微机电技术在引信中的应用综述

王辅辅，娄文忠

(北京理工大学机电学院，北京 100081)



微机电技术在引信中的应用综述

王辅辅，娄文忠

(北京理工大学机电学院，北京 100081)

摘要:随着微机电系统(MEMS)技术的发展，以及武器系统对引信目标及干扰的识别能力、目标定位和起爆控制能力、安全控制能力及信息交联能力等军事需求，MEMS技术在引信中应用的优势越来越凸显。MEMS引信不但可以降低成本，还可以耐高冲击等恶劣环境，促使引信微型化、灵巧化和智能化发展。本文分析了MEMS技术在引信中应用特点和必要性，将国外MEMS引信发展按器件级、组件级以及系统级三部分论述，分别对其发展现状进行综述，分析了MEMS技术在引信中的应用趋势，为相关研究提供系统分析与研究的依据。

关键词:引信；系统分析；微机电技术

0引言

20世纪的兵器主要基于机械加工技术，发展机械化武器装备,21世纪的兵器则快速进入智能化、信息化和微型化阶段，因此现代武器装备采用MEMS技术是世界武器发展的必然趋势[1]。

引信技术是武器系统中对高新技术响应最快、最敏感的核心技术之一。现代高新技术武器装备的不断发展，带来了作战模式的创新变化，武器系统要求引信具有目标及干扰的识别能力、目标定位和起爆控制能力、安全控制能力及信息交联能力等军事能力。这些都需要对现代引信技术进行更深入透彻的研究。

本文针对新时代的引信技术，查阅国外大量MEMS引信的资料，分析MEMS技术在引信中应用的特点及必要性，并对国外MEMS技术在引信中的应用现状及趋势进行了深入探讨，为相关研究人员提供系统分析及研究的依据。

1MEMS技术在引信中应用的必要性

新技术的大量涌入，新的战场环境的不断拓展，对引信的要求也不断提高，引信的内涵随之不断丰富。在新技术以及新的作战需求的催生下，引信不但要提高目标、背景和干扰的识别能力，提高目标定位与起爆控制能力，提高安全控制能力；更要有具有与外界通讯的能力，引信不但要与火控系统、制导系统、导航平台、侦查监视平台的信息交联，还要有引信间信息的交联，实现引信组网；同时，对于硬目标侵彻引信，触发引信的功能经历了瞬发、固定延期、随机起爆、穿透起爆、计层次起爆、计行程起爆、计深度起爆等7级台阶，硬目标侵彻引信可以通过编程选择其中任一作用方式，引信已经从单个作战的概念到网络作战的概念拓展，从单一作用模式到灵巧化的多种作用模式拓展[2]。

引信功能拓展的同时，受弹药外形及引信与战斗部接口尺寸的限制，引信外形难以有较大改变，为容纳更多的功能模块需要压缩引信安全系统与起爆控制系统的体积，但传统技术已难以满足引信核心模块体积减小的需求，需将新技术用于引信小型化(如图1所示)。

图1　当前引信需求所带来引信技术的变革Fig.1　The changes brought from fuze demand

德国JUNGHANS Microtec公司的Max Perrin在引信技术进化中提出传统引信与MEMS引信之间组成部分的联系和区别，以及MEMS引信中涉及的关键技术，如图2所示。

对比传统引信，MEMS引信具有以下明显的优点[3]：1) 体积小、质量轻;2)易于实现引信对战斗部的分体式多点起爆控制;3)进一步促进常规弹药的灵巧化和智能化;4) 空间灵活性和适应性强;5)采用集成工艺制造，性能一致性和可靠性很高，便于质量控制;6)抗高冲击、高过载;7)大批生产，MEMS引信的成本低，且其成本降低的潜力比传统引信要大得多。

目前，无论是从客观需求方面，还是从技术发展角度来看，在引信中采用 MEMS 技术的条件已经基本成熟。同时，MEMS技术在引信中应用的优势也越来越凸显。MEMS技术应用于引信中是21世纪引信发展的基调，也是引信发展的未来。

图2　引信技术的进化图Fig.2　Evolution of fuze technology

2国外MEMS技术在引信中的应用现状

20世纪90年代中后期，美国和其他北约国家将MEMS技术应用在引信系统，同时，代表美国引信技术发展路线的美国引信年会近十几年的报告中也有所体现，并且数量呈现逐年增加的趋势，应用领域也愈加广泛。表1统计了近年美国引信年会主题，美国引信的关注领域正逐渐由传统的机械电子引信向先进的智能引信转化，近年来美国对未来引信的发展方向同样处于探索阶段，但小型化、智能化与多功能化是未来引信的主要发展方向已经得到认同。

