本发明涉及引信安全系统，具体涉及一种应用于引信安保的微机电组合逻辑器件及其制备方法。
背景技术：
为了确保各类弹药中引信功能安全可靠，引信安全系统得到了迅速的发展。主要包括全机械引信安全系统和全电子安全系统，机械引信安全系统因为其结构尺寸大，且无法对外界复杂电磁环境产生屏蔽作用，使得引信安全性能降低；全电子安全系统是通过提高起爆能量阈值，实现安保能力，但是小型化是他主要面临的问题，在复杂的环境下，无法保证引信系统安全可靠。应用于引信的安保系统越来越朝着小型化方向发展，具备单一功能的集成封装安保系统得到广泛的应用。但是，随着未来战争中战场环境的复杂多变，具备单一功能的微机电安保系统越来越难以适应战场复杂环境的需求。例如，瞬态的静电电压脉冲或者瞬态大电流都会使得具备单一逻辑功能的引信用安保系统失效，造成导弹不炸或者早炸，大大降低了有效打击敌人的能力。
技术实现要素：
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种应用于引信安保的微机电组合逻辑器件，通过分析造成引信失效的恒流、静电干扰因素，通过多物理场仿真并结合mems集成加工工艺实现组合逻辑器件的加工和封装。
本发明的一个目的在于提出一种应用于引信安保的微机电组合逻辑器件。
本发明的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件包括：绝缘衬底、封装壳、防恒流干扰单元和静电能量疏导单元；其中，在绝缘衬底上形成封装壳，封装壳为半球形的壳体，从而在封装壳与绝缘衬底之间形成封闭的半球形的空腔；在空腔内，一个或多个防恒流干扰单元以及一个或多个静电能量疏导单元中的设置在绝缘衬底上；防恒流干扰单元包括第一衬底、控制电极、绝缘层和导线连接电极，在第一衬底上形成控制电极，在控制电极上形成绝缘层，在绝缘层上形成导线连接电极，控制电极串联接入外部控制电路中，导线连接电极的一端连接火工品，另一端连接至起爆电路；当外界无电流干扰时，来自起爆电路的起爆信号通过导线连接电极发送至火工品，火工品正常工作；当有电流干扰信号时，电流干扰信号驱动控制电极工作，导致控制电极发生电爆炸，产生的能量熔断上层的导线连接电极，从而实现有效避免由于外界电流干扰信号造成的火工品误触发现象；静电能量疏导单元包括第二衬底以及形成在其上的两组放电电极，但两组放电电极之间有距离互相不导通，两组放电电极的两端分别并联在火工品上，并且在两组放电电极之上的封装壳内形成空气流体；在正常状态下，两组放电电极之间不导通，在火工品的两端为断路；当火工品两端具有干扰的高脉冲的静电电压时，高脉冲的静电电压使得并联在火工品两端的封装壳内封闭的小空间产生瞬态的高温和强电耦合环境，使得空气流体被激发，从而发生击穿，击穿电压使得两组放电电极导通，此时，火工品短路，高脉冲的静电能量被转移至两组放电电极上，从而保证火工品的安全。
防恒流干扰单元中，控制电极包括一对控制电极板以及连接二者的控制电桥，控制电桥的电阻小于控制电极板的电阻；绝缘层上具有通孔，从而将控制电极通过通孔引出；导线连接电极包括一对导线电极板以及连接二者的导线电桥，导线电桥的电阻小于导线电极板的电阻；导线电桥与控制电桥的位置重叠；当有电流干扰信号时，电流干扰信号驱动控制电极工作，由于控制电桥的电阻小，导致控制电桥发生电爆炸，产生的能量熔断上层的导线连接电极的导线电桥，断开火工品与起爆电路。
防恒流干扰单元中，控制电极采用熔点低的导电金属，如铝；绝缘层采用绝缘材料，如氮化硅；导线连接电极采用电磁效应明显的导电金属，如镍或钛。控制电极的一端悬空，接收电流干扰信号，另一端连接至外部控制电路的低电平。
静电能量疏导单元包括第二衬底以及形成在其上的中心电极和多个边缘电极，多个边缘电极围绕着中心电极分布，并且位于与中心电极同心的圆形上，中心电极作为一组放电电极，多个边缘电极互相连通作为另一组放电电极，分别并联在火工品上；边缘电极的顶端具有边缘放电尖端，边缘放电尖端指向中心电极的圆心；中心电极的边缘与边缘电极相对的位置具有多个中心放电尖端，每一个中心放电尖端与相应的边缘放电尖端相对，并且二者之间有距离。每一组相对的边缘放电尖端与中心放电尖端之间的距离为3～7μm。边缘放电尖端和中心放电尖端为三角形，三角形的顶角为45～60度。
