半導體橋火工品的防靜電和防射頻技術*

陳 飛 周 彬 秦志春 李 敏

南京理工大學化工學院(江蘇南京，210094) 武警上海政治學院(上海，200433)

李 鵬

武警江蘇總隊無錫支隊(江蘇無錫，214071)

引言

半導體橋火工品，是指利用半導體膜(或金屬—半導體復合膜)做發火元件，進而發展為利用微電子集成技術，使火工品具有邏輯控制功能的一類火工品，它是一種新技術的電火工品，具有發火能量低、體積小、作用迅速、工藝一致性好、易與電路匹配等優點，且具有一定的防靜電、防射頻能力[1]。國內經過二十多年的研究，已經有了自己的SCB產品，正在向實用階段發展。但是近年來靜電放電危害的日益突出和電磁環境的不斷惡化，作為一種電火工品，特別是發火能量較小的半導體橋(發火所需能量1 mJ以下)，仍然還是會受到靜電、電磁波的影響，可能會造成火工品的早炸或性能下降(如發火延遲、鈍感等)，因此有必要采取一定的技術措施，來進一步增強其防靜電、防射頻能力。

1 電火工品常用的防靜電、防射頻方法

1.1 靜電防護措施

電火工品靜電防護的傳統措施包括：在橋絲周圍增加一個絕緣環[2]；在點火藥外表面涂一層耐高壓的絕緣漆膜或涂導電膠在插塞外表面；采用泄放通道，泄放通道通常采用空氣介質，其位置應遠離藥劑，在插塞中腳線的尖端或彎曲部分與殼體之間；在電火工品腳與殼之間并聯靜電泄放元件(如微型泄放電阻、微型二極管、微型氖燈)，以泄放靜電[3]；采用半導體材料作電極塞等方法。

1.2 射頻防護措施

傳統的加固技術包括：屏蔽，利用金屬盒、金屬網等屏蔽體將電火工品及其相關發火電路包圍起來，盡量減少進入火工品的電磁能量的一種抑制干擾措施[4]；低通濾波器，其目的是為了減少耦合到電火工品中的電磁能量，能夠提供期望的衰減值而不影響正常發火；采用羰基鐵與鐵氧體衰減材料、防靜電阻隔材料和復合導線等方法。

上述電火工品常用的防靜電、防射頻方法，雖然在一定程度可以起到抗電磁的作用，但都存在著一些缺陷與不足，如：泄放通道不能確保完全泄放雜散靜電；由于外殼的不連續，要想做到無縫隙的屏蔽很難，使得電磁能量或多或少的能進入到武器系統中；低通濾波器使用的都是分立元件，造成火工品的體積質量增加，同時傳統的低通濾波器是可以通過直流或其它低頻信號的，這樣就不能過濾掉能使火工品偶然發火的低頻信號。

2 SCB火工品防靜電、防射頻技術

SCB火工品可以采用上述的電火工品靜電和射頻的加固技術，但因其能與數字邏輯電路相結合，并可在半導體芯片上集成防靜電、防射頻裝置，它的靜電和射頻加固技術又有著自身的特點。國內外在這方面做了很多的研究，總的來說包括以下幾種。

2.1 采用防靜電、防射頻器件或外包裝材料

采用防靜電、防射頻器件對火工品進行防護，通用于電火工品以及SCB火工品，但考慮到減小聯接后整個火工品的體積，以及后續的結構設計等原因，目前主要是針對SCB火工品進行研究的。

2.1.1齊納二極管

它主要由絕緣基片上重摻雜的多晶硅橋和并聯的齊納二極管構成，其結構如圖1所示。齊納二極管(又叫穩壓二極管)，是利用PN結反向擊穿特性所表現出的穩壓性能制成的器件，具有箝位電壓的特性。在臨界反向擊穿電壓前，二極管是具有很高電阻的半導體器件，但在這臨界點擊穿之后，電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恒定。

圖1 集成齊納二極管的SCB

美國專利USP5179248和USP5672841中分別提到用齊納二極管進行腳—腳之間的射頻防護和腳—殼間的靜電防護[5-6]。齊納二極管可以使電壓箝位到某一固定值，從而保護腳—腳與腳—殼間不被擊穿而發火，它所能承受的靜電電壓值為6000～25000 V。如果將其用于腳—殼間防靜電，不僅能起到防靜電的作用，同時還解決了發火能量通過該結構損失的問題。齊納二極管一般用于電路中來防止作用時間短、電壓幅度高、瞬態能量大的瞬態干擾能量對火工品的干擾。

