摘要
爆炸箔起爆器作为新型高安全性和高可靠性火工品,可广泛应用于武器系统的点火起爆、飞行器以及航天器的作动分离等诸多技术领域。从火工品的集成化、小型化以及低成本的发展趋势出发,介绍了南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室基于薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺开展的关于MEMS爆炸箔芯片和高压开关的研究现状。从设计、制备、发火性能、成本等方面分析和对比了各自的特点。最后介绍了爆炸箔芯片在超压起爆以及爆电耦合等新技术领域的研究进展。
关键词
爆炸箔起爆器 (Exploding Foil Initiator, EFI),又称冲击片雷管,其发明源自金属桥箔在脉冲大电流作用下发生的电爆炸现象。自从Stroud J. R

图1 爆炸箔芯片结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of EFI chip structure
引信的集成化、小型化和低成本的发展趋势,对爆炸箔起爆系统的综合性能提出了更高要
本文重点介绍南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室在MEMS爆炸箔芯片和高压开关方面开展的相关工作。采用的MEMS设计理念和工艺方法包括薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺 (LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramic) 以及印制电路板工艺 (PCB,Printed Circuit Board),器件形式包含高压开关、EFI芯片、开关集成爆炸箔芯片。
薄膜工艺技术在半导体工艺技术上发展而来,包括磁控溅射、化学气相沉积、真空蒸发、刻蚀、旋涂等工艺。采用薄膜工艺制备爆炸箔芯片能够实现爆炸箔芯片各组件尺寸、厚度以及对位精度的精确控制,提高电容能量利用率。
陈楷

(a) 爆炸箔芯片实物图

(b) SU-8加速膛三维图
图2 爆炸箔芯片实物图和SU-8加速膛三维图
Fig.2 Physical image of EFI chip and 3D image of SU-8 barrel
利用该EFI研究了加速膛和复合飞片对EFI起爆性能的影响。结论认为,复合飞片的速度随着发火电压的升高逐渐增大,而在相同发火电压条件下,适当减小加速膛直径可增大飞片的速度,但减小直径的同时需要适当地提高加速膛的高度,确保飞片能以其最大速度撞击炸药。
高压开关是CDU中影响电路性能进而影响EFI起爆性能的重要元件。徐聪

图3 基于微箔爆炸的单次触发高压开关工作原理图
Fig.3 Working principle diagram of planar medium high voltage switch based on micro-foil explosion
为了缩小放电回路的电感和电阻等参数以及发火单元体积,徐聪
图4 微箔触发的开关集成爆炸箔芯片制备流程示意图
Fig.4 Schematic diagram of preparation process of the switch integrated EFI chip triggered by the micro-foil

图5 微箔触发的开关集成爆炸箔芯片作用原理图
Fig.5 Schematic diagram of the function of the switch integrated EFI triggered by the micro-foil
利用三种集成芯片进行点火和起爆试验,结果表明,三种集成芯片均能实现硼硝酸钾 (BPN) 点火和六硝基芪 (HNS) 起爆,最低起爆能量分别为1 400 V/0.22 μF、1 250 V/0.22 μF和1 100 V/0.22 μF。基于微箔触发的开关集成芯片的性能最佳,具有更低的触发能量,结构更加紧凑,制备工艺更加简化,样品的一致性和成品率更高。
低温共烧陶瓷技术,采用新型陶瓷材料实现电子元器件高性能和高集成度的封装,在电子设备的小型化、轻量化及多功能化中得到广泛应用。对于加工小尺度、微结构和定位精度方面也具有明显的优势,为实现高压脉冲功率开关的“平面化”提供了崭新的技术途径。近年来,随着LTCC工艺的不断革新,爆炸箔点火与起爆系统中的关键元器件的设计理念和制造工艺得到不断革新,使其逐渐向微型化、集成化和低成本方向发展。
陈楷

(a) LTCC-EFI的叠层工艺示意图

(b) LTCC-EFI实物图
图6 LTCC-EFI的叠层工艺示意图和LTCC-EFI实物图
Fig.6 Schematic of LTCC-EFI stacking process and physical photograph of LTCC-EFI
目前,LTCC-EFI的起爆能量仍然偏高,这是由于陶瓷材料自身的抗拉能力较弱,导致飞片在抵抗电爆炸冲击的过程中发生破碎; 另一方面,由于LTCC-EFI芯片在900 ℃下烧结而成,具有优异的耐热性能,这是LTCC-EFI可能的应用方向之一。
张秋

图7 LTCC平面触发火花隙高压开关的实物图和结构示意图
Fig.7 Physical photograph and structure diagrams of LTCC-PTS
张秋

图8 基于LTCC工艺的开关集成爆炸箔芯片
Fig.8 Switch integrated EFI chip based on LTCC process
PCB工艺是一种能够以低成本批量制备电子线路的成熟技术,既是电子元器件,又是电气连接的提供者,支持组件和功能的模块化集成。PCB工艺尤其适合多层板的制作,加大了设计灵活性,缩小装置体积,适合用于批量研制各种机电结合的芯片装置。采用PCB工艺研制了平面触发火花隙高压开关、EFI芯片以及PTS集成EFI芯片,极大促进爆炸箔技术的应用和发展。
杨智

(a) PCB-EFI的层压工艺示意图

(b) PCB-EFI实物图
图9 PCB-EFI的层压工艺示意图和PCB-EFI实物图
Fig.9 Schematic of PCB-EFI lamination process and physical photograph of PCB-EFI