表1　近11年美国引信年会主题统计

从引信年会中美国各军兵种的主题报告中可以得出，美国对于未来引信有以下几方面的要求：1)以现有产品为基础，结构通用性好；2)用MEMS技术降低成本，实现小型化；3) 多种引爆模式，适用于不同类型的目标；4)使用DSP、FPGA等嵌入式技术来处理近感引信的实时数据，可以在较宽的通信频带内使用；5)开发体积更小更高效的能源系统；6)高费效比及高可靠性，可以在复杂环境下使用。

图3为最近14届美国引信年会中，以MEMS技术在引信中的相关应用为主题或与MEMS技术相关报告的数量呈逐年递增的趋势。

图3　近14年美国引信年会MEMS相关报告数量统计结果Fig.3　Statistical results of MEMS related reports in the last 14 years

通过对国外相关专利以及引信年会的分析，国外MEMS技术在引信中的应用研究主要分为三步:第一步是器件级研究，主要研究耐高过载、高冲击的用于目标信息感知和环境信息感知的传感器，以及在高过载、高冲击下有效控制引信动作的MEMS开关等；第二步是组件级研究，通过对相关器件深入的研究和透彻的理解，进一步研究模块化的MEMS安全系统(MEMS S&A Device)、微型传爆序列以及微能源装置等；第三步是系统级集成研究，通过对MEMS器件以及MEMS组件的模块化设计，结合通用化、系列化设计的设计思想，将MEMS安全系统、微型传爆序列、微能源装置、微发火控制单元以及微传感器有机结合起来，形成新一代MEMS引信。

2.1典型的MEMS引信器件

早在1992年，美国国防部指示ARPA(Advanced Research Projects Agency)制定一项将MEMS技术从实验室过渡到军事应用的三年计划。美国众多著名大学、公司和国家实验室以典型的MEMS引信器件入手，展开MEMS技术的研究工作，包括耐高过载、高冲击的用于目标信息感知和环境信息感知的传感器、高过载、高冲击下有效控制引信动作的MEMS开关以及用于MEMS引信安全系统第二道远距离解除保险的执行器等。

压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的MEMS传感器。MEMS压力传感器在引信中的应用方式主要有测引信迎面气流压力、测火药气体压力和测弹底压力等。美海军水面武器中心的印第安分部已经利用MEMS技术开发出用于用鱼雷引信的微小型起爆装置，该起爆装置就是利用MEMS压力传感器测量迎面流体的压力作为起爆信息，体积仅为115 cm3，该压力传感器可以有效区分出弹道迎面流体压力环境和勤务处理环境，比较适合应用于引信安全系统作为解除保险信息。图4为MEMS差压传感器[4]。

图4　Indian Head流量压力传感器Fig.4　Flow pressure sensor designed by Indian Head

2004年AFRL设计出一种高g值压阻式加速度传感器(如图5所示)，该传感器后来被定型为Endevco 7270系列[5]，该系列传感器最高可以测得20万g的过载，可使引信实现具有可编程的计空穴或计层次起爆、计埋深起爆和延时起爆功能，并且精确控制炸点位置。美国Pcb Piezotronics 公司正在研制新型全主动桥压阻式MEMS加速度传感器[6]，如图6。该技术首先应用在量程为2万g的系统中，而量程为6万g的目前正在研制中。新型加速度计的特点为：为降低功耗，输入电阻仅有大约5 000 Ω；仅在一侧进行了离子移植，有较低的零带测量输出或偏置；热零点漂移低，自通电加热漂移低；加速度计共有三块叠放的晶片，传感器封装在其内，悬臂梁较厚，以获得更大的量程。

美海军Indian Head实验室为美海军开发的计划用于6.75 in反鱼雷鱼雷引信的带闭锁机构的碰合开关如图7所示[7-8]。同时，2012年第56届引信年会上美国陆军武器研究设计工程中心(ARDEC)在一份对其未来引信发展规划的报告中展示了两种MEMS碰合开关[9]的照片，如图8所示，上述开关分别对后座过载与离心过载敏感。这两种碰合开关在前几年的引信年会中也有体现，目前对后座过载敏感的开关已可以使用。类似的碰合开关，美军其他机构也有相关研究成果公布[10-12]。

图5　7270加速度传感器Fig.5　The acceleration sensor of 7270

图6　全主动桥压阻式MEMS加速度传感器Fig.6　Piezoresistive MEMS accelerometer

图7　带有闭锁机构MEMS碰合开关Fig.7　MEMS switch with the latching mechanism

图8　无闭锁机构MEMS碰合开关Fig.8　MEMS switch with out the latching mechanism

法国LAAS的C. Rossi课题组在固态开关领域进行了多年的研究工作，研制出了多种类型的MEMS固态开关[13]，主要有电热蒸发断开固态开关、电爆炸断开固态开关及电热焊接导通型固态开关。此类开关具有双稳态、低能量的特点，将多个MEMS固态开关组成控制逻辑网络，可实现引信安全解保及其他功能。如图9所示。