静电能量疏导单元中的中心电极和多个边缘电极均包括第一层金属层、粘附层和第二层金属层；其中，第一层金属层为铝或银，粘附层为锗，第二层金属层为镍ni、钨w或金au。
封装壳的形式和材料的选取对本发明的微机电安全保障系统有着至关重要的影响，本发明采用阳极键合工艺实现的圆片级封装，为了提高器件的吸收外界干扰能量的能力，本发明的封装壳采取高温玻璃回流形成半球形的空腔，疏导扩展的能力强。通过对比其他形式的封装材料及结构，该封装结构能够确保在高温-高压-强电磁环境下，微机电安全保障系统的功能稳定，并且硅-玻璃阳极键合工艺成本低、使用效率很高。
进一步，在绝缘衬底上设置多对信号互连焊盘，每一对信号互连焊盘分别位于封装壳的内部和外部，每一对信号互连焊盘之间电学连接，防恒流干扰单元的控制电极板和导线连接电极，以及静电能量疏导单元的两组放电电极连接至位于封装壳内部的信号互连焊盘上，以实现与外部的电气连接。
本发明的另一个目的在于提供一种应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的制备方法。
本发明的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的制备方法，包括以下步骤：
1)制备防恒流干扰单元：
a)提供绝缘的第一衬底；
b)在第一衬底上溅射一层控制电极金属层；
c)通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺使得控制电极金属层图形化，形成控制电极；
d)在控制电极上形成绝缘层；
e)对绝缘层图形化，在绝缘层上形成通孔；
f)在绝缘层上溅射一层导线连接电极金属层；
g)通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺使得导线连接电极金属层图形化，形成导线连接电极，完成防恒流干扰单元制备；
2)制备静电能量疏导单元：
a)提供绝缘的第二衬底；
b)在第二衬底上溅射第一层金属层；
c)在第一层金属层上形成粘附层；
d)在粘附层上溅射第二层金属层；
e)对第一层金属层、粘附层和第二层金属层图形化，从而形成中心电极和多个边缘电极，完成静电能量疏导单元制备；
3)在绝缘衬底上利用溅射工艺形成多对信号互连焊盘，将防恒流干扰单元和静电能量疏导单元通过引线键合实现与绝缘衬底上的信号互连焊盘的电气连接，以实现封装后，防恒流干扰单元和静电能量疏导单元的电气连接；
4)在绝缘衬底上通过阳极键合工艺键合玻璃基片；
5)将上层基板键合在玻璃基片上，并在防恒流干扰单元和静电能量疏导单元的相对位置处通过干法刻蚀打孔；
6)进行高温退火工艺，由于玻璃与绝缘衬底的温度特性不同，玻璃基片在高温作用下，通过上层基板膨胀和回流，形成半球形的封装壳，最终通过划片工艺实现单个的组合逻辑器件的制备。
在步骤4)中，绝缘衬底采用硅衬底。
在步骤5)中，上层基板采用硅。
本发明的优点：
本发明采用将防恒流干扰单元和静电能量疏导单元封装在半球形的封装壳内，具有防静电和防恒流干扰功能；本发明结构更具有广泛的实用性，适应不同的外部环境；其次，本发明结构的体积小、功耗低、成本低；本发明结构采用引信用芯片集成技术(fuzeonchip)集成加工工艺思想，通过结构加工与布局设计确保引信安保系统的微机电安全保障系统稳定工作；本发明采用半球形的封装壳，在冲击环境下具备比相同材料其他形式结构更高的抗过载能力；同时加工成本低，易于实现产量化。
附图说明
图1为本发明的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的一个实施例的示意图；
图2为本发明的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的一个实施例的防恒流干扰单元的示意图；
