賈 樂, 高 楊, 王宇航, 4

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010； 2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621999； 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，重慶 400044； 4.中國科學(xué)院高能物理研究所核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049)

原位焊接型單次試開密碼鑒別電路

賈 樂1, 高 楊2, 3, 王宇航1, 4

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010； 2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621999； 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，重慶 400044； 4.中國科學(xué)院高能物理研究所核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049)

針對目前微機(jī)電系統(tǒng)密碼鎖中鑒別器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高的問題，提出了原位焊接型單次試開密碼鑒別電路。該電路由焊接型TMS-OFF開關(guān)按照每級“二選一”的邏輯級聯(lián)構(gòu)成，焊接型TMS-OFF開關(guān)與具有熔斷特性的保險絲按照裝定密碼對應(yīng)的電路關(guān)系進(jìn)行連接，構(gòu)成了原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖。綜合利用焊接型TMS-OFF開關(guān)中OFF態(tài)到ON態(tài)單向切換的不可逆特性、保險絲的熔斷特性、與裝定密碼對應(yīng)的電路連接關(guān)系，實現(xiàn)了單次試開的功能。應(yīng)用實例表明：利用焊接型TMS-OFF開關(guān)，控制電流、電壓、頻率、脈沖幅值而使電動執(zhí)行器工作，分別構(gòu)成電流型、電壓型、頻率型、脈沖型的固態(tài)密碼鎖，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、安全性高的優(yōu)點，可用于要害系統(tǒng)、設(shè)施等的安全與保安應(yīng)用中。

密碼鑒別電路；密碼鎖；開關(guān)；單次試開；固態(tài)；要害系統(tǒng)

0 引言

“要害事件(High Consequence Event)”是指：對系統(tǒng)的疏忽操作，可能導(dǎo)致生命、財產(chǎn)的災(zāi)難性損失或危害環(huán)境的這樣一類事件[1-2],這樣的系統(tǒng)，則被稱為“要害系統(tǒng)(High Consequence System)”[3]。微機(jī)電安全密碼鎖(MEMS Safety Lock)是一類用于確?！耙ο到y(tǒng)”安全性的裝置，與普通密碼鎖相比,安全密碼鎖的功能特點是逐位鑒別/解鎖)、單次試開[4]。文獻(xiàn)[4]介紹了微機(jī)電安全密碼鎖的基本功能單元：即鑒別器機(jī)構(gòu)、驅(qū)動器與能量耦合器，結(jié)合工作原理的分析，探討了裝置總體設(shè)計中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[5]提出一種反干涉齒輪集微機(jī)電系統(tǒng)密碼鎖，該密碼鎖也是一種用于要害系統(tǒng)的機(jī)電一體化裝置，密碼鎖驅(qū)動器由兩片電機(jī)定子和一個電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成；鑒碼器由兩組反干涉齒輪集、棘輪、棘爪和簧片構(gòu)成；耦合器由光纖、準(zhǔn)直器和耦合輪構(gòu)成。由鑒別器機(jī)構(gòu)與鑒碼器分別構(gòu)成的密碼鎖，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可靠性不高。

法國科學(xué)研究中心系統(tǒng)分析與架構(gòu)實驗室近10余年以來一直在努力研制一種“MEMS熱機(jī)械TMS-OFF開關(guān) (MEMS Based TMS-OFF Thermo-Mechanical Switch，簡稱‘TMS-OFF開關(guān)’)”[6]，用于構(gòu)建新型的MEMS安全、解保與點火裝置，即微引信(Safe, Arm and Fire Device)[7]。TMS-OFF開關(guān)是這種微引信的核心器件。文獻(xiàn)[8—9]報道了TMS-OFF開關(guān)的結(jié)構(gòu)、工作原理、集成化及測試。Pierre Pennarun等[10]人將TMS-OFF開關(guān)應(yīng)用于新一代引信中，但目前為止，還并未將此開關(guān)應(yīng)用于密碼鑒別電路設(shè)計中。本文針對上述問題，提出了原位焊接型單次試開密碼鑒別電路。

