專利名稱:一種基于微系統(tǒng)集成技術(shù)的mems-cmos saf一體化芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是安全、解保與發(fā)火系統(tǒng)，具體地說是ー種基于微系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計的MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火(Safe, Arm and Fire) 一體化芯片。
背景技術(shù)：
安全、解保(Safe & Arm)系統(tǒng)是中保證發(fā)火控制裝置正常作用發(fā)火和平時勤務(wù)處理安全的關(guān)鍵機構(gòu)，近年來隨著微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，將該技術(shù)應(yīng)用于SM系統(tǒng)的設(shè)計與制造中是當(dāng)前及未來SM技術(shù)研究的熱點。將微系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用于安全與解保系統(tǒng)中，可以減小SM系統(tǒng)的體積、提高可靠性及増加新的智能化功能。目前的大多數(shù)微型SM系統(tǒng)只是實現(xiàn)了安全系統(tǒng)中的安全隔爆及解除兩道環(huán)境力保險功能，少數(shù)集成度較高的產(chǎn)品將機械保險裝置、電推銷器與隔爆裝置進(jìn)行微系統(tǒng)集成，但初級火エ品還是以傳統(tǒng)的橋絲雷管為主，由于設(shè)計中需要考慮雷管外形及與系統(tǒng)連接關(guān)系的影響，無法做到SAF的一體化設(shè)計影響了系統(tǒng)的安全性與可靠性。同時由于系統(tǒng)中的機械安全裝置多為MEMS弾性結(jié)構(gòu)，弾性元件的性能對系統(tǒng)可靠性影響較大，且不易裝配，不利于機電式微SM系統(tǒng)的大規(guī)模、低成本使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小巧、可靠性高、無可動結(jié)構(gòu)、易于批量生產(chǎn)，并且實現(xiàn)了基本安全、解保與發(fā)火系統(tǒng)全部功能的基于微系統(tǒng)集成技術(shù)的用MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火一體化芯片的組成包括保險與失效控制微組件，啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件與微發(fā)火件。MEMS-CMOS SAF—體化芯片的組成包括硅基片〈100〉、硅化物絕緣層與表面電路、控制開關(guān)、微發(fā)火件層。所有組件均采用CMOS加工エ藝與MEMS平面加工エ藝在硅基片上完成。硅化物絕緣層用于硅基片與表面電路、控制開關(guān)、微發(fā)火件層的電絕緣。表面電路、控制開關(guān)、微發(fā)火件層設(shè)置有用于引燃擊發(fā)藥的半導(dǎo)體橋/金屬橋微發(fā)火件，用于微發(fā)火件短路保險的保險開關(guān)，用于在起爆失敗或取消任務(wù)情況下切斷微發(fā)火件供能通道的失效開關(guān)，用于控制保險開關(guān)、失效開關(guān)作用，完成電子系統(tǒng)初始裝定、啟動、計時與邏輯控制功能的CMOS數(shù)?；旌霞呻娐凡糠?。本發(fā)明的特征是所有相關(guān)微組件均制作在一片硅基MEMS-CMOS芯片上。平時狀態(tài)下，保險與失效控制微組件中的保險開關(guān)將微發(fā)火件短路，芯片處于安全狀態(tài)，上電后開關(guān)斷開，微發(fā)火件被接入回路處于待發(fā)狀態(tài)。任務(wù)開始前對啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件進(jìn)行裝定，確定起爆方式、延期方式與延期時間窗ロ，上電 后該微組件控制芯片啟動并開始計時，當(dāng)預(yù)設(shè)發(fā)火時間窗ロ到達(dá)后經(jīng)邏輯安全電路輸出一個發(fā)火控制信號(同時計時電路繼續(xù)計時)啟動與外圍相連的發(fā)火能量傳遞控制開關(guān)，能量被傳遞到微發(fā)火件，微發(fā)火件起爆。若微發(fā)火件未按預(yù)定起爆方式與起爆時間起爆，當(dāng)計時電路計時至失效時間窗ロ時，發(fā)出失效信號，保險與失效控制微組件中的實效開關(guān)作用徹底斷開微發(fā)火件的能量來源通路，芯片失效。
