在多晶硅层上利用氧化、扩散、光刻、离子注入、物理气相沉积等方法形成表面电路层(703)，利用LPCVD方法沉积表面钝化层(704)完成芯片制作。

Claims

1.一种MEMS-CMOS安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化芯片，其组成是：保险与失效控制微组件，启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件与微发火件。其特征是：平时状态下，保险与失效控制微组件中的保险开关将微发火件短路，芯片处于安全状态，上电后开关断开，微发火件被接入回路处于待发状态。任务开始前对启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件进行装定，确定起爆方式、延期方式与延期时间窗口，上电后该微组件控制芯片启动并开始计时，当预设发火时间窗口到达后经逻辑安全电路输出一个发火控制信号(同时计时电路继续计时)启动与外围相连的发火能量传递控制开关，能量被传递到微发火件，微发火件起爆。若微发火件未按预定起爆方式与起爆时间起爆，当计时电路计时至失效时间窗口时，发出失效信号，保险与失效控制微组件中的实效开关作用彻底断开微发火件的能量来源通路，芯片失效。

2.根据权利要求1所述的MEMS-CMOS安全、解保与发火(Safe，Arm and Fire)一体化芯片，其组成是：包括硅基片<100>、硅化物绝缘层、表面电路层，其特征是：硅基片上生长绝缘层。在绝缘层上外延多晶硅表面电路层设置有启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路，保险与失效开关，微发火件。其内部连接特征是：启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制电路，保险与失效开关，微发火件通过外接二极管、储能电容、发火能量传递控制开关等分立元件形成各组件之间的互连。

3.根据权利要求1所述的保险开关，其组成是：在芯片上的硅化物绝缘层上淀积金属，通过光刻形成一条两侧宽中间窄的条带保险丝结构，并在结构表面淀积钝化层。其原理是：在保险开关两端加一高电压，该电压使得条带保险丝熔断，实现保险开关由通到断的作用。

4.根据权利要求1所述的失效开关，其特征是：在芯片上的硅化物绝缘层上淀积多晶硅，对多晶硅进行掺杂形成多晶硅电阻层，经光刻后形成所需的电阻形状与阻值，在多晶硅电阻层上淀积钝化层、金属导电层、经光刻后形成金属互连，失效开关由多晶硅电阻和其上方的金属导线组成。

5.根据权利要求1所述的微发火件，其组成是：在芯片上的硅化物绝缘层上淀积多晶硅对多晶硅进行重掺杂形成多晶硅电阻层，经光刻后形成1Ω左右的多晶硅电阻区，在其上形成钝化层并淀积金属层，该微发火件通过过孔与金属层相连。

6.根据权利要求1所述的微发火件，其组成是：在芯片上的硅化物绝缘层上淀积金属，通过光刻形成一条两侧宽中间窄的条带保险丝结构，并在结构表面淀积钝化层。

7.根据权利要求1所述的MEMS-CMOS SAF一体化芯片，其另一种实现方式是：将保险与失效控制微组件，启动、计时、逻辑安全、发火控制与失效控制微组件与微发火件分别制成芯片，与具体应用相结合灵活组合。