本實用新型屬于安全領(lǐng)域，具體涉及一種用于激光安全的微電子密碼鎖。

背景技術(shù)：

異常高溫、振動/沖擊/碾壓環(huán)境是一種典型異常環(huán)境，可以由多種異常事故引發(fā)。2016年07月27日公開的發(fā)明專利申請，公開號為 CN105804519A，發(fā)明名稱為：原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖，該申請公開了一種原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖，該密碼鎖的鑒別電路由TMS（Thermo-Mechanical Switch，熱機械開關(guān)）實現(xiàn)，通過鑒別電路裝定密碼、利用TMS，控制電壓、電流、頻率、脈沖幅值，使起爆器工作，綜合利用TMS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，以實現(xiàn)單次試開的功能，只有輸入的密碼和設(shè)置的密碼相同，密碼鎖才打開，否則將電路短路、保險絲熔斷，使密碼鎖鎖定。該密碼鎖的結(jié)構(gòu)簡單、易于制作，但是未考慮在異常（高溫/振動/沖擊/碾壓）環(huán)境下密碼鎖的安全性，同時并未引入熱失效保險與力失效保險而對系統(tǒng)安全性進(jìn)行設(shè)計。

高輸出功率的激光設(shè)備具有強烈的激光輻射，能夠傷害眼睛、皮膚、呼吸道、中樞神經(jīng)以及整個機體。除此之外，使用激光產(chǎn)品還會帶來大氣污染等其他危害。故可以將密碼鎖應(yīng)用于激光設(shè)備啟動和設(shè)備外殼等激光安全方面的應(yīng)用中，以防止非專業(yè)人員誤啟動激光設(shè)備而造成意外事故。為了確保激光系統(tǒng)在異常環(huán)境下的安全性，從而保證其在貯存、運輸、操作和調(diào)度過程中不發(fā)生誤啟動等意外事件，必須對系統(tǒng)進(jìn)行安全設(shè)計。用于激光安全的微電子密碼鎖集成了熱、力保險失效，大大加強了激光設(shè)備在異常環(huán)境下的安全性。

此外，大多數(shù)的激光設(shè)備的觸發(fā)系統(tǒng)上裝設(shè)的是聯(lián)鎖鑰匙開關(guān)，只有用鑰匙打開聯(lián)鎖開關(guān)以后才能觸發(fā)啟動，拔出鑰匙就不能啟動。通過鑰匙操作電源開關(guān)有明顯的劣勢：一、鑰匙容易丟失而無法啟動；二、若鑰匙落入不法分子中，會發(fā)生誤解鎖情況而導(dǎo)致嚴(yán)重后果等。此外，裝設(shè)的聯(lián)鎖在異常環(huán)境下，其系統(tǒng)的安全性無法得到保障。一種用于激光安全的微電子密碼鎖保留了原位焊接型單次試開固態(tài)密碼鎖利用電子密碼來實現(xiàn)設(shè)備啟動的特點和單次試開可靠性高的優(yōu)點，同時集成了熱、力保險失效的功能，故可以代替聯(lián)鎖鑰匙開關(guān)，加強和保證激光設(shè)備在異常環(huán)境下的安全性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)缺陷，本實用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、安全性高的一種用于激光安全的微電子密碼鎖，該結(jié)構(gòu)的密碼鎖利用TMS集成了熱失效保險與力失效保險的功能。綜合利用TMS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，以實現(xiàn)單次試開的功能，只有輸入的密碼和設(shè)置的密碼相同，密碼鎖才打開，否則將電路短路、保險絲熔斷，使密碼鎖鎖定。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是：

一種用于激光安全的微電子密碼鎖，是N bit的密碼鎖，利用了TMS集成熱失效保險與力失效保險的功能。所述密碼鎖中N bit的鑒別電路，由2N（N級、每級2個）個TMS，按照每級二進(jìn)制的邏輯形成N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，用于裝定密碼，其中，N≥1。

因為TMS可分為路徑TMS和陷阱TMS。在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS可以實現(xiàn)熱失效保險功能。路徑TMS在異常振動/沖擊/碾壓環(huán)境下，可以實現(xiàn)力失效保險功能。所述的微電子密碼鎖，則集成了熱失效保險與力失效保險功能。