本發(fā)明還可以包括這樣ー些特征
I、啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路，保險與失效開關(guān)，微發(fā)火件通過外接ニ極管、儲能電容、發(fā)火能量傳遞控制開關(guān)等分立元件形成各組件之間的互連。
2、在芯片上的硅化物絕緣層上淀積金屬，通過光刻形成一條兩側(cè)寬中間窄的條帶保險絲結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)表面淀積鈍化層，形成保險開關(guān)。
3、在芯片上的硅化物絕緣層上淀積多晶硅，對多晶硅進(jìn)行摻雜形成多晶硅電阻 層，經(jīng)光刻后形成所需的電阻形狀與阻值，在多晶硅電阻層上淀積鈍化層、金屬導(dǎo)電層、經(jīng)光刻后形成金屬互連，形成失效開關(guān)。
4、在芯片上的硅化物絕緣層上淀積多晶硅對多晶硅進(jìn)行重?fù)诫s形成多晶硅電阻層，經(jīng)光刻后形成1Ω左右的多晶硅電阻區(qū)，在其上形成鈍化層并淀積金屬層，該微發(fā)火件通過過孔與金屬層相連。
5、在芯片上的硅化物絕緣層上淀積金屬，通過光刻形成一條兩側(cè)寬中間窄的條帶保險絲結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)表面淀積鈍化層。
6、MEMS-CMOS SAF—體化芯片可以將保險與失效控制微組件，啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件與微發(fā)火件分別制成芯片，與具體應(yīng)用相結(jié)合靈活組合。
與標(biāo)準(zhǔn)CMOS加工エ藝的MEMS-CMOSエ藝使用氧化、外延、光刻、干/濕法刻蝕、物理/化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，在批量制造微系統(tǒng)和微結(jié)構(gòu)上有明顯優(yōu)勢。與傳統(tǒng)エ藝相比更適用于用來加工MEMS-CMOS安全、解保與發(fā)火一體化芯片。本發(fā)明通過對安全、解保與發(fā)火原理的設(shè)計、一體化芯片中各MEMS組件及結(jié)構(gòu)的選擇、一體化芯片中CMOS電路部分的設(shè)計及各組件內(nèi)部聯(lián)線之間的能量關(guān)系匹配，使用安全、解保與發(fā)火單元的核心結(jié)構(gòu)可以用MEMS-CMOS加工エ藝來加工，原有的大尺寸三維機構(gòu)縮小成為ー個小尺寸平面芯片結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)可以在實現(xiàn)傳統(tǒng)的用安全、保險系統(tǒng)核心功能的同時使體積大大縮小，并集成了發(fā)火功能，提高了大規(guī)模加工的一致性，增加了系統(tǒng)可靠性并降低成本。芯片面積<50_2。本用MEMS-CMOS安全、解保與發(fā)火一體化芯片的主要優(yōu)點可以歸結(jié)為
I、便于批量加工，可降低生產(chǎn)成本；
2、體積小，可用于小口徑彈藥；
3、可靠性高、耐受力強，可以提高在惡劣發(fā)射條件下的生存能力；
4、模塊化封裝，通用性強，易于勤務(wù)處理。
本發(fā)明產(chǎn)品適用于帶有后座力發(fā)射環(huán)境的各型中大口徑彈藥及30mm以上小口徑彈藥。


圖I為本發(fā)明的起爆芯片安全狀態(tài)表面圖
圖2為起爆芯片處于安全狀態(tài)時的電路原理圖
圖3為系統(tǒng)處于解保狀態(tài)時的表面圖
圖4a為起爆芯片處于解保狀態(tài)下的電路原理圖
圖4b為系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時的表面圖
圖4c為起爆芯片處于失效狀態(tài)時的電路原理圖[0024]圖5為系統(tǒng)電路與開關(guān)、發(fā)火件連接關(guān)系圖
圖6為芯片エ藝剖面圖
具體實施方案
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖I本發(fā)明的實施方案的組成包括電微發(fā)火件(I)、保險開關(guān)(2)、失效開關(guān)(3)。啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路(4)、焊盤(5)，導(dǎo)線(6)和硅基板(7)。保險開關(guān)(2)、失效開關(guān)(3)組成保險與失效控制微組件。
