嚴(yán)楠，王剛，2，何愛軍，鮑丙亮

(1. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007;3. 中國(guó)兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京100053)

0 引言

半導(dǎo)體橋(SCB)火工品是近年來快速發(fā)展的一種新技術(shù)火工品，它利用半導(dǎo)體膜(或金屬-半導(dǎo)體復(fù)合膜)作換能元。它與傳統(tǒng)橋絲式火工品相比具有發(fā)火能量低、體積小、一致性好、響應(yīng)快等特點(diǎn)［1-5］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SCB 和鈍感SCB進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，關(guān)于降低SCB 的發(fā)火能量方面，Ewick 等［6］在低能SCB 裝置橋/藥劑界面的優(yōu)化研究中發(fā)現(xiàn)藥劑粒徑會(huì)影響點(diǎn)火能量。徐祿等［7］通過對(duì)藥劑的敏化可以降低SCB 的發(fā)火能量，周彬等［8］分析了SCB 長(zhǎng)寬比對(duì)其發(fā)火能量的影響規(guī)律，楊貴麗［9］設(shè)計(jì)了雙V 型SCB，研究了降低發(fā)火能量的影響因素。對(duì)于SCB 的電熱換能作用機(jī)理，普遍認(rèn)為電橋一旦熔化并且完全氣化后，電流通過硅蒸汽產(chǎn)生等離子體［10］，等離子體引發(fā)藥劑化學(xué)反應(yīng)而發(fā)火，而Kim 等發(fā)現(xiàn)加載臨界爆發(fā)電壓時(shí)，SCB 可以爆發(fā)形成蒸汽，但是并不一定產(chǎn)生等離子體，當(dāng)高于某一電壓時(shí)SCB 才能爆發(fā)產(chǎn)生等離子體［11-12］。

微型起爆元件是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)引信及微小型彈藥的首發(fā)元件，而系統(tǒng)小型化能提供給換能元件的能量也極為有限，普遍發(fā)火條件要求放電電容10 μF 情況下發(fā)火電壓不超過5 V，發(fā)火能量小于0.125 mJ. 目前發(fā)火件的低能化設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得了一些進(jìn)展，但仍然不能滿足MEMS 引信用微型起爆元件安全可靠發(fā)火要求。發(fā)火件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和藥劑選擇是低能發(fā)火件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。因此本文設(shè)計(jì)加工了不同形狀和結(jié)構(gòu)的微型SCB 換能元，選擇超細(xì)結(jié)晶點(diǎn)火藥劑，以達(dá)到SCB 低能可靠發(fā)火要求;同時(shí)采用硅基底具有良好的導(dǎo)熱性，使得SCB 具有較高的安全電流，達(dá)到安全發(fā)火要求。

1 SCB/斯蒂芬酸鉛(LTNR)發(fā)火試驗(yàn)方案與測(cè)試電路設(shè)計(jì)

1.1 SCB/LTNR 發(fā)火件方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了6 種不同尺寸和形狀的SCB 換能元，摻雜濃度為7.7 ×1019cm-3，厚度為2 μm，詳細(xì)參數(shù)見表1，發(fā)火藥劑選用超細(xì)結(jié)晶LTNR，粒徑均值為2 μm，藥量為8 mg. 考慮微系統(tǒng)的微型化和一體化設(shè)計(jì)要求，將SCB 芯片封裝在印制電路板(PCB)上，采用超聲焊接技術(shù)用金絲將電路板上的焊盤和SCB 的鋁電極連接，發(fā)火件實(shí)物照片見圖1和圖2 所示。

表1 SCB 尺寸和電阻Tab.1 Dimensions and Resistance of SCB

圖1 SCB 結(jié)構(gòu)示意圖與LTNR 粒度分析圖Fig.1 SCB bridge shape and LTNR size

圖2 封裝在PCB 上的SCB 發(fā)火件實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 An example of the SCB/LTNR firing devices

1.2 SCB/LTNR 發(fā)火件的性能測(cè)試電路

為了測(cè)試SCB/LTRN 發(fā)火件的臨界發(fā)火電壓、發(fā)火電流以及發(fā)火時(shí)間，設(shè)計(jì)了電容放電測(cè)試電路，如圖3. 電路中儀器參數(shù)包括10 μF 鉭電容(耐壓50 V)、ALG-CM 儲(chǔ)能放電起爆儀(在0 ～50 V 內(nèi)連續(xù)可調(diào)，精度0.1 V)、DPO7104 瞬態(tài)數(shù)字示波器(1 GHz、2.5 Gs/s)、CP150 電流探頭(150 AMP、10 MHz)、測(cè)試發(fā)火時(shí)間用光電二極管。用高速數(shù)字存貯示波器記錄SCB 發(fā)火過程中的電壓、電流信號(hào)和光信號(hào)。