如果進入SCB火工品中的電壓高于發火電壓而低于鉗位電壓，就有可能導致火工品誤作用；且由于其吸收的能量較小，容易出現過熱情況，如果電壓低于發火電壓而達到一定值時，此能量就會在橋絲上不斷產生熱積累，從而導致SCB火工品瞎火。

2.1.2雙極性二極管

雙極性二極管是一種新型的防靜電放電和防射頻放電的保護裝置，在2001年的JOURNAL OF PROPULSION AND POWER論文中提到一種用兩個肖特基二極管背靠背連接，直接集成到SCB火工品的橋區內的方法[7]。它主要還是利用其二極管具有箝位電壓的特性，使其兩端的電壓箝位在一固定值。其缺點包括電流負荷能力低；二極管所能承受的瞬時脈沖是不重復的單一脈沖，若實際電路中出現重復性脈沖則會失效。

2.1.3其它的防護器件

除了以上的技術措施，研究者也對其它一些防護器件開展了研究，如采用氣體放電管、壓敏電阻、TVS二極管、半導體放電管、熱敏電阻和磁珠[8]等。南京理工大學的周彬、秦志春等人對半導體放電管、熱敏電阻以及磁珠等防護器件的性能進行了深入研究[9]，目前已經通過了其性能的實驗驗證，正在努力減小火工品整體的體積和優化制造工藝，向實用階段發展。

例如半導體放電管(也稱固體放電管)，是基于可控硅的原理和結構的一種二端負阻器件，是SGS-THOMSON公司于1989年首先推出的[10]。它是一種PNPN元件，可以被看作是一個無門電極的自由電壓控制的可控硅，主要用于SCB火工品的靜電防護。當靜電電壓超過它的雪崩電壓時，半導體放電管由于負阻效應進入導通狀態，吸收大量的靜電電壓，使SCB火工品兩端的電壓箝位于一個預定值，有效地保護火工品免受靜電放電的損壞。而當靜電電壓小于它的雪崩電壓時，放電管又會恢復到它的高阻抗狀態，不影響火工品的正常作用。

熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件。它是由半導體陶瓷材料組成，溫度會引起電阻的變化[11]，主要用于SCB火工品的射頻防護。當SCB火工品受到射頻能量沖擊時，其溫度會逐漸升高。當溫度上升到一定值時，熱敏電阻會感應到這個高溫，它的阻值會迅速地變小，和SCB火工品并聯時就可以分走大量的電流，從而對火工品起到保護作用。當射頻能量過后，電路電壓恢復正常，熱敏電阻又會很快地恢復原來的高電阻狀態，使得線路正常運行。

2.1.4火工品防靜電、防射頻包裝材料

山西北方晉東化工有限公司將油爐法炭黑和聚乙烯樹脂混煉造粒，得到半導電粒子，經三層共擠吹膜工藝和電暈處理技術，制得表面能抗電磁的聚乙烯薄膜[12]。該薄膜可與其它基材可靠復合成機械物理性能優異的防靜電軟塑包裝復合材料，起到良好的靜電、電磁和機械物理防護作用。該材料集高阻氣性、高機械強度于一體，體質柔軟，不僅可以熱合封口，也可以機械封口，而且價格低廉，適用范圍廣。

2.2 對SCB火工品的芯片進行改進

這是SCB火工品防靜電、防射頻專用的技術，不適用于其它的電火工品，因為它需要對SCB芯片進行改進，所以對生產工藝水平的要求也比較高。

2.2.1具有介電層的SCB

它是在金屬焊接區和橋區間增加了一個介電層，這個介電層有特定的擊穿電壓(可在10～1000 V之間)[13]。低于其擊穿電壓的雜散電勢可以被封堵住，而高于擊穿電壓的電壓，會擊穿介電層，使電流流到SCB上，從而產生等離子體，引爆藥劑。介電層的厚度和它的介電率決定其介電強度，通過選用不同的介電材料以及采用不同厚度的介電層，能對介電層的擊穿電壓進行調控。其結構如圖2。

圖2 帶有電壓保護的半導體橋

介電層采用的介電材料是電的絕緣材料，當它處于金屬焊接區和橋區之間時，作用相當于電容器。由于介電材料的種類很多，所以介電層的擊穿電壓易于控制；介電層是集成在半導體芯片上，并沒有增加火工品的體積，它可以用于防止連續不斷的小能量的射頻干擾。

2.2.2帶有非線性電阻的SCB

當電阻兩端的電壓與流過的電流不成比例關系時，伏安特性就會是條曲線，電阻不是一個常數，隨電壓、電流而變動，稱之為非線性電阻。帶有非線性電阻的SCB火工品裝置是由絕緣導熱基片上兩段蛇形金屬薄膜電阻和中間蝴蝶結形半導體橋電阻串聯組成，結構示意圖如圖3所示[14-15]。