結(jié)合圖I 圖6說明本發(fā)明中安全、解保與起爆一體化芯片的安全、解保與失效原理。平時狀態(tài)下微發(fā)火件(I)通過外接電路與保險開關(guān)(2)相連處于接地短路狀態(tài)此時微發(fā)火件不接入回路，芯片處于安全狀態(tài)；保險開關(guān)(2)是一條線寬遠(yuǎn)小于導(dǎo)線(6)的細(xì)導(dǎo)線，當(dāng)芯片上電后，芯片內(nèi)導(dǎo)線(6)、保險開關(guān)(2)中有電流流過，由于電流較大，保險開關(guān)
(2)在此電流作用下被熔斷，微發(fā)火件(I)接入回路，芯片解保；若任務(wù)取消或芯片上微發(fā)火件(I)未成功起爆，到達(dá)預(yù)定的失效時間窗ロ后，失效信號到來，將失效開關(guān)(3)中的加熱電阻接入電路，電阻加熱升溫后熔斷失效開關(guān)(3)中加熱電阻表面的導(dǎo)線，微發(fā)火件(I)與起爆回路斷開失去能量來源，不能完成起爆動作，芯片失效。
結(jié)合圖5，本發(fā)明實施方案中的起爆信號、失效信號的提供及起爆方式、起爆時間的提供由啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路(4)提供。時鐘(401)、數(shù)字計時器(402)、控制邏輯電路(403)、模擬計時電路(404)、晶閘管(405)、(406)、ニ極管(407)(408) (409)、儲能電容(410) (411) (412)和電源(413)是啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路⑷的片上電路與外圍元件。電源(413)通過ニ極管(407) (408) (409)對儲能電容(410) (411) (412)充電，分別為時鐘(401)、數(shù)字計時器(402)、控制邏輯電路(403)、模擬計時電路(404)、微發(fā)火件(I)、保險開關(guān)(2)和失效開關(guān)(3)提供能源，芯片上電后保險開關(guān)(2)熔斷，芯片解保。根據(jù)預(yù)設(shè)的起爆方式，時鐘(401)、數(shù)字計時器(402)和模擬計時電路(404)開始工作，直到預(yù)定的時間窗ロ到來，控制邏輯電路(403)的輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，控制晶閘管(405)導(dǎo)通，儲能電容(412)上的能量傳遞給微發(fā)火件(I)，芯片發(fā)火。若發(fā)火失敗或任務(wù)取消，計時電路(402)計時至失效時間窗ロ時，向晶閘管(406)發(fā)出失效控制信號，失效開關(guān)(3)接入回路，在儲能電容(411)的作用下熔斷，微發(fā)火件(I)與發(fā)火儲能電容(412)斷開，不再發(fā)生作用。
結(jié)合圖6，本發(fā)明中的安全、解保與起爆一體化芯片的エ藝流程為，準(zhǔn)備雙面拋光硅基片(701) (〈100〉晶向)為原料作為芯片基底，清洗后經(jīng)雙面氧化與等離子增強型化學(xué)氣象沉積方法(LPCVD)，生成厚度2 μ m左右的鈍化層(702);在清洗后繼續(xù)對硅片用LPCVD的方法在650°C的條件下淀積O. 5μπι厚的多晶硅層，之后在多晶硅層上利用氧化、擴散、光亥IJ、離子注入、物理氣相沉積等方法形成表面電路層(703)，利用LPCVD方法沉積表面鈍化層(704)完成芯片制作。、
權(quán)利要求
1.一種MEMS-CMOS安全、解保與發(fā)火(Safe, Arm and Fire) 一體化芯片,其組成是保險與失效控制微組件，啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件與微發(fā)火件。其特征是平時狀態(tài)下，保險與失效控制微組件中的保險開關(guān)將微發(fā)火件短路，芯片處于安全狀態(tài)，上電后開關(guān)斷開，微發(fā)火件被接入回路處于待發(fā)狀態(tài)。任務(wù)開始前對啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件進(jìn)行裝定，確定起爆方式、延期方式與延期時間窗口，上電后該微組件控制芯片啟動并開始計時，當(dāng)預(yù)設(shè)發(fā)火時間窗口到達(dá)后經(jīng)邏輯安全電路輸出一個發(fā)火控制信號(同時計時電路繼續(xù)計時)啟動與外圍相連的發(fā)火能量傳遞控制開關(guān)，能量被傳遞到微發(fā)火件，微發(fā)火件起爆。