1 TMS-OFF開關(guān)

圖1所示為TMS-OFF開關(guān)的工作原理示意圖[10]，其工作原理為：在硅基絕緣膜片上集成有電阻式微型電熱器，電熱器之上、兩條導(dǎo)線之間，蒸發(fā)制作一層樹脂，實現(xiàn)兩條導(dǎo)線間的電氣絕緣；樹脂之上、兩條導(dǎo)線之間，沉積制作一個微焊球。電熱器通過電流時，原位加熱樹脂和微焊球至焊接溫度，實現(xiàn)兩條隔離導(dǎo)線之間的釬焊導(dǎo)通。

TMS-OFF開關(guān)的優(yōu)點在于：1) 發(fā)生微釬焊之前，由于焊盤之間有一層較厚的物理絕緣層(樹脂)，電氣絕緣可靠而健壯；當(dāng)開關(guān)處于ON態(tài)時，由于金屬原子互擴(kuò)散形成金屬間化合物，電接觸電阻為0，可以通過大電流或高電壓；2) 開關(guān)從OFF態(tài)切換到ON態(tài)，依靠原位微釬焊實現(xiàn)，僅需在數(shù)百毫秒內(nèi)提供數(shù)十毫焦的能量(文獻(xiàn)報道約72 mJ @ 443 ms)，并且具有很高的重復(fù)性和可靠性；3)開關(guān)保持在OFF態(tài)或ON態(tài)，不需要額外的能量；4) 可以通過較小的電流，實現(xiàn)TMS-OFF開關(guān)健康狀態(tài)的安全自檢。

2 密碼鑒別電路

原位焊接型單次試開Nbit的密碼鑒別電路，由2N(N級、每級2個)個焊接型TMS-OFF開關(guān)，按照每級“二選一”的邏輯，N級級聯(lián)構(gòu)成，用于裝定密碼。將焊接型TMS-OFF開關(guān)與具有熔斷特性的保險絲按照裝定密碼對應(yīng)的電路關(guān)系進(jìn)行連接，構(gòu)成了原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖。

原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖，至少包括電源、導(dǎo)線、密碼鑒別電路、保險絲，電源通過導(dǎo)線連接密碼鑒別電路，密碼鑒別電路與保險絲相連，保險絲與電源相連；密碼鑒別電路與保險絲相連的正確解鎖通路上連接有電動執(zhí)行器；本設(shè)計適用于Nbit密碼鎖。任一bit輸入錯誤的密碼時，由于焊接型OFF-ON開關(guān)只能實現(xiàn)OFF態(tài)到ON態(tài)的單向切換，具有不可逆特性，密碼鑒別電路具有與裝定密碼對應(yīng)的電路連接關(guān)系，將使電源和保險絲保持在短路狀態(tài)，進(jìn)而熔斷保險絲，電動執(zhí)行器因此無法獲得來自電源的電激勵信號而作動；只有當(dāng)Nbit密碼全部輸入正確時，密碼鑒別電路才會使電源和電動執(zhí)行器保持在串聯(lián)狀態(tài)，電動執(zhí)行器獲得來自電源的電激勵信號而作動。若輸入密碼正確，電動執(zhí)行器工作。

圖2所示是電流型固態(tài)密碼鎖4 bit正確解鎖電路圖。電流每經(jīng)一個節(jié)點都有兩路選擇，在正確解鎖的情況下，固態(tài)開關(guān)即TMS-OFF A1、B2、A3、B4處于ON狀態(tài)，則保險絲不會熔斷，即密碼鎖工作，電動執(zhí)行器通過所需電流而作動。以節(jié)點流出兩路編碼01方式，上方開關(guān)處于ON態(tài)為記為0，右方開關(guān)處于ON態(tài)記為1，由此圖2的正確解鎖密碼為“0101”。

圖3所示是電流型固態(tài)密碼鎖的誤碼失效電路與單次試開實現(xiàn)圖。當(dāng)電流經(jīng)節(jié)點選擇固態(tài)開關(guān)后，若第一步就誤讓固態(tài)開關(guān)即焊接型TMS-OFF B1處于ON狀態(tài)，則電流經(jīng)開關(guān)B1將保險絲熔斷，從而電動執(zhí)行器與電源斷開，由于焊接型TMS-OFF開關(guān)一經(jīng)處于ON態(tài)，無法恢復(fù)，即使更換保險絲，電路始終處于短路狀態(tài)，會再次熔斷保險絲。這樣就使電動執(zhí)行器與電源徹底斷開，無法獲得作動所需的電流，從而真正實現(xiàn)單次試開功能，確保安全性。即使不是第一步出錯，前面輸入密碼正確，后面出現(xiàn)誤碼也會達(dá)到上述結(jié)果。