圖3 電容放電激勵(lì)時(shí)測(cè)試電路原理圖Fig.3 The experimental device of SCB using a capacitor discharge firing circuit

試驗(yàn)嚴(yán)格按照D-最優(yōu)法感度程序，選擇6 種SCB 和直徑12 μm、長(zhǎng)566 μm、電阻為4.61 Ω 的橋絲換能元進(jìn)行感度對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試樣品的臨界發(fā)火電壓和發(fā)火電流，每組試驗(yàn)樣品樣本量為15 發(fā)。試驗(yàn)中得出不同SCB/LTNR 的50%發(fā)火電壓(電流)的和標(biāo)準(zhǔn)差，取99.9%發(fā)火電壓(電流)為最小全發(fā)火電壓(電流)，0.1%發(fā)火電壓(電流)為最大不發(fā)火電壓(電流)作對(duì)比特性參數(shù)，進(jìn)行分析討論。

2 SCB/LTNR 試驗(yàn)規(guī)律與結(jié)果分析

2.1 SCB/LTNR 發(fā)火試驗(yàn)規(guī)律分析

10 μF 電容相同、在不同電壓激勵(lì)條件下，SCB/LTNR 發(fā)火件的典型電特性曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 1號(hào)SCB/LTNR 發(fā)火件在電壓激勵(lì)下的電特性波形Fig.4 The electricity characteristics curves of 1# SCB/LTNR firing device

1號(hào)樣品在低發(fā)火電壓激勵(lì)時(shí)(3.7 V，高于臨界發(fā)火電壓，低于最小全發(fā)火電壓)，藥劑發(fā)火，電特性如圖4(a)所示，其中U、I、R 分別代表電壓、電流和電阻，電阻是由示波器的計(jì)算功能由電壓和電流相除所得。SCB 的電阻變化經(jīng)歷了上升階段、下降階段和穩(wěn)定階段3 個(gè)特征時(shí)域，由于SCB 橋區(qū)在高溫作用爆發(fā)而斷開使電阻趨于無限大，SCB 電阻變化曲線呈“U”型，可判斷SCB 爆發(fā)形成蒸汽，蒸汽侵入藥劑，以對(duì)流的方式向藥劑傳遞熱量，由于SCB 橋區(qū)質(zhì)量較大，向藥劑傳遞的能量足以引發(fā)藥劑發(fā)火，但不足以繼續(xù)升溫電離形成等離子體。因此，較低電壓條件下SCB 是電爆形式激發(fā)藥劑發(fā)火，電阻曲線呈“U”型。

當(dāng)激勵(lì)電壓繼續(xù)增大時(shí)(6.2 V，高于最小全發(fā)火電壓)，電爆特性變化如圖4(b)，SCB 電阻由最大值迅速下降到極小值，然后逐漸增大而趨于無窮，電阻在整個(gè)發(fā)火過程呈現(xiàn)“W”型，表明SCB 經(jīng)歷固態(tài)溫升和液態(tài)溫升的過程極其短暫，在爆發(fā)時(shí)刻硅蒸汽瞬間被電離，高溫高壓的等離子體侵入藥劑，引發(fā)藥劑反應(yīng)而導(dǎo)電，電阻出現(xiàn)再次下降過程，隨著化學(xué)反應(yīng)完畢，電流無法持續(xù)，電阻再次急劇增大。SCB在較大的電能作用下產(chǎn)生等離子體以微對(duì)流的形式向藥劑傳遞能量，當(dāng)SCB 橋區(qū)產(chǎn)生足夠的等離子體質(zhì)量時(shí)，藥劑發(fā)火，電阻曲線呈“W”型。

1號(hào)和2號(hào)樣品橋區(qū)寬度相同;1號(hào)夾角θ 為60°，電阻為3.6 Ω;2號(hào)夾角θ 為40°，電阻為2.0 Ω.以硅的密度為2.323 g/cm3計(jì)算，兩種元件的橋區(qū)面積分別為5.68 ×102μm2和7.65 ×102μm2，橋區(qū)質(zhì)量分別為2.64 ×10-6mg 和3.55 ×10-6mg. 對(duì)比1號(hào)SCB/LTNR和2號(hào)SCB/LTNR 電特性曲線如圖4和圖5 可知，1號(hào)SCB 換能元的面積或質(zhì)量較小，在相對(duì)較小的能量激發(fā)下，SCB 形成足夠的灼熱硅蒸汽，硅蒸汽以熱對(duì)流的形式向藥劑傳遞熱量而引發(fā)點(diǎn)火，所以臨界發(fā)火狀態(tài)下屬于電爆發(fā)火。2號(hào)SCB換能元的面積或質(zhì)量較大，在低發(fā)火電壓激勵(lì)時(shí)，電阻曲線呈先下降后上升，達(dá)到最高值后電阻又再次下降。由于SCB 橋區(qū)溫度沒有達(dá)到爆發(fā)點(diǎn)，電阻未能出現(xiàn)趨于無窮大，因此SCB 在較低能量刺激下不能形成灼熱硅蒸汽，而是以熱傳導(dǎo)的形式向LTNR 傳遞熱量，引發(fā)藥劑發(fā)火，在臨界發(fā)火狀態(tài)下一般屬于電熱發(fā)火機(jī)理，典型電阻曲線未出現(xiàn)突變，如圖5(a)所示。從發(fā)火作用時(shí)間上看，電爆發(fā)火時(shí)間要短于電熱發(fā)火時(shí)間。因此可以推出，當(dāng)SCB 換能元的面積或質(zhì)量非常小或者藥劑的感度非常低時(shí)，應(yīng)選這合適的激發(fā)能量使SCB 換能元產(chǎn)生等離子體才能引發(fā)藥劑發(fā)火，但是SCB 換能元產(chǎn)生等離子體需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形成蒸汽時(shí)的激勵(lì)能量。因此在設(shè)計(jì)SCB 換能元時(shí)，應(yīng)綜合考慮橋區(qū)的長(zhǎng)寬尺寸、面積、質(zhì)量以及發(fā)火能量等因素，滿足SCB 發(fā)火件臨界狀態(tài)下以電爆形式引燃藥劑。

圖5 2號(hào)SCB/LTNR 發(fā)火件在電壓激勵(lì)下的電特性波形Fig.5 The electrical characteristic curves of 2# SCB/LTNR firing device

2.2 雙V 型薄弱環(huán)節(jié)對(duì)SCB/LTNR 發(fā)火電壓的影響

SCB/LTNR 發(fā)火件的臨界發(fā)火電壓試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

在其他尺寸相同的條件下，對(duì)比3 號(hào)和6 號(hào)樣品發(fā)火電壓測(cè)試結(jié)果，增加雙V 型薄弱環(huán)節(jié)可以明顯降低發(fā)火電壓，增加40°雙V 型薄弱環(huán)節(jié)，可以使最小全發(fā)火電壓降低39.1%;對(duì)比1號(hào)和2號(hào)樣品測(cè)試可得改變角度值可以使最小全發(fā)火電壓降低11.1%. 在SCB 橋區(qū)設(shè)置雙V 型薄弱環(huán)節(jié)，使橋區(qū)電流密度分布發(fā)生繞流現(xiàn)象，在V 型尖端處的電流密度相對(duì)最大，電橋升溫速率最快，最先達(dá)到藥劑的發(fā)火點(diǎn)，發(fā)火電壓隨之下降。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)和3 號(hào)樣品可得，隨著雙V 型薄弱環(huán)節(jié)角度的變化，每一種特定尺寸的SCB/LTNR 發(fā)火件都存在一個(gè)最佳角度，試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到60°雙V 型薄弱環(huán)節(jié)最小全發(fā)火電壓為3.83 V，與直徑12 μm 橋絲發(fā)火電壓3.81 V相當(dāng)。

2.3 長(zhǎng)寬比對(duì)SCB/LTNR 發(fā)火電壓的影響

圖6 SCB/LTNR 最小全發(fā)火電壓與其長(zhǎng)寬比的關(guān)系Fig.6 Function relation between the minimum all-firing voltage of SCB/LTNR and aspect ratio

表2 SCB/LTNR 發(fā)火件的發(fā)火電壓測(cè)試結(jié)果Tab.2 The firing voltage test results of SCB/LTNR firing devices

試驗(yàn)中固定SCB 橋區(qū)長(zhǎng)度、角度40°、寬度變化，在長(zhǎng)寬比ω 變化試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到:最小全發(fā)火電壓呈先降低后增大的趨勢(shì)，存在最小值(3號(hào)、4號(hào)、5號(hào))，如圖6所示，利用多項(xiàng)式擬合得長(zhǎng)寬比ω 與最小全發(fā)火電壓U 的關(guān)系式:U =30.4 -221.0ω + 459.8ω2. 利用擬合關(guān)系式可計(jì)算得，當(dāng)ω 為0.24 時(shí)，最小全發(fā)火電壓最低，為3.83 V，相對(duì)5 號(hào)的6.77 V，最小全發(fā)火電壓降低43.4%.