若微發(fā)火件未按預(yù)定起爆方式與起爆時間起爆，當(dāng)計時電路計時至失效時間窗口時，發(fā)出失效信號，保險與失效控制微組件中的實效開關(guān)作用徹底斷開微發(fā)火件的能量來源通路，芯片失效。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的MEMS-CM0S安全、解保與發(fā)火(Safe,Armand Fire) 一體化芯片，其組成是包括硅基片〈100〉、硅化物絕緣層、表面電路層，其特征是硅基片上生長絕緣層。在絕緣層上外延多晶硅表面電路層設(shè)置有啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路，保險與失效開關(guān)，微發(fā)火件。其內(nèi)部連接特征是啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制電路，保險與失效開關(guān)，微發(fā)火件通過外接二極管、儲能電容、發(fā)火能量傳遞控制開關(guān)等分立元件形成各組件之間的互連。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的保險開關(guān)，其組成是在芯片上的硅化物絕緣層上淀積金屬，通過光刻形成一條兩側(cè)寬中間窄的條帶保險絲結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)表面淀積鈍化層。其原理是在保險開關(guān)兩端加一高電壓，該電壓使得條帶保險絲熔斷，實現(xiàn)保險開關(guān)由通到斷的作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的失效開關(guān)，其特征是在芯片上的硅化物絕緣層上淀積多晶硅，對多晶硅進(jìn)行摻雜形成多晶硅電阻層，經(jīng)光刻后形成所需的電阻形狀與阻值，在多晶硅電阻層上淀積鈍化層、金屬導(dǎo)電層、經(jīng)光刻后形成金屬互連，失效開關(guān)由多晶硅電阻和其上方的金屬導(dǎo)線組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的微發(fā)火件，其組成是在芯片上的硅化物絕緣層上淀積多晶硅對多晶硅進(jìn)行重?fù)诫s形成多晶硅電阻層，經(jīng)光刻后形成I Ω左右的多晶硅電阻區(qū)，在其上形成鈍化層并淀積金屬層，該微發(fā)火件通過過孔與金屬層相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的微發(fā)火件，其組成是在芯片上的硅化物絕緣層上淀積金屬，通過光刻形成一條兩側(cè)寬中間窄的條帶保險絲結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)表面淀積鈍化層。
7.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的MEMS-CMOSSAF 一體化芯片，其另一種實現(xiàn)方式是將保險與失效控制微組件，啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件與微發(fā)火件分別制成芯片，與具體應(yīng)用相結(jié)合靈活組合。
專利摘要
本發(fā)明涉及的是一種基于微系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計的MEMS-CMOS安全、解保與發(fā)火(Safe，Arm and Fire)一體化芯片。本發(fā)明體積小巧、可靠性高、無可動結(jié)構(gòu)、易于批量生產(chǎn)，并且實現(xiàn)了基本安全、解保與發(fā)火系統(tǒng)全部功能的均集成在一片基于微系統(tǒng)集成技術(shù)的引信用MEMS-CMOS安全、解保與發(fā)火一體化芯片上。本發(fā)明包括保險與失效控制微組件，啟動、計時、邏輯安全、發(fā)火控制與失效控制微組件與微發(fā)火件。芯片可以實現(xiàn)安全、解保、發(fā)火與失效四種功能，可以設(shè)定發(fā)火方式，并預(yù)設(shè)發(fā)火延期時間，便于批量生產(chǎn)，通用性好。
文檔編號F42C11/00GKCN102645140SQ201110041442
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月21日
發(fā)明者婁文忠, 宋榮昌, 趙越 申請人:婁文忠, 宋榮昌, 趙越導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan