王 鋒,侯新鵬,彭志凌
(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)
爆炸換能元是指應(yīng)用在爆炸箔起爆系統(tǒng)中的薄膜換能元,薄膜換能元作為微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro-mechanical systems, MEMS)火工品的核心部件,采用薄膜工藝制備成型,是MEMS火工品安全性和可靠性的重要影響因素?;鸸て纷鳛槠鸨c點(diǎn)火的始發(fā)元件,其性能直接影響整個(gè)武器系統(tǒng)的安全性和可靠性。薄膜換能元作為MEMS火工品的核心部件,一般采用金屬薄膜材料或半導(dǎo)體材料制作的平面電阻,作用時(shí)通過(guò)輸入電流產(chǎn)生熱量,并以焦耳熱的形式傳遞,最終實(shí)現(xiàn)與含能藥劑發(fā)生效應(yīng),完成起爆作用。
如今隨著MEMS微型化技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)于薄膜換能元也提出了更高的要求,新一代薄膜換能元朝著微型化、尺度化發(fā)展,同時(shí)要求其電爆時(shí)具有較高的輸出能量以及較快的響應(yīng)速度。在電爆系統(tǒng)中,換能元橋箔充當(dāng)著十分重要的作用,它既是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的載體,也是換能元起爆序列傳送的樞紐。
為優(yōu)化薄膜換能元性能,大量的學(xué)者對(duì)基底材料、橋箔材料與橋區(qū)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究,但對(duì)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究較少。因此,通過(guò)對(duì)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)薄膜換能元進(jìn)行仿真分析,并搭建樣機(jī)進(jìn)行換能元電爆性能測(cè)試,揭示薄膜換能元電爆特性受橋區(qū)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。
設(shè)計(jì)以方形、六邊形、曲線形以及倒V形這4種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu),來(lái)探究不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆發(fā)火性能的影響。設(shè)計(jì)的薄膜換能元以Pyrex7740玻璃作為基底材料,選用銅作為橋箔材料,橋箔整體長(zhǎng)5 mm,寬3 mm。設(shè)計(jì)4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示,橋區(qū)結(jié)構(gòu)位于橋箔中心區(qū)域,橋區(qū)兩側(cè)為橋翼,以方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)(邊長(zhǎng)0.3 mm)作為整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)橋形,進(jìn)而在基礎(chǔ)橋形進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的變換?;A(chǔ)橋區(qū)的中心寬度距離保持不變,將橋區(qū)兩邊長(zhǎng)度縮短至0.1 mm,得到六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu);基礎(chǔ)橋區(qū)兩側(cè)距離保持不變,將橋區(qū)上下中心的長(zhǎng)度縮短至0.2 mm,做圓弧半徑為0.125 mm的弧,得到曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu);基礎(chǔ)橋區(qū)兩邊長(zhǎng)度保持不變,將橋區(qū)中心的距離縮短至0.1 mm,得到倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)。
圖1 橋區(qū)結(jié)構(gòu)(單位:mm)
薄膜換能元起爆機(jī)理過(guò)程包含了橋區(qū)由固態(tài)經(jīng)過(guò)液態(tài)、液態(tài)經(jīng)過(guò)氣態(tài)、最后氣態(tài)向等離子態(tài)轉(zhuǎn)化的復(fù)雜物理形態(tài)變化,其中換能元橋箔橋區(qū)是其發(fā)火部位,影響整體的發(fā)火特性。由于橋區(qū)部位占比整個(gè)橋箔尺寸非常小,為了更好的探究不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)換能元發(fā)火的差異性,去除橋區(qū)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橋翼,在COMSOL軟件進(jìn)行電爆過(guò)程初期階段固體狀態(tài)下的焦耳熱仿真,細(xì)致觀察不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電后的熱量分布以及橋區(qū)最高溫度,分析不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆性能的影響。
對(duì)于在極短電爆時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變的橋箔,不考慮橋箔表面發(fā)生的趨膚效應(yīng),忽略不穩(wěn)定因素,壓力環(huán)境設(shè)定為常壓,考慮與周邊空氣的散熱作用,取熱通量對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m·K),使用瞬態(tài)求解器進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定仿真初始溫度為300 K,在橋箔一端施加接地約束,橋箔另一端施加800 V的交流電進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,橋箔材料Cu與基底材料Pyrex7740玻璃的參數(shù)如表1所示,仿真結(jié)果如圖2所示。
表1 兩種材料的物理參數(shù)
圖2 橋區(qū)電熱仿真結(jié)果(t=0.05 μs)
根據(jù)仿真結(jié)果可得,方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)流固熱交換位置發(fā)生在橋區(qū)中心,由于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)未作局部處理且橋區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通電時(shí)熱量發(fā)生疊加導(dǎo)致橋區(qū)中心溫度最高,熱量聚集在橋區(qū)中心向四周擴(kuò)散,故中心位置最先發(fā)生流固熱交換,同時(shí)整個(gè)橋區(qū)熱量分布均勻。六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電后流固熱交換部位發(fā)生在橋區(qū)兩側(cè),不在橋區(qū)中心。曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)流固熱交換部位既不發(fā)生在橋區(qū)中心,也不發(fā)生在橋區(qū)兩側(cè),而在橋區(qū)曲線圓弧處,分析是由于該橋形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的,曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電后先在橋區(qū)中心上下兩側(cè)發(fā)生流固熱交換,隨著通電時(shí)間的增加,熱量累積從而導(dǎo)致橋區(qū)圓弧處溫度最高。倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)在橋區(qū)中心拐角處發(fā)生熱量聚集,因?yàn)闃騾^(qū)中心距離最窄,通電過(guò)程中經(jīng)過(guò)橋區(qū)結(jié)構(gòu)拐角處的電流密度最大,在該部位產(chǎn)生的熱量最多且熱量集中,最容易發(fā)生斷橋。
六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)與倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電時(shí)的熱量明顯高于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)與曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu),倒V形結(jié)構(gòu)橋區(qū)中心距離最短,中心拐角位置產(chǎn)生的熱量最多并且集中,故與方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)相比,倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆響應(yīng)時(shí)間短,升溫速率快,電爆前期階段產(chǎn)生的熱量多。仿真過(guò)程中4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)升溫曲線如圖3所示。
圖3 不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)升溫曲線
通過(guò)仿真結(jié)果以及升溫曲線分析,在4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)中,倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)的電爆發(fā)火性能最好,爆發(fā)時(shí)輸出能量高,響應(yīng)速度快;方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能穩(wěn)定,電爆前期階段產(chǎn)生的熱量分布均勻,響應(yīng)速度較慢;六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)升溫從兩側(cè)拐角開(kāi)始,向四周擴(kuò)散到整個(gè)橋區(qū),其電爆前期階段產(chǎn)生的最高溫度大于方形橋區(qū)最高溫度,升溫速率也快于方形橋區(qū)升溫速率,故六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆發(fā)火性能比方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)好;曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)在圓弧處發(fā)生熱量聚集,通電后生成能量較低,電爆性能最差。
電爆試驗(yàn)系統(tǒng)由高壓電容、控制芯片、高壓觸發(fā)開(kāi)關(guān)、脈沖功率源以及高壓探頭示波器等組成,薄膜換能元電爆測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。
圖4 電爆測(cè)試系統(tǒng)
理想狀態(tài)下的電爆試驗(yàn)系統(tǒng)整個(gè)回路中除了薄膜換能元這一負(fù)載,電路中再無(wú)其它電阻以及電感,高壓電容提供的脈沖能量全部作用于薄膜換能元上,使電爆系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。但在實(shí)際系統(tǒng)中,脈沖功率源、高壓電容等都存在一定的電阻和電感。所以,當(dāng)高壓電容將充電儲(chǔ)存的能量對(duì)薄膜換能元負(fù)載進(jìn)行放電時(shí),可以把整個(gè)電路等效簡(jiǎn)化成一個(gè)RLC串聯(lián)電路,如圖5所示。此測(cè)試系統(tǒng)采用12 VDC輸入、對(duì)高壓電容的充電電壓范圍500~2 500 V、回路等效電阻183 μF、等效電感230 nH,測(cè)試系統(tǒng)滿足薄膜換能元電爆性能設(shè)計(jì)要求。
圖5 電爆等效回路
將4種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu)換能元分別接入測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電爆試驗(yàn),設(shè)定充電電壓為1 000 V,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖6 橋區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果
