基于MEMS-CMOS技术集成的引信执行级电路模块化基础研究

The fuze in minor-caliber weapon systems is easily getting perished and over-load invalid induced by temperature, electric and stress field during the long-time working or instantaneous emission. Further, we can improve the wounding effects of projectiles effenciently by decreasing the weight or volume, and inceasing the the charge of the projectile. Therefore, we developed a novel method named modularity circuit of intelligent fuze in execution level based on MEMS-CMOS integrated technology. We will investigate the fabrication process of MEMS ignition capacitor systematically, and clarify the capacitance, bias voltage and the leaking current dependence of dimension of the structure, material of the electrode, dielectric constant based on micro-nano effect using this method.We also determine the Compatible technology to preclaim the relationship between the fabrication process and stress, temperature, electric field, molecular diffusion produced in the process in MEMS-CMOS integrated technology theoritically and experimently. Finally, we can setup a system to clarify the phenomenon induced by many factors and realize single-chip integration technology. This research will shed light on the miniaturization, long-life and anti-overload of the fuze in execution level, and provide the key technology for further development of the MEMS-CMOS integrated technology.

小口径武器系统在长期勤务和瞬时发射条件下，温度、电场及过载等外场环境极易导致引信执行级电路老化和失效；同时，引信（尤其是其执行电路）体积和重量大，降低了弹丸的装药量，严重影响了弹丸的杀伤效果。针对上述问题，本项目提出一种基于MEMS-CMOS集成制造技术的智能引信执行级电路模块化新方法。利用微纳制造尺度效应，系统研究MEMS发火电容器制造工艺，揭示结构尺寸、电极材料和介质介电常数及厚度等因素对电容器容值、工作电压及漏电流等参数的影响机理；利用力学、热学、电学和分子运动学等基础理论，研究基于MEMS-CMOS集成工艺的协同设计和兼容制造技术问题，揭示器件集成制造工艺与应力、温度、电场和分子扩散之间的依赖关系，建立参数之间的影响机制，实现基于MEMS和CMOS模块的单芯片一体化集成。本研究为微型化、长寿命和抗高过载的引信执行级电路设计和开发提供基础理论指导和关键技术支持。

本项目提出了一种基于MEMS-CMOS集成制造技术的智能引信执行级电路模块化新方法，研究了基于MEMS-CMOS集成工艺的协同设计和兼容制造技术问题，理论分析和实验验证了结构制造、功能薄膜生长对于提升器件可靠性的关键影响因素和作用机理。主要研究成果如下：.建立了MEMS电容器与发火电路之间的依赖关系，分析了MEMS电容器工作电压、电容值、漏电流、发火能量等关键参数对发火电路的影响机制；理论分析了介质的介电常数、厚度和表面积对电容器容值、击穿电压和漏电流的耦合作用。提出了基于深反应离子刻蚀技术制造MEMS电容器的设计思路，分析了影响电容器可靠性的结构应力和电场集中关键因素，从结构和材料两方面理论和仿真研究了关键结构形貌和材料属性与电容器集中电场和应力之间的作用机制，设计了电容器可靠制造的整体设计方案。基于均匀薄膜生长机理，建立了高深宽比结构原子层沉积工艺动力学模型，分析了反应气体在高深宽比结构中的吸附和反应过程；提出了高深宽比结构原子层沉积优化方案；解决了由热应力集中导致的薄膜粘附性差的技术难题；表征了薄膜微结构和介电特性，实现了高可靠性的MEMS电容器功能层制造。本研究为微型化、长寿命和抗高过载的引信执行级电路设计和开发提供基础理论指导和关键技术支持。