原位焊接型单次试开密码鉴别电路

贾 乐, 高 杨, 王宇航, 4

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010； 2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳 621999； 3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆 400044； 4.中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049)

原位焊接型单次试开密码鉴别电路

贾 乐1, 高 杨2, 3, 王宇航1, 4

(1.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010； 2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳 621999； 3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆 400044； 4.中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049)

针对目前微机电系统密码锁中鉴别器结构复杂、可靠性不高的问题，提出了原位焊接型单次试开密码鉴别电路。该电路由焊接型TMS-OFF开关按照每级“二选一”的逻辑级联构成，焊接型TMS-OFF开关与具有熔断特性的保险丝按照装定密码对应的电路关系进行连接，构成了原位焊接型单次试开固态密码锁。综合利用焊接型TMS-OFF开关中OFF态到ON态单向切换的不可逆特性、保险丝的熔断特性、与装定密码对应的电路连接关系，实现了单次试开的功能。应用实例表明：利用焊接型TMS-OFF开关，控制电流、电压、频率、脉冲幅值而使电动执行器工作，分别构成电流型、电压型、频率型、脉冲型的固态密码锁，具有结构简单、易于制作、安全性高的优点，可用于要害系统、设施等的安全与保安应用中。

密码鉴别电路；密码锁；开关；单次试开；固态；要害系统

0 引言

“要害事件(High Consequence Event)”是指：对系统的疏忽操作，可能导致生命、财产的灾难性损失或危害环境的这样一类事件[1-2],这样的系统，则被称为“要害系统(High Consequence System)”[3]。微机电安全密码锁(MEMS Safety Lock)是一类用于确保“要害系统”安全性的装置，与普通密码锁相比,安全密码锁的功能特点是逐位鉴别/解锁)、单次试开[4]。文献[4]介绍了微机电安全密码锁的基本功能单元：即鉴别器机构、驱动器与能量耦合器，结合工作原理的分析，探讨了装置总体设计中应考虑的关键问题。文献[5]提出一种反干涉齿轮集微机电系统密码锁，该密码锁也是一种用于要害系统的机电一体化装置，密码锁驱动器由两片电机定子和一个电机转子构成；鉴码器由两组反干涉齿轮集、棘轮、棘爪和簧片构成；耦合器由光纤、准直器和耦合轮构成。由鉴别器机构与鉴码器分别构成的密码锁，结构较复杂，可靠性不高。

法国科学研究中心系统分析与架构实验室近10余年以来一直在努力研制一种“MEMS热机械TMS-OFF开关 (MEMS Based TMS-OFF Thermo-Mechanical Switch，简称‘TMS-OFF开关’)”[6]，用于构建新型的MEMS安全、解保与点火装置，即微引信(Safe, Arm and Fire Device)[7]。TMS-OFF开关是这种微引信的核心器件。文献[8—9]报道了TMS-OFF开关的结构、工作原理、集成化及测试。Pierre Pennarun等[10]人将TMS-OFF开关应用于新一代引信中，但目前为止，还并未将此开关应用于密码鉴别电路设计中。本文针对上述问题，提出了原位焊接型单次试开密码鉴别电路。

1 TMS-OFF开关

图1所示为TMS-OFF开关的工作原理示意图[10]，其工作原理为：在硅基绝缘膜片上集成有电阻式微型电热器，电热器之上、两条导线之间，蒸发制作一层树脂，实现两条导线间的电气绝缘；树脂之上、两条导线之间，沉积制作一个微焊球。电热器通过电流时，原位加热树脂和微焊球至焊接温度，实现两条隔离导线之间的钎焊导通。

TMS-OFF开关的优点在于：1) 发生微钎焊之前，由于焊盘之间有一层较厚的物理绝缘层(树脂)，电气绝缘可靠而健壮；当开关处于ON态时，由于金属原子互扩散形成金属间化合物，电接触电阻为0，可以通过大电流或高电压；2) 开关从OFF态切换到ON态，依靠原位微钎焊实现，仅需在数百毫秒内提供数十毫焦的能量(文献报道约72 mJ @ 443 ms)，并且具有很高的重复性和可靠性；3)开关保持在OFF态或ON态，不需要额外的能量；4) 可以通过较小的电流，实现TMS-OFF开关健康状态的安全自检。