2.2典型的MEMS引信组件

典型的MEMS引信组件主要包括模块化的MEMS安全系统、微型传爆序列以及微能源装置等。其中，微能源装置主要向小体积、高能量密度方面发展，代表作是瑞士AHEAD弹ABM引信的多层压电电源和美国M80PIP子弹近炸引信的卤氧化物锂电池，尺寸只有Φ6.5 mm×7 mm。而微型传爆序列被美国列为实现减小引信体积，降低生产成本的四项关键技术之一，是实现MEMS引信的重要技术。

2012年亚特兰大乔治亚技术研究院(GTRI)和海军水面作战中心的印第安纳总部利用微纳米铜与化学气体反应原位生成含能材料的方法制作圆柱形雷管[14]，其装药尺寸为直径2 mm、厚0.5 mm，生产的MEMS引信的面积大约为1 cm3，见图10。该方法的优势在于无含能材料废物，具有较好的安全性，低起爆能量，集成化程度高，允许完全的引信微型化，适于大规模生产。

硅桥起爆器(如图11)体积大约为20 000 μm3，各方向的尺寸大约为10 μm的量级。该起爆器在电压的作用下可产生等离子体，穿越2～5 μm的空气间隙引发起爆药[15]。

图9　法国LAAS研制的固态开关Fig.9　The solid-state switch designed by LASS

图10　采用原位装药方法制作的微型雷管Fig.10　The miniature detonator made by charge-situ method

图11　微型硅桥起爆器试验设置Fig.11　The test equipment of silicon-bridge detonator

MEMS安全系统对比传统安全系统具有很明显的优势，直观上主要体现在体积小(尺寸缩减到传统安全系统的5%)，质量轻(质量至少减轻90%)，低成本(造价减少了3/4)，可以让出更多空间，放置更多功能模块以及增大装药量，提高弹药精确度，提高战斗部威力，提高费效比[16]。其较早公布的结构为2002年Charles. H. Robinson等人设计的小口径武器安全系统，结构如图12(a)所示。2005年Charles. H. Robinson团队又公布了对原有安全系统的改进设计，如图12 (b)，这种安全系统应用于美国理想单兵武器(OICW)25 mm高爆榴弹中。在2012年的美国专利，Charles. H. Robinson团队披露了一种可用于20 mm空爆弹等中、小口径弹药的MEMS引信，如图12(c)，可应用于线膛炮、步枪等发射的弹药。Charles. H. Robinson团队MEMS安全系统的主要设计思路是，模块化的MEMS安全系统，主要采用UV-LIGA工艺，材料选用镍基或者铜基，由于UV-LIGA工艺对整体不能实现一体化加工，因此模块化的MEMS安全系统对功能模块进行一体化加工，同时，第二道远解保险都采用电-火药执行器对其进行动作控制，传爆序列采用错位式，可以有效避免电雷管意外发火并击穿隔爆滑块的情况，安全性得到提升[17-19]。

(a)

(b)

(c)

在2012年第56届引信年会上，“High-g MEMS Fuze”的主题报告中，India Head研究所为陆军40 mm枪榴弹MK19开发了通用微引信系统[14]，其三维图如图9与样机如图13。

图13　MK19中使用的引信微型安全与起爆控制系统Fig.13　The MEMS S&A device used in MK19

2.3MEMS引信系统级集成

MEMS引信系统级集成在MEMS引信中成功的典型案例是美国单兵综合作战系统的20 mm空爆榴弹可编程引信微系统[20]，集成了微电子多模态发火控制单元、MEMS安全系统、微型传爆序列和MEMS传感器，大幅度减小体积，并使传统单一的碰炸模式增加为具有空炸、入窗炸、碰炸与触发延期等四种可编程作用模式，如图14所示。该引信安全系统采用UV-LIGA工艺制造，集成低能起爆的半导体微桥火工品，实现了爆炸序列微型化和双向起爆，体积只有0.1 in3，重量减为原来的53%，制造成本降低50%，是目前世界上最小的满足引信安全性设计准则的安全系统。

美国以图13中所示的MEMS安全系统为核心，通过小型化、模块化和系列化设计，辅助以其他功能模块，共同组成新型引信[14]，如图15所示。该系统实现了MEMS安全系统与起爆控制电路的集成设计，目前主要用于MK19 40 mm枪榴弹中。