所述2N個TMS分為N個路徑TMS和N個陷阱TMS，位于鑒別電路的解鎖路徑上的開關(guān)均為路徑TMS，其他開關(guān)均為陷阱TMS。

一種用于激光安全的微電子密碼鎖中：

所述的“熱失效保險”是指：在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS中的任意一個開關(guān)切換為ON態(tài)時，電路將處于短路狀態(tài)，密碼鎖鎖定而失效，以實現(xiàn)熱失效保險功能。熱失效保險功能的實現(xiàn)，增強了密碼鎖在使用和貯存時的安全性，降低密碼鎖由異常高溫環(huán)境而引起的誤解鎖概率。

所述作為熱失效保險的陷阱TMS，可選用熔點比路徑TMS低的釬劑與釬料，在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS先于路徑TMS處于ON態(tài)，使得密碼鎖鎖定而失效，以增強熱失效保險效應(yīng)。

所述的“力失效保險”是指：在路徑TMS的硅基底上的絕熱膜片背面的根部，使用MEMS制作工藝刻蝕一個凹槽，構(gòu)成力失效保險結(jié)構(gòu)。在異常振動/沖擊/碾壓下，路徑TMS的凹槽因應(yīng)力集中而先斷裂，繼而使得金屬導(dǎo)線折斷，路徑TMS因此失效而不能從OFF態(tài)切換到ON態(tài)。激光驅(qū)動電源控制器不能獲得來自直流電源的電激勵信號而無法作動，這樣就不會連接激光驅(qū)動電源，而啟動激光引發(fā)后續(xù)危害，以實現(xiàn)力失效保險的功能。

所述“單次試開”是指：在任一bit處輸入錯誤的密碼（即陷阱TMS中任意一個開關(guān)處于ON態(tài)）時，由于TMS只能實現(xiàn)OFF態(tài)到ON態(tài)的單向切換，具有不可逆特性，鑒別電路具有與裝定密碼對應(yīng)的電路連接關(guān)系，將使直流電源和保險絲保持在短路狀態(tài)，進(jìn)而熔斷保險絲，從而使鑒別電路鎖定且不能重試；激光驅(qū)動電源控制器因此無法獲得來自直流電源的電激勵信號而作動。只有當(dāng)N bit密碼全部輸入正確（即N個路徑TMS處于ON態(tài)，其他N個陷阱TMS處于OFF態(tài)）時，鑒別電路才會使直流電源和激光驅(qū)動電源控制器保持在串聯(lián)狀態(tài)，激光驅(qū)動電源控制器獲得來自直流電源的電激勵信號而作動，從而連接激光驅(qū)動電源，啟動激光。

所述熱失效保險與力失效保險是基于TMS結(jié)構(gòu)而集成的，并未引入新元件，故稱其為固有熱失效保險與固有力失效保險。

所述“微電子密碼鎖”是指：TMS與導(dǎo)線構(gòu)成的整個密碼鎖電路是由半導(dǎo)體（MEMS）工藝制作。

本實用新型的有益效果為：

本實用新型的熱失效保險與力失效保險是基于TMS結(jié)構(gòu)而集成的，并未引入新元件，故稱其為固有熱失效保險與固有力失效保險；通過集成的熱失效保險與力失效保險功能，大大增強了微電子密碼鎖在異常環(huán)境下的安全性；同時，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作的特點，可用于對異常環(huán)境下的安全性有嚴(yán)苛要求的激光安全應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本實用新型的4 bit正確解鎖電路圖；

圖2為本實用新型的熱失效保險實現(xiàn)示意圖；

圖3（a）-3（b）為本實用新型的作為熱失效保險的陷阱TMS的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型的作為力失效保險的路徑TMS的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5（a）-5（i）為本實用路徑TMS制作工藝步驟示意圖；

圖6為本實用新型的密碼鎖中兩個TMS的連接示意圖。

上述附圖中，附圖標(biāo)記為：1-硅襯底，2-SiO₂膜片，3-SiNx膜片，4-加熱電阻，5-Cu導(dǎo)線，6-空腔，7-樹脂，8-錫/鉛焊球，9-凹槽。