2 密码鉴别电路

原位焊接型单次试开Nbit的密码鉴别电路，由2N(N级、每级2个)个焊接型TMS-OFF开关，按照每级“二选一”的逻辑，N级级联构成，用于装定密码。将焊接型TMS-OFF开关与具有熔断特性的保险丝按照装定密码对应的电路关系进行连接，构成了原位焊接型单次试开固态密码锁。

原位焊接型单次试开固态密码锁，至少包括电源、导线、密码鉴别电路、保险丝，电源通过导线连接密码鉴别电路，密码鉴别电路与保险丝相连，保险丝与电源相连；密码鉴别电路与保险丝相连的正确解锁通路上连接有电动执行器；本设计适用于Nbit密码锁。任一bit输入错误的密码时，由于焊接型OFF-ON开关只能实现OFF态到ON态的单向切换，具有不可逆特性，密码鉴别电路具有与装定密码对应的电路连接关系，将使电源和保险丝保持在短路状态，进而熔断保险丝，电动执行器因此无法获得来自电源的电激励信号而作动；只有当Nbit密码全部输入正确时，密码鉴别电路才会使电源和电动执行器保持在串联状态，电动执行器获得来自电源的电激励信号而作动。若输入密码正确，电动执行器工作。

图2所示是电流型固态密码锁4 bit正确解锁电路图。电流每经一个节点都有两路选择，在正确解锁的情况下，固态开关即TMS-OFF A1、B2、A3、B4处于ON状态，则保险丝不会熔断，即密码锁工作，电动执行器通过所需电流而作动。以节点流出两路编码01方式，上方开关处于ON态为记为0，右方开关处于ON态记为1，由此图2的正确解锁密码为“0101”。

图3所示是电流型固态密码锁的误码失效电路与单次试开实现图。当电流经节点选择固态开关后，若第一步就误让固态开关即焊接型TMS-OFF B1处于ON状态，则电流经开关B1将保险丝熔断，从而电动执行器与电源断开，由于焊接型TMS-OFF开关一经处于ON态，无法恢复，即使更换保险丝，电路始终处于短路状态，会再次熔断保险丝。这样就使电动执行器与电源彻底断开，无法获得作动所需的电流，从而真正实现单次试开功能，确保安全性。即使不是第一步出错，前面输入密码正确，后面出现误码也会达到上述结果。

3 应用实例

在实际应用中，本设计利用焊接型TMS-OFF开关控制电压、频率、脉冲幅值而分别构成的电压型、频率型、脉冲型密码锁，采用如图2所示的密码鉴别电路装定密码。

1)电压型固态密码锁

将密码锁应用于分压电路中，密码锁与两个电阻串联，电动执行器与其中一个电阻并联，电压与其两端电压相等。利用密码锁的密码鉴别电路与焊接型TMS-OFF开关特性控制电压，当密码输入正确时，电阻分压，电动执行器得到所需电压而工作，从而实现电压型密码锁的应用。

2)频率型固态密码锁

将密码锁一端接入振荡电路中，另一端连接分频器或倍频器，再与电动执行器连接构成回路。利用密码锁的密码鉴别电路与焊接型TMS-OFF开关特性实现控制分频器或倍频器的工作，从而控制电动执行器所需的频率。当密码输入正确时，得到所需频率使频率型电动执行器工作，实现频率型密码锁的应用。

3)脉冲型固态密码锁

将密码锁一端接入脉冲发生电路中，另一端连接放大器，再与电动执行器连接构成回路。利用密码锁的密码鉴别电路与焊接型TMS-OFF开关特性实现控制放大器的工作，从而控制电动执行器所需的脉冲幅值。当密码输入正确时，得到所需脉冲幅值使脉冲型电动执行器工作，实现脉冲型密码锁的应用。