3 應(yīng)用實例

在實際應(yīng)用中，本設(shè)計利用焊接型TMS-OFF開關(guān)控制電壓、頻率、脈沖幅值而分別構(gòu)成的電壓型、頻率型、脈沖型密碼鎖，采用如圖2所示的密碼鑒別電路裝定密碼。

1)電壓型固態(tài)密碼鎖

將密碼鎖應(yīng)用于分壓電路中，密碼鎖與兩個電阻串聯(lián)，電動執(zhí)行器與其中一個電阻并聯(lián)，電壓與其兩端電壓相等。利用密碼鎖的密碼鑒別電路與焊接型TMS-OFF開關(guān)特性控制電壓，當(dāng)密碼輸入正確時，電阻分壓，電動執(zhí)行器得到所需電壓而工作，從而實現(xiàn)電壓型密碼鎖的應(yīng)用。

2)頻率型固態(tài)密碼鎖

將密碼鎖一端接入振蕩電路中，另一端連接分頻器或倍頻器，再與電動執(zhí)行器連接構(gòu)成回路。利用密碼鎖的密碼鑒別電路與焊接型TMS-OFF開關(guān)特性實現(xiàn)控制分頻器或倍頻器的工作，從而控制電動執(zhí)行器所需的頻率。當(dāng)密碼輸入正確時，得到所需頻率使頻率型電動執(zhí)行器工作，實現(xiàn)頻率型密碼鎖的應(yīng)用。

3)脈沖型固態(tài)密碼鎖

將密碼鎖一端接入脈沖發(fā)生電路中，另一端連接放大器，再與電動執(zhí)行器連接構(gòu)成回路。利用密碼鎖的密碼鑒別電路與焊接型TMS-OFF開關(guān)特性實現(xiàn)控制放大器的工作，從而控制電動執(zhí)行器所需的脈沖幅值。當(dāng)密碼輸入正確時，得到所需脈沖幅值使脈沖型電動執(zhí)行器工作，實現(xiàn)脈沖型密碼鎖的應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文提出了原位焊接型單次試開密碼鑒別電路。該電路中的焊接型TMS-OFF開關(guān)與具有熔斷特性的保險絲按照裝定密碼對應(yīng)的電路關(guān)系進(jìn)行連接，構(gòu)成了原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖。綜合利用焊接型TMS-OFF開關(guān)中OFF態(tài)到ON態(tài)單向切換的不可逆特性、保險絲的熔斷特性、與裝定密碼對應(yīng)的電路連接關(guān)系，實現(xiàn)了單次試開的功能。應(yīng)用實例表明：利用焊接型TMS-OFF開關(guān)，控制電流、電壓、頻率、脈沖幅值而使電動執(zhí)行器工作，分別構(gòu)成電流型、電壓型、頻率型、脈沖型的固態(tài)密碼鎖，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、安全性高的優(yōu)點，可用于要害系統(tǒng)、設(shè)施等的安全與保安應(yīng)用中。擬對TMS-OFF開關(guān)建立相應(yīng)的多物理場耦合模型行為模型、對其結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及器件的可靠性分析與評估等問題進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高密碼鎖的安全性。

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[3]路榮先. 引信系統(tǒng)安全性設(shè)計中的“三防”原理[J]. 探測與控制學(xué)報, 2002, 24(1): 1-4.

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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

國家自然科學(xué)基金項目資助(61574131)；中國工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點實驗室基金項目資助(2014ZA001)；核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室開放課題基金項目資助(2016KF-02)；西南科技大學(xué)特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點實驗室開放基金項目資助(14ZXTK01)

賈樂(1993—), 女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，研究方向：微電子機(jī)械系統(tǒng)。E-mail: 760486407@qq.com。

TJ430.3; TJ430.2

A

1008-1194(2017)01-0093-03