具體實施方式

一種用于激光安全的微電子密碼鎖，N bit的密碼鎖，利用了TMS集成熱失效保險與力失效保險的功能。所述密碼鎖中N bit的鑒別電路，由2N（N級、每級2個）個TMS，按照每級二進(jìn)制的邏輯形成N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，用于裝定密碼，其中，N≥1。

所述2N個TMS分為N個路徑TMS和N個陷阱TMS，位于鑒別電路的解鎖路徑上的開關(guān)均為路徑TMS，其他開關(guān)均為陷阱TMS。

如圖3（a）-3（b）所示，為作為熱失效保險的陷阱TMS的結(jié)構(gòu)示意圖。

所述陷阱TMS中的任意一個開關(guān)切換為ON態(tài)時，電路將處于短路狀態(tài)，密碼鎖鎖定而失效，在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS可實現(xiàn)熱失效保險功能。

所述熱失效保險功能的實現(xiàn)，增強了密碼鎖在使用和貯存時的安全性，降低密碼鎖由異常高溫環(huán)境而引起的誤解鎖概率。

所述作為熱失效保險的陷阱TMS，可選用熔點比路徑TMS低的釬劑與釬料以增強熱失效保險效應(yīng)。

所述路徑TMS的硅基底上的絕熱膜片背面的根部，使用MEMS制作工藝刻蝕一個環(huán)形槽，構(gòu)成力失效保險。

如圖4所示，所述作為力失效保險的路徑TMS包括硅襯底1，SiO₂膜片2，SiNx膜片3，加熱電阻4，Cu導(dǎo)線5，空腔6，樹脂7，錫/鉛焊8，凹槽9。在初始的硅襯底1上高溫?zé)嵫趸粚覵iO₂膜片2，采用低壓力化學(xué)氣相沉積法（LPCVD）沉積一層SiNx膜片3，從而得到二層的低應(yīng)力膜片構(gòu)成絕熱膜片；利用LPCVD沉積和光刻形成光刻膠圖形，采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）刻蝕得到加熱電阻圖形4；電鍍沉積Cu形成開關(guān)導(dǎo)線5；利用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE），形成背面空腔6；利用圖形化和深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）法，在絕熱膜片上刻蝕形成一個環(huán)形凹槽9；在中斷的Cu導(dǎo)線之間，印制（stamping）沉積樹脂7，在樹脂7上裝配錫/鉛焊球8。

所述路徑TMS的力失效保險工作原理：路徑TMS凹槽處在異常振動/沖擊/碾壓下，因應(yīng)力集中而先斷裂，繼而使得金屬導(dǎo)線折斷，路徑TMS失效而不能從OFF態(tài)切換到ON態(tài)。激光驅(qū)動電源控制器不能獲得來自直流電源的電激勵信號而無法作動，這樣就不會連接激光驅(qū)動電源，而啟動激光引發(fā)后續(xù)危害，以實現(xiàn)力失效保險的功能。

所述熱失效保險與力失效保險是基于TMS結(jié)構(gòu)而集成的，并未引入新元件，故稱其為固有熱失效保險與固有力失效保險。

所述的集成的熱失效保險與力失效保險，顯著增強了微電子密碼鎖的安全性。

如圖5（a）-5（i）所示，為本實用新型的路徑TMS的主要制作工藝步驟示意圖。圖5（a）為初始的硅襯底1，在圖5（b）中，高溫下熱氧化一層SiO₂膜片2；在圖5（c）中，采用低壓力化學(xué)氣相沉積法（LPCVD）沉積一層SiNx膜片3，從而得到二層的低應(yīng)力膜片構(gòu)成絕熱膜片；在圖5（d）中，利用LPCVD沉積和光刻形成光刻膠圖形，采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）刻蝕得到加熱電阻圖形4；在圖5（e）中，電鍍沉積Cu形成開關(guān)導(dǎo)線5；在圖5（f）中，利用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE），形成背面空腔6；在圖5（g）中，利用圖形化和深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）法，在絕熱膜片上刻蝕形成一個環(huán)形凹槽9；在圖5（h）中，在中斷的Cu導(dǎo)線之間，印制（stamping）沉積樹脂7，在釬焊過程中可作助焊劑，當(dāng)開關(guān)為OFF態(tài)時，引線之間起絕緣作用。在圖5（i）中，在樹脂7上裝配錫/鉛焊球8。