由試驗(yàn)結(jié)果可知:電爆系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),高壓電容瞬間釋放能量輸出到換能元橋箔,進(jìn)入電爆過(guò)程初期階段,隨著溫度上升,橋箔兩端的電阻不斷增加,兩端電壓也不斷增加,電流也開(kāi)始逐漸增加;當(dāng)橋箔進(jìn)入汽化階段,電阻急劇增大,電壓也急劇增大,定義電壓最大時(shí)刻為爆炸時(shí)刻,因此電壓曲線有十分明顯的突起,此時(shí)電流曲線會(huì)出現(xiàn)短暫的凹陷,隨著氣體電離產(chǎn)生等離子體,等離子體具有導(dǎo)電性,故電壓又逐漸下降。電流曲線由于等離子體的產(chǎn)生從凹坑處數(shù)值上升恢復(fù)正常,隨著電爆結(jié)束逐漸下降為零。
電壓曲線零納秒出現(xiàn)峰值與電爆機(jī)理不相符,分析原因是由于測(cè)試系統(tǒng)放電前期,回路系統(tǒng)振蕩波動(dòng),過(guò)幾納秒之后曲線趨于穩(wěn)定,平整無(wú)毛刺。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果曲線數(shù)據(jù),選取換能元充電電壓、爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流、爆發(fā)時(shí)刻等參數(shù)進(jìn)行研究,其不同結(jié)構(gòu)換能元電爆炸參數(shù)如表2所示。
表2 不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能參數(shù)
由表2可知,倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆過(guò)程中的爆發(fā)電壓、電流最大,同時(shí)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間最短,其電爆性能最好。曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆過(guò)程中的爆發(fā)電壓、電流最小,爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間也最長(zhǎng),其電爆性能最差。方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)電壓與六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)電壓相差不大,由于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通電時(shí)熱量發(fā)生疊加向四周擴(kuò)散,電爆過(guò)程中整個(gè)橋區(qū)熱量分布均勻,故方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)的爆發(fā)電流小于六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu),爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間比六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)滯后。六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能好于方形結(jié)構(gòu),二者性能差距不大,與電熱仿真結(jié)果一致。
定義曲線圖電壓峰值為換能元爆炸時(shí)刻,當(dāng)爆炸時(shí)間與電流曲線峰值時(shí)間差值Δ越小,說(shuō)明換能元電爆過(guò)程中的能量損耗越小,能量利用率越高。故這4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)中,倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆時(shí)能量利用率最高,六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)能量利用率比方形橋區(qū)橋結(jié)構(gòu)高一些,曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)的能量利用率最低。
對(duì)于微結(jié)構(gòu)薄膜換能元來(lái)說(shuō),其橋區(qū)尺寸在微米量級(jí),其結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆性能有重大影響。貼合實(shí)際設(shè)計(jì)4種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu),來(lái)探究橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆性能的影響。經(jīng)過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明:
1)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)最先發(fā)生流固熱交換的位置不同,即橋區(qū)熱量集中的位置不同,其中方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)中心,六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)兩側(cè),曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)曲線圓弧處,倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)中心拐角處。
2)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元的電爆性能具有顯著影響,倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間最短,電爆性能最好;曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng),電爆性能最差;方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間比六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)滯后,六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能優(yōu)于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)。