4 结论

本文提出了原位焊接型单次试开密码鉴别电路。该电路中的焊接型TMS-OFF开关与具有熔断特性的保险丝按照装定密码对应的电路关系进行连接，构成了原位焊接型单次试开固态密码锁。综合利用焊接型TMS-OFF开关中OFF态到ON态单向切换的不可逆特性、保险丝的熔断特性、与装定密码对应的电路连接关系，实现了单次试开的功能。应用实例表明：利用焊接型TMS-OFF开关，控制电流、电压、频率、脉冲幅值而使电动执行器工作，分别构成电流型、电压型、频率型、脉冲型的固态密码锁，具有结构简单、易于制作、安全性高的优点，可用于要害系统、设施等的安全与保安应用中。拟对TMS-OFF开关建立相应的多物理场耦合模型行为模型、对其结构和材料进行优化设计及器件的可靠性分析与评估等问题进行研究，进一步提高密码锁的安全性。

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[2]Polosky M A, Garcia E J, Allen J J. Surface micro machined counter-meshing gears discrimination device: US 6158297 A[P]. 2000.

[3]路荣先. 引信系统安全性设计中的“三防”原理[J]. 探测与控制学报, 2002, 24(1): 1-4.

[4]高杨, 文贵印, 赵小林,等. 微机电安全密码锁的设计技术[J]. 微纳电子技术, 2003, 40(7): 573-576.

[5]张卫平, 陈文元, 赵小林,等. 反干涉齿轮集微机电系统密码锁鉴码问题[J]. 上海交通大学学报, 2006, 40(7): 1103-1107.

[6]Pennarun P, Rossi C, Estève D, et al. Single use, robust, MEMS based electro-thermal micro switches for redundancy and system reconfiguration[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2007, 136(1): 273-281.

[7]Rossi C, Larangot B. Final characterizations of MEMS-based pyrotechnical micro thrusters[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2005, 121(2): 508-514.

[8]Pezous H, Rossi C, Sanchez M, et al. Integration of a MEMS based safe arm and fire device[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2010, 159(2): 157-167.

[9]Pezous H, Rossi C, Sanchez M, et al. Fabrication, assembly and tests of a MEMS-based safe, arm and fire device[J]. Journal of Physics & Chemistry of Solids, 2010, 71(2): 75-79.

[10]Pennarun P, Veronique C. Development of MEMS based safe electro-thermal pyrotechnic igniter for a new generation of micro fuze[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005, 5836.

In-situ Soldering Type Single-try Discriminator Circuit

JIA Le1, GAO Yang2, 3, WANG Yuhang1, 4

(1.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010, China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China；3.National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China; 4. State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Institute of High Energy Physics，CAS，Beijing 100049，China)

Aiming at the problems that the structure of discriminator in the current micro-electromechanical system combination lock was complex and the reliability of electronic combination locks was poor, an in-situ soldering single-try discrimination circuit was proposed. The circuit was composed of soldering TMS-OFF switches according to alternative logic of each stage and cascaded. The soldering TMS-OFF switches were connected with the fuse that has a feature of fusing to form an in-situ soldering and single-try solid combination lock according to corresponding relationship between setting password and the circuit. We utilized unidirectional irreversible characteristic of the soldering TMS-OFF switches from OFF state to the ON state, fusing characteristic of the fuse and corresponding relationship between setting password and the circuit to achieve function of single-try. Examples showed that the electric actuator would work when the soldering type TMS-OFF switches controlled voltage, current, frequency, and pulse amplitude, which constituted the voltage type, current type, frequency type, and pulse-type combination lock with the advantages of simple structure, easy fabrication and high safety that could be used in security applications such as high consequence system and facilities respectively.

discriminator circuit; combination lock; switch; single-try; solid-state; high consequence system

2016-07-18

国家自然科学基金项目资助(61574131)；中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金项目资助(2014ZA001)；核探测与核电子学国家重点实验室开放课题基金项目资助(2016KF-02)；西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室开放基金项目资助(14ZXTK01)

贾乐(1993—), 女，内蒙古乌兰察布人，硕士研究生，研究方向：微电子机械系统。E-mail: 760486407@qq.com。

TJ430.3; TJ430.2

A

1008-1194(2017)01-0093-03