所述激光驅(qū)動電源控制器是一種用于激光安全的微電子密碼鎖最終要控制的對象。將鑒別電路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)成了一種用于激光安全的微電子密碼鎖。一種用于激光安全的微電子密碼鎖，包括鑒別電路和保險絲，鑒別電路由TMS實現(xiàn)；保險絲在電路的干路中與直流電源相連；將激光驅(qū)動電源控制器接入密碼鎖電路中，激光驅(qū)動電源控制器一端與保險絲相連，另一端與鑒別電路的正確解鎖通路相連。利用TMS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，以實現(xiàn)單次試開的功能。

一種用于激光安全的微電子密碼鎖，利用TMS集成了熱失效保險與力失效保險的功能。TMS分為路徑TMS和陷阱TMS。在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS實現(xiàn)可以熱失效保險功能。在路徑TMS絕熱膜片背部刻蝕一個環(huán)形凹槽，使得路徑TMS在異常振動/沖擊/碾壓環(huán)境下，實現(xiàn)力失效保險功能。

下面結(jié)合具體實施過程和附圖對本實用新型作詳細(xì)說明：

實施例1

如圖2所示，是在異常高溫環(huán)境下，作為熱失效保險的陷阱TMS的實現(xiàn)過程。

在實際應(yīng)用中，本實用新型適用于多bit密碼鎖。工作電路包括直流電源、導(dǎo)線、鑒別電路、保險絲、激光驅(qū)動電源控制器。鑒別電路為N bit的鑒別電路，包括2N（N級、每級2個）個TMS，按照每級二進(jìn)制的邏輯形成N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)。直流電源提供電流，開關(guān)選用TMS，利用鑒別電路與開關(guān)特性實現(xiàn)控制電流，密碼輸入正確（即N個路徑TMS處于ON態(tài)，其他N個陷阱TMS處于OFF態(tài)），得到所需電流使激光驅(qū)動電源控制器工作，實現(xiàn)密碼鎖的應(yīng)用。

本實用新型的TMS包括有四個節(jié)點：Node1、Node2、Node3、Node4，開關(guān)A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4；信號經(jīng)過節(jié)點Node1則有兩路選擇，一路為開關(guān)A1，另一路為B1；經(jīng)過節(jié)點Node2則有兩路選擇，一路為開關(guān)A2，另一路為B2；經(jīng)過節(jié)點Node3則有兩路選擇，一路為開關(guān)A3，另一路為B3；經(jīng)過節(jié)點Node4則有兩路選擇，一路為開關(guān)A4，另一路為B4。TMS開關(guān)分為路徑TMS和陷阱TMS，如圖1所示，路徑TMS包括開關(guān)A1、B2、A3、B4；陷阱TMS包括開關(guān)B1、A2、B3、A4。

如圖1所示，在正確解碼的情況下，當(dāng)電流經(jīng)節(jié)點選擇后，路徑開關(guān)即TMS A1、B2、A3、B4處于ON狀態(tài)時，則保險絲不會熔斷，即密碼鎖工作，激光驅(qū)動電源控制器通過所需電流而作動，與激光驅(qū)動電源相連，啟動激光。

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1的正確解鎖密碼為“01100110”。

如圖2所示，密碼鑒別電路處于非“01100110”的任何其它15個狀態(tài)時，即陷阱開關(guān)B1、A2、B3、A4只要有一個處于ON態(tài)，都有電流流經(jīng)開關(guān)而將保險絲熔斷，將激光驅(qū)動電源控制器與直流電源徹底斷開。由于TMS將不可逆地處于ON態(tài)，即使更換保險絲，電路仍將處于短路狀態(tài)而再次熔斷保險絲。因此，只要陷阱開關(guān)中的一個開關(guān)處于ON態(tài)，激光驅(qū)動電源控制器將始終與直流電源物理隔斷 （physical isolated），確保其安全性。故密碼鎖具有固有熱失效保險，即圖中與保險絲相連接的陷阱TMS（如圖2中的TMS B1、A2、B3、A4）對于整個電路在異常高溫環(huán)境下可以起到熱失效保險的作用。