为改进中、小口径弹药的性能，莱克斯特公司为25 mm空爆弹药设计了MEMS安全系统[21]。该研究分为Mk I阶段和Mk II阶段。其中Mk I研究阶段的目标是：能在1 000 m的距离上，以1 m的精度控制弹药在目标上方起爆；空爆的模式与25 mm、30 mm及40 mm口径弹药的最大射程相适应；作用模式包括空爆、触发和自毁；符合STANAG 4187标准的规定；对空爆引信进行编程的装置与现有武器系统兼容，采用感应线圈编程。Mk I空爆弹的结构图如图16所示。而Mk II 25 mm空爆弹药电子器件更为低成本化，可靠性更高，适应能力更强，可根据所有中口径弹药进行设定。其研制流程为：先对后坐、旋转安全机构以及隔断机构等进行仿真，并进行静态和动态测试，完成优选后再对整个MEMS安全系统进行仿真、静态和动态测试。

图14　单兵综合作战系统20 mm空爆微引信系统Fig.14　20 mm airburst micro-fuze system used in Integrated Individual Soldier Combat System

图15　美国MK19枪榴弹SAF系统Fig.15　The SAF system used in US MK19 grenade

图16　Mk I空爆弹的结构图Fig.16　The structure of Mk I air-explosion projectile

3国外MEMS技术在引信中的应用趋势

从以上国外在MEMS引信方面的集成和应用，可以得到国外在MEMS引信研究中的一些特点和趋势。

1)对MEMS引信研究开展较早，美国从1996年起已开始了对小型爆炸序列(MSF)和其相关点火装置同MEMS引信S&A系统的集成研究。

2)将MEMS引信分为产业支撑、制造价格、生产设备、封装成熟度、封装适宜度、材料性能的一致性、安全系统设计的成熟度、安全系统反应性能和安全系统执行器性能等关键技术，每年都会对这些关键技术的技术成熟度进行评级，根据技术成熟度，开展下一步的工作，这也是MEMS引信产业的核心所在。

3)通过对引信MEMS化，不但可以提高引信的安全性能以及多功能，同时还能降低成本，提高生产效率，这也是国外对MEMS引信研究的驱动力所在。MEMS引信采用MEMS加工工艺，性能一致性和可靠性很高，特别是易于排除人为失误造成的影响，便于质量控制。大批量生产后生产效率远高于传统引信，同时成本低于传统引信。

4)针对引信具有更高的性能以及可以腾出空间完成更多的任务等需求牵引，国外近几年主要对小口径弹和反鱼雷鱼雷进行MEMS化，以实现更高的性能，同时，在旧弹改造以及新弹研制过程中，对引信MEMS化，原有模块MEMS化腾出更大空间，加入各种传感器及执行器以实现近炸、校射、弹道修正、毁伤评估、敌我识别等任务。

4结论

国外已经完成了从最基础的MEMS加工技术，集成电路技术以及加工工艺和材料制备到引信MEMS器件级设计并拓展到引信MEMS组件级设计，辅助自动化微装配，走出了MEMS引信系统集成的道路。与国外比较，国内MEMS技术在引信中的应用还有很大的差距。由于MEMS加工相关设备的不完备，以及工艺水平的限制，国内MEMS技术在引信中的应用研究目前主要处于器件级研究，组件级研究还正出于探索发展中[22]。

目前，基于中大口径榴弹的旧弹改造(笨弹变为灵巧弹药)，当前有大量的库存引信需要再设计，引信再设计是推行MEMS的机遇。基于MEMS的安全系统以其体积小和在高g环境下工作以及成本低廉等诸多优点使其非常适合小口径的炮弹,它必将在军事方面发挥巨大作用。

随着国内MEMS加工技术、集成电路技术、加工工艺和材料制备与特性研究工作的进展，必将使得引信MEMS器件和组件的批量生产在弹药中的大量应用成为可能，并且其在弹药中的应用呈小型化、集成化、智能化、网络化、广泛化、标准化趋势，也使得引信MEMS器件和组件在整个国防工业中有着更广泛的应用前景。

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*收稿日期:2016-01-05

作者简介:王辅辅(1986—)，男，河南平顶山人，博士研究生，研究方向：微小型引信技术与MEMES安全系统。E-mail:Wangfufu2004@sina.com。

中图分类号:TJ43

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)03-0022-07

Overview on MEMS Technology Application in Fuze

WANG Fufu, LOU Wenzhong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:Along with the development of MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) technology and contemporary fuze target identification, target location, safety control ability and other military needs，MEMS technology has more and more obvious advantages in fuze application. MEMS fuze can reduce costs, resistant to high impact and other hash environment, makes fuze miniaturization, smart and intelligent development. Firstly, the characteristics and necessity of the application of MEMS technology in fuze was highlighted. Secondly, the foreign MEMS fuze development was discoursed by device-level, component-level and system-level, and the development of the MEMS fuze was overviewed. Finally, the development trends of MEMS technology in fuze were discussed.

Key words:fuze; system analysis; MEMS technology