圖3 帶非線性電阻的半導體橋

施加給SCB火工品的電信號，在薄鋁層上被轉換成歐姆熱，在蛇形電阻區域將歐姆熱傳導到底座中并耗散掉。殼體應該是好的熱導體，將熱量耗散掉。與此同時，耦合到SCB火工品中的射頻信號在蝴蝶結區域會被衰減，這兩種作用加起來，可以使蝴蝶結區域保持較低的溫度，防止電火工品因射頻而意外發火。但是為了起爆這個火工品，必須使用具有足夠長周期的發火電流，這樣也增加了其發火電流。

2.2.3結型半導體橋火工品

結型半導體是一種新型、單片固態式的結構，主要是對SCB芯片結構與摻雜濃度進行了改進，該結構對靜電和射頻放電鈍感，并且由于產生了背靠背二極管，裝置可以形成直流封堵[16]。典型的結型半導體的結構如圖4所示。

圖4 結型半導體結構簡圖

將330 μm厚的n型硅襯底兩面拋光并清潔干凈，接著將其插入到擴散爐中以使得p型摻雜劑擴散到襯底的頂部和底部。這個擴散的p+區域在襯底的兩面和n型硅區域構成了pn結，形成了背靠背二極管。然后把金屬淀積到裝置的兩面以形成電接觸，構成金屬電極，最后再將n型硅襯底裁剪成如圖4所示的正方形形狀。這樣便形成了結型半導體芯片。

2.2.4改變半導體橋的形狀結構

半導體橋的結構發生變化，SCB的電爆性能也將隨之發生改變。改變橋中間尖角的角度為60°或120°，減小尖角的深度和尖角的數量，有利于防止SCB在電磁能量作用下的誤起爆[17]。但是這也同時增加了SCB火工品的發火時間和發火能量，所以只有在對火工品的防靜電、防射頻要求極高，而對發火時間和發火能量不作要求的特殊情況下，才可以采用這種方法。

2.3 與微電子電路相連接的SCB火工品

2.3.1在SCB芯片上集成電路

因為SCB芯片是用標準的半導體工藝制造的，所以可以把精密電路集成安裝到它上面。這個電路不光可以對火工品進行靜電和射頻的防護，還包括時間延遲，可以在現場工程師指定的確切時間下，通過電腦控制使得SCB發火。這種“靈巧”的SCB火工品只產生極小的發射振動，并可以有效地進行碎石，很好地滿足了爆炸工程的需要。

可以將該火工品設計到獨特的起爆系統中，這個起爆系統還包括編程器(Logger)和起爆器(Blaster)[18]，帶有微電子電路的SCB火工品只有接收到一個特定的數字代碼，才能夠開始起爆、工作，但只有起爆器才能產生該數據代碼，所以即使火工品直接連接到編程器，也不會起爆作用的。

2.3.2設計保護外電路

SCB點火系統中的保護電路也很重要[19]。在突然受到大能量的電磁干擾時，保護電路可瞬時導通，將大部分具有破壞能力的能量泄放掉，從而使SCB火工品受到保護，避免發火。具體有火花隙、 電抗平衡電橋電路等。

3 研究展望

文中提出了SCB火工品的三類防靜電、防射頻的方法，其中：

(1)采用防護器件進行靜電和射頻防護的方法，僅僅是把具有抗電磁性能的電子元器件與火工品進行聯接，可以采用牢固而經濟的電極標準密封回流技術，比焊線和模片鍵合技術要簡潔、便宜得多，并不影響火工品原有的生產工藝與性能，簡單而方便，是目前SCB火工品防靜電、防射頻的主要研究方向。但是它會增加火工品的體積，且具體防護范圍的調節性差，防護器件本身也有著防護的局限性和缺點，如何對其進行改進，在特定的電磁環境下進行防護，達到實用的階段，還有待繼續研究。

(2)對SCB火工品的芯片進行改進，進行靜電和射頻防護，其防護精度高，易調控，且不增加火工品體積，是SCB火工品防靜電、防射頻的一個重要的研究方向。但是由于其制造工藝較復雜，目前國內還沒有專門的生產線，制造成本很高，現在還停留在實驗階段。

(3)利用微電子保護電路，對SCB進行集成的技術，具有作用精確、不增加火工品體積、大量推廣后制造成本低、易于大批量生產、工藝一致性好等一系列優點，且它還可以與后續的起爆序列進行設計，可以在直列式起爆序列中得到應用，是SCB火工品靜電和射頻防護研究的最重要、最具有應用前景和實際價值的一個方向。