在異常高溫環(huán)境下，當(dāng)任意一個陷阱TMS熔化后切換為ON態(tài)時，電路將處于短路狀態(tài)，密碼鎖鎖定而失效。這樣就增強了密碼鎖在使用和貯存時的安全性，降低密碼鎖由異常高溫環(huán)境而引起的誤解鎖概率。作為熱失效保險的陷阱TMS，使密碼鎖具有內(nèi)在的安全性。

實施例2

陷阱TMS可選用熔點比路徑TMS低的釬劑與釬料以增強熱失效保險效應(yīng)。

在實際應(yīng)用中，本實用新型適用于多bit密碼鎖。工作電路包括直流電源、導(dǎo)線、鑒別電路、保險絲、激光驅(qū)動電源控制器。鑒別電路為N bit的鑒別電路，包括2N（N級、每級2個）個TMS，按照每級二進(jìn)制的邏輯形成N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)。直流電源提供電流，開關(guān)選用TMS，利用鑒別電路與開關(guān)特性控制電流，當(dāng)密碼輸入正確（即N個路徑TMS處于ON態(tài)，其他N個陷阱TMS處于OFF態(tài)）時，得到所需電流使激光驅(qū)動電源控制器工作，從而連接激光驅(qū)動電源，啟動激光，實現(xiàn)密碼鎖的應(yīng)用。

本實用新型的TMS的工作原理為：在硅基絕熱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，制作一層釬劑，實現(xiàn)兩條導(dǎo)線間的電氣絕緣；釬劑之上、兩條導(dǎo)線之間，沉積制作一個微焊球。電熱器通過電流時，原位加熱釬劑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。其中，TMS從OFF態(tài)到ON態(tài)具有單向切換的不可逆特性。

熱失效保險的陷阱TMS，應(yīng)選用熔點比路徑TMS低的釬劑與釬料。由于TMS中釬劑的熔點和釬料的釬焊溫度是可以隨材料的選擇而變化的，故陷阱TMS的工作溫度是可調(diào)的。若使其工作溫度低于路徑TMS，則在異常高溫環(huán)境下，陷阱TMS將先于路徑TMS切換到ON態(tài)的概率就會增大，從而大大提高了密碼鎖的安全性。

實施例3

所有TMS分布均勻以增強熱失效保險效應(yīng)。

如圖2所示，在異常高溫環(huán)境下，只需將作為熱失效保險的陷阱TMS B1、A2、B3、A4中任意一個開關(guān)處于ON態(tài)，就可以保證密碼鎖的安全性。故盡量使所有開關(guān)分布均勻，使每個開關(guān)接觸到熱點的概率相等，避免將路徑TMS集中而將陷阱TMS分散的情況。因為這種情況下，局部熱點很可能恰好出現(xiàn)在路徑TMS集中的位置，路徑TMS就會先于陷阱TMS切換到ON態(tài)，使密碼鎖誤解鎖，導(dǎo)致其安全性失效。

實施例4

如圖4所示，是在異常振動/沖擊/碾壓下，作為力失效保險的路徑TMS的實現(xiàn)過程。

為了確保密碼鎖在異常振動/沖擊/碾壓下的安全性，在路徑TMS中設(shè)計了一種力失效保險結(jié)構(gòu)。如圖4所示，在路徑TMS的硅基底上的絕熱膜片背面的根部，使用MEMS制作工藝刻蝕一個環(huán)形凹槽。在異常振動/沖擊/碾壓下，路徑TMS的凹槽處應(yīng)力集中而先斷裂，繼而使得金屬導(dǎo)線折斷，路徑TMS失效而不能從OFF態(tài)切換到ON態(tài)。激光驅(qū)動電源控制器不能獲得來自直流電源的電激勵信號而無法作動，這樣就不會連接激光驅(qū)動電源，而啟動激光引發(fā)后續(xù)危害。故具有這樣結(jié)構(gòu)的路徑TMS起到了力失效保險的作用。此力失效保險是基于TMS的結(jié)構(gòu)設(shè)計得到，而并未引入新材料或新結(jié)構(gòu)，故稱為固有力失效保險。路徑TMS中的固有力失效保險增強了微電子密碼鎖在使用和貯存時的安全性，保證了微電子密碼鎖在異常振動/沖擊/碾壓下的安全性。