2.4 橋區(qū)面積對(duì)SCB/LTNR 發(fā)火電流的影響

SCB/LTNR 發(fā)火件的臨界發(fā)火電流試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 SCB/LTNR 發(fā)火件的發(fā)火電流測(cè)試結(jié)果Tab.3 The firing current test results of SCB/LTNR firing devices

圖7 是對(duì)表3 中發(fā)火電流I 與橋區(qū)面積S 的測(cè)試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。由圖7 分析可以得出:最大不發(fā)火電流I 隨著橋區(qū)面積S 的增大呈指數(shù)增加，最大不發(fā)火電流I 與橋區(qū)面積S 關(guān)系為:I =211.80 +6.90exp(S/5.66). 這是由于隨著橋區(qū)面積的減小，與基底材料單晶硅的接觸面積也隨之減小，即橋區(qū)熱量散失面積同樣減小，當(dāng)相同的電流激勵(lì)作用于橋區(qū)時(shí)，面積小的橋區(qū)溫度升溫快，最先到達(dá)藥劑發(fā)火，最大不發(fā)火電流也隨之降低。在試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到最大不發(fā)火電流最大為450.69 mA;與發(fā)火能量相當(dāng)?shù)闹睆?2 μm 橋絲換能元最大不發(fā)火電流為116.64 mA 相比，1號(hào)樣品的最大不發(fā)火電流為229.88 mA，提高了97.1%.

圖7 SCB/LTNR 最大不發(fā)火電流與橋區(qū)面積的關(guān)系Fig.7 Function relation between the maximum no-firing current of SCB/LTNR and the bridge area

綜合各方面因素考慮1號(hào)SCB 發(fā)火件能夠滿足MEMS 引信及微小型彈藥的首發(fā)元件要求(發(fā)火電壓，發(fā)火能量，安全電流等)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)條件選用10 μF 儲(chǔ)能電容，粒徑為1 ～2 μm超細(xì)結(jié)晶LTNR，藥量為8 mg，6 種SCB 和一種低能橋絲式換能元作對(duì)比試驗(yàn)，采用D-最優(yōu)化法感度試驗(yàn)進(jìn)行不同電壓、電流激勵(lì)下SCB 的發(fā)火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)SCB/LTNR 發(fā)火件的最小全發(fā)火電壓與薄弱環(huán)節(jié)、V 型的角度、長(zhǎng)寬比、橋區(qū)面積及質(zhì)量有關(guān)。試驗(yàn)方案范圍內(nèi)，發(fā)火藥劑及裝藥條件確定的情況下，發(fā)火電壓隨V 型角度或長(zhǎng)寬比增加呈先降低后增大趨勢(shì)，存在最優(yōu)值:對(duì)于6 號(hào)SCB，設(shè)置V 型角可使SCB/LTNR 發(fā)火件最小全發(fā)火電壓降低39.1%;對(duì)于1號(hào)SCB，改變角度可使最小全發(fā)火電壓降低11.1%;夾角40°，長(zhǎng)寬比變化時(shí)可使最小全發(fā)火電壓降低43.4%。在試驗(yàn)方案范圍內(nèi)得到了最小全發(fā)火電壓為3.83 V，對(duì)應(yīng)的最大不發(fā)火電流為229.88 mA，比發(fā)火能量相當(dāng)?shù)闹睆?2 μm 低能橋絲發(fā)火件最大不發(fā)火電流116.64 mA，提高97.1%.

2)通過發(fā)火電特性曲線分析得到:SCB 換能元的橋區(qū)面積或質(zhì)量、激勵(lì)電壓決定了臨界發(fā)火狀態(tài)的換能方式和發(fā)火機(jī)理。當(dāng)SCB 換能元的橋區(qū)面積7.65 ×102μm2，質(zhì)量3.55 ×10-6mg 時(shí)，臨界發(fā)火屬于電熱發(fā)火;SCB 換能元的橋區(qū)面積5.68 ×102μm2，質(zhì)量2.64 ×10-6mg 時(shí)，臨界發(fā)火屬于電爆發(fā)火;1號(hào)SCB 換能元在激勵(lì)電壓為3.9 V(高于臨界發(fā)火電壓，低于最小全發(fā)火電壓)時(shí)，以對(duì)流的方式向藥劑傳遞熱量，使藥劑發(fā)火，屬于電爆發(fā)火;激勵(lì)電壓為6.2 V(高于最小全發(fā)火電壓)時(shí)，高溫高壓的等離子體侵入藥劑，使藥劑反應(yīng)而導(dǎo)電，屬于等離子體發(fā)火。

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