图3为本发明的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的一个实施例的静电能量疏导单元的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件包括：绝缘衬底4、封装壳3、信号互连焊盘5、防恒流干扰单元1和静电能量疏导单元2；其中，在绝缘衬底上形成封装壳，封装壳为半球形的壳体，从而在封装壳与绝缘衬底之间形成封闭的半球形的空腔；在空腔内，多个防恒流干扰单元1和静电能量疏导单元2设置在绝缘衬底上。在绝缘衬底上设置多对信号互连焊盘5，每一对信号互连焊盘分别位于封装壳的内部和外部，每一对信号互连焊盘之间电学连接。
如图2所示，防恒流干扰单元包括第一衬底、控制电极、绝缘层和导线连接电极，在第一衬底上形成控制电极，在控制电极上形成绝缘层，在绝缘层上形成导线连接电极。控制电极包括一对控制电极板lj3和lj4以及连接二者的控制电桥，控制电桥的电阻小于控制电极板的电阻，一个控制电极板lj3悬空，另一个控制电机板lj4连接至外部控制电路的低电平；绝缘层上具有通孔，从而将控制电极通过通孔引出；导线连接电极包括一对导线电极板kz1和kz2以及连接二者的导线电桥，导线电桥的电阻小于导线电极板的电阻，一个导线电极板kz1连接至火工品，另一个导线电极板kz2连接至起爆电路。一对控制电极板lj3和lj4以及一对导线电极板kz1和kz2分别引出至信号互连焊盘5，以实现与外部的电气连接。
如图3所示，静电能量疏导单元包括静电能量疏导单元包括第二衬底21以及形成在其上的中心电极22和多个边缘电极23，多个边缘电极围绕着中心电极分布，并且位于与中心电极同心的圆形上，中心电极作为一组放电电极，多个边缘电极互相连通作为另一组放电电极，分别并联在火工品上；边缘电极的顶端具有边缘放电尖端，放电尖端指向中心电极的圆心；中心电极的边缘与边缘电极相对的位置具有多个中心放电尖端，每一个中心放电尖端与相应的边缘放电尖端相对，并且二者之间有距离。每一组相对的边缘放电尖端与中心放电尖端之间的距离为3～7μm。边缘放电尖端和中心放电尖端为三角形，三角形的顶角为45～60度的中心电极和多个边缘电极均包括第一层金属层、粘附层和第二层金属层；其中，第一层金属层为铝，粘附层为锗，以及第二层金属层为镍ni。中心电极通过引出焊盘24引出至信号互连焊盘5。边缘电极直接引出至信号互连焊盘5。
本实施例的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的制备方法，包括以下步骤：
本发明的应用于引信安保的微机电组合逻辑器件的制备方法，包括以下步骤：
1)制备防恒流干扰单元：
a)在硅(100)形成500nm厚的氧化硅作为绝缘的第一衬底；
b)在第一衬底上溅射一层1μm的控制电极金属层；
c)通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺使得控制电极金属层图形化，形成控制电极；
d)在控制电极上生长500nm氮化硅形成绝缘层；
e)对绝缘层图形化，在绝缘层上形成通孔；
f)在绝缘层上溅射一层500nm厚的导线连接电极金属层；
g)通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺使得导线连接电极金属层图形化，形成导线连接电极，完成防恒流干扰单元制备；
2)制备静电能量疏导单元：
a)在硅(100)上形成500nm厚的氧化硅作为绝缘的第二衬底；
b)在第二衬底上溅射1μm厚的铝作为第一层金属层；
c)在第一层金属层上溅射一层锗形成粘附层；
d)在粘附层上溅射500nm厚的ni作为第二层金属层；
e)对第一层金属层、粘附层和第二层金属层图形化，从而形成中心电极和多个边缘电极，完成静电能量疏导单元制备；
3)在绝缘衬底上利用溅射工艺形成多对信号互连焊盘，将防恒流干扰单元和静电能量疏导单元通过引线键合实现与绝缘衬底上的信号互连焊盘的电气连接，以实现封装后，防恒流干扰单元和静电能量疏导单元的电气连接；
4)在绝缘衬底上通过阳极键合工艺键合玻璃基片；
5)将硅的上层基板键合在玻璃基片上，并在防恒流干扰单元和静电能量疏导单元的相对位置处通过干法刻蚀实现孔洞；
6)进行高温退火工艺，由于玻璃与硅的绝缘衬底的温度特性不同，玻璃基片在高温作用下，通过上层基板膨胀和回流，形成半球形的封装壳，最终通过划片工艺实现单个的组合逻辑器件的制备。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。