图10 PCB-EFI的桥箔和芯片形貌图
Fig.10 Bridge foil and chip topography of PCB-EFI
杨智


图11 开关结构示意图和电极结构示意图
Fig.11 Diagrams of switch structure and electrode structure

(a) PCB-PTS的层压工艺示意图

(b) PCB-PTS实物图
图12 PCB-PTS的层压工艺示意图和PCB-PTS实物图
Fig.12 Schematic diagram of PCB-PTS lamination process and physical photograph of PCB-PTS
对于主间隙为0.9 mm的开关,在0.22 μF/1.25 kV短路放电条件下,回路电流上升时间为155.1 ns,峰值电流为2.10 kA,满足爆炸箔技术的使用要求。
为测试PCB-PTS和PTS-EFI芯片的实际工作性能,将两者联合用于发火试验。在0.22 μF/1.50 kV发火条件下,成功点燃BPN。在0.40 μF/1.80 kV 发火条件下,实现了HNS的起爆。

(a) 基于分立的PCB-EFI和PCB-PTS的电容放电单元

(b) 开关和爆炸箔集成的电容放电单元
图13 基于PCB-EFI & PCB-PTS 的电容放电单元
Fig.13 Capacitor discharge unit based on PCB-EFI & PCB-PTS
爆炸箔发火回路的等效电路图如

图14 爆炸箔发火回路的等效电路图
Fig.14 Equivalent circuit diagram of CDU
令L0=Lpara+Lc,R0=Rpara+Rc,根据基尔霍夫定律可得:
(1) |
集成芯片的电感和电阻分别为桥箔、开关的电阻和电感之和。
(2) |
(3) |
开关导通过程中的动态电阻如式(
(4) |
(5) |
(6) |
(7) |
(8) |
(9) |
(10) |
通过基尔霍夫方程的差分格式,可以获得任意时刻的电流值。
(11) |
利用
(12) |
(13) |
(14) |
为满足钝感弹药的发展要求,同时为提高爆炸箔起爆系统能量利用效率、实现起爆系统的小型化和集成化。张秋

图15 串-并联爆炸箔超压芯片和串联爆炸箔超压芯片
Fig.15 Serial-parallel type and serial type EFI overpressure chip
利用多个爆炸箔驱动多个飞片冲击起爆多个HNS药柱,使其产生的爆轰波相互碰撞形成马赫反射,并在中心区域形成超压,使得局部爆轰波压力超过钝感炸药的起爆阈值,从而达到起爆钝感炸药的目的。其作用过程原理图如

图16 爆炸箔超压芯片作用过程原理图
Fig.16 Schematic diagram of the action process of the EFI overpressure chip
试验结果表明,在相同电路参数条件下,串-并联型超压芯片的总爆发能量和能量利用率都要比串联型超压芯片高近1/2,串-并联型超压芯片飞片的出口速度比串联型要高约1 000 m/s,串-并联型超压芯片飞片速度的一致性和飞片冲击起爆的同步性更好。利用该超压芯片起爆4个Φ4 mm×2 mm的HNS药柱,并在药柱输出端面放置Al鉴定块,通过凹坑深度判断冲击波的碰撞和汇聚。如

图17 超压起爆CDU以及输出结果表征图
Fig.17 The overpressure initiation CDU and the characterization of the output results
(a) 超压起爆发火单元 (b) 四点起爆试验的铝鉴定块 (c) 中心点凹坑三维图
利用激光共聚焦显微镜测量中心点的凹坑值为0.57 mm,而单个HNS药柱起爆的凹坑值为0.32 mm。由此可知,四点起爆时,冲击波在中心处发生碰撞形成反射,使得中心处压力达到炸药稳定爆轰压力的数倍。从而证明了爆炸箔超压芯片能实现多个爆轰波的相互碰撞,为后期马赫反射压力的研究奠定了基础。
为了进一步提高爆炸箔芯片的飞片发射能力,扩展其在冲击动力学领域中的应用。汪柯

图 18 飞片发射器实物图以及结构示意图
Fig.18 Physical photograph and schematic diagram of the mini flyer launcher

图19 金属电爆炸和等离子体放电耦合加速飞片原理图
Fig.19 Schematic diagram of metal electric explosion and plasma discharge coupling accelerating flyer
在C1和C2分别为0.22 μF/1 200 V和0.4 μF/1 000 V条件下,飞片速度曲线如

图20 爆电耦合条件下的飞片速度曲线
Fig.20 Flyer velocity curve under electric explosion and plasma discharge coupling
介绍了基于3种工艺的爆炸箔芯片及高压开关的制备流程以及性能表征。Al2O3基MEMS-EFI及其开关,发火能量稳定,价格适中;LTCC-MEMS-EFI及其开关适用于高温工作环境;PCB-MEMS-EFI及其开关起爆能量相对较高,但由于可以采用PCB工艺一体化制备,抗高过载能力强,而且价格十分低廉,适合大规模应用。
基于薄膜工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺的MEMS-EFI及高压开关的制备工艺已经日臻完善,试验结果表明爆炸箔芯片以及高压开关的性能均能满足点火起爆系统的要求,金属电爆炸、飞片冲击起爆以及介质放电等基础理论逐渐成熟。总的来说,这三类爆炸箔芯片及高压开关均实现了爆炸箔起爆系统小型化、集成化、平面化以及低成本的发展目标。目前,MEMS-EFI亟待大范围的推广应用,相关工作包括爆炸箔起爆系统与上级系统的匹配、环境和可靠性试验等内容正在开展。
参考文献
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