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民爆專利信息

專利名稱：用于制造可追蹤彈藥的工藝

專利申請號：CN200480044245.9公開號：CN101065639

申請日：2004.10.14公開日：2007.10.31

申請人：巴西卡圖休斯巴西公司

本發明涉及一種用于制造標以一系列字符的彈藥的工藝，所述一系列字符允許識別多個數據項，由于所述一系列字符被激光雕刻在所述彈藥的一個或多個部件中，因而在收回所述彈藥的雕刻部件(即使其已被用過)時，提供了明確的標識。

專利名稱：熱泵式火藥烘干方法及裝置

專利申請號：CN200710027380.8公開號：CN101050155

申請日：2007.03.29公開日：2007.10.10

申請人：廣州市科偉電氣有限公司

本發明熱泵式火藥烘干方法及裝置屬于干燥領域，特別是涉及一種火藥的烘干方法及裝置，它是利用干燥的熱風來烘干煙花火藥，空氣經過熱泵進行除濕干燥，并加熱升溫，風機將干燥的熱空氣經過風管輸送進入烘房的烘籠底部，烘房內設置有烘籠，干燥的熱空氣從烘籠的底部向上穿過烘格,烘籠由烘籠座和烘格組成，在烘格內放置煙花火藥，在烘房的頂部設置有排濕窗，水分從排濕窗排出烘房。采用熱泵加熱干燥空氣，完全保證了安全生產，符合安全生產的要求，干燥速度快，烘干效率高，節約能源，有效地降低了成本。

專利名稱：新型底排藥

專利申請號：CN200710011372.4公開號：CN101050156

申請日：2007.05.21公開日：2007.10.10

申請人：沈陽理工大學

新型底排藥，由環氧乙烷/四氰呋喃共聚醚、三羥甲基乙烷三硝酸脂、高氯酸銨、多異氰酸酯、碳酸鉛、硝化棉、三苯基鉍組成，其配方的質量百分比為：環氧乙烷/四氰呋喃共聚醚6.5%～7.5%、三羥甲基乙烷三硝酸脂14%～18%、高氯酸銨70%～75%、多異氰酸酯2%～3%、碳酸鉛1.0%～1.5%、硝化棉0.1%～0.2%、三苯基鉍0.1%～0.2%。本發明與現有底排藥相比，其特點在于采用含硝酸酯增塑聚醚為粘合劑，由于羥勁甲基乙烷三硝酸酯具有較高的比容，因此，可產生大量的氣體，并且羥勁甲基乙烷三硝酸具有較低的感度，可滿足過載發射的安全要求。

專利名稱：高能型粉狀乳化炸藥及其制備方法

專利申請號：CN200610039233.8公開號：CN101045662

申請日：2006.03.31公開日：2007.10.03

申請人：南京理工大學、安徽盾安化工集團有限公司

本發明涉及一種高能型粉狀乳化炸藥及其制造方法。所述炸藥由質量百分比的下列組分：硝酸銨87%～93%、防結塊劑0.01%～0.80%、油相材料2%～5%、固態可燃物0.1%～4.0%、乳化劑0.5%～1.5%、水0.1%～1.0%組成；制備方法為：將硝酸銨、防結塊劑和水組成的混合物加熱溶解并升溫，形成氧化劑溶液；將油相材料和乳化劑組成的混合物加熱熔化升溫，形成可燃物溶液；將氧化劑溶液加入到攪拌著的可燃物溶液中，形成油包水型混合物；將所得混合物霧化、干燥，產物冷卻后裝藥。本發明的炸藥爆炸性能優良、體積威力大、原材料成本低、產能大、能耗小、操作簡單、本質安全性好,適用于除采煤以外的的各種爆破作業。

專利名稱：高能型煤礦許用粉狀乳化炸藥及其制備方法

專利申請號：CN200610039235.7公開號：CN101045663

申請日：2006.03.31公開日：2007.10.03

申請人：南京理工大學

本發明涉及一種高能型煤礦許用粉狀乳化炸藥，由質量百分比的下列組分：硝酸銨81%～88%、防結塊劑0.01%～0.80%、油相材料2%～5%、固態可燃物0.1%～4.0%、乳化劑0.5%～1.5%、水0.1%～1.0%，消焰劑4%～10%組成。其制備方法為：將油相材料和乳化劑組成的混合物加熱熔化升溫，形成可燃物溶液，將氧化劑溶液加入到攪拌著的可燃物溶液中，形成油包水型混合物，制得的混合物經(或同時)混入固態可燃物制得產物，冷卻后裝藥。本發明配方簡單、不含有毒成分、原材料成本低、爆炸性能優良、體積威力大、產能大、能耗小、操作簡單、本質安全性好、適用于煤礦井下爆破作業。

(王元蓀)