半導體橋等離子體溫度的實驗研究

吳蓉，朱順官，張琳，李燕，馮紅艷

(1.巢湖學院 化學與材料科學系，安徽 巢湖238000;2.南京理工大學 化工學院，江蘇 南京210094)

0 引言

半導體橋(SCB)等離子體點火技術是近20 多年來得到快速發展的一項新技術［1-7］。當前普遍認為其點火作用過程:SCB 通以脈沖電流時，硅橋材料因焦耳熱迅速汽化并在電場作用下形成等離子體放電，等離子體迅速擴散到裝藥中，使裝藥受熱達到著火溫度而發火。因此了解SCB 作用過程中等離子體溫度的變化規律，對研究SCB 點火和起爆機理尤為重要。但是，由于SCB 等離子體本身空間尺寸小，存在時間短，瞬態溫度變化大，且點火在常壓下完成，對測溫的技術要求十分苛刻。

Benson 等［1］、Thomas 等［8］、Kim 等［5，9］對SCB等離子體溫度進行了相關研究，但所用儀器設備昂貴，要獲得等離子體溫度的時間分辨比較困難?；跅顥澋龋?0］、劉大斌等［11］、周新利等［12］建立的原子發射光譜雙譜線法測溫系統，Feng 等［13］、Wu 等［14］、吳蓉［15］成功地將之應用到SCB 等離子體溫度的測定上，并進一步發展了這套系統，為獲得實時的SCB等離子體溫度建立了一種更為簡單、經濟且易操作的方法。本實驗采用該系統對不同放電條件下SCB等離子體溫度進行實時瞬態測定，研究其溫度變化規律，放電電壓、充電電容及脈沖能量對等離子體溫度的影響，這為揭示SCB 等離子體的作用機理，為點火電路的設計、裝藥條件的完善以及藥劑的選擇提供參考依據。

1 原子發射光譜雙譜線法測溫原理

式中:I1和I2為兩條波長分別為λ1和λ2光譜線的發射光譜強度;A1和A2為兩譜線的躍遷幾率;g1和g2為兩譜線激發態的統計權重;E1和E2為兩譜線上激發態能量;k 為Boltzmann 常數;T 為等離子體溫度。

由(1)式得

對于已知的兩條譜線，λ1、λ2、A1、A2、g1、g2、E1、E2和k 均為已知的光譜常數，所以只要測得兩條譜線的譜線強度I1和I2，即可由(2)式求得等離子體溫度T.

根據原子發射光譜法的譜線選擇原則，實驗首先獲得了350～650 nm 波長范圍內SCB 等離子體的原子發射光譜。由于SCB 橋中含有微量Cu 元素，且在整個光譜范圍內Cu 譜線比較簡單、干擾較少，故本實驗選擇Cu 元素的兩條原子譜線的靈敏線作為分析線，其光譜譜線的波長、上能級能量、統計權重、躍遷幾率及其不確定度如表1所示。

表1 Cu 原子譜線的光譜參數值［17］Tab.1 Spectral parameters of Cu atomic line［17］

2 實驗及裝置

本實驗研究的SCB 為重摻雜多晶硅SCB，其基本結構如圖1所示，由夾在硅基片與金覆蓋層之間呈“H”形的重摻雜多晶硅構成，長60 μm，寬350 μm，厚2 μm，橋體電阻1 Ω.當在SCB 兩端施加電脈沖時，電流就會在電流梯度最大的橋區邊沿產生輝光放電并向橋中心激勵，加速橋區多晶硅材料的熔化，在半導體橋區上面生成灼熱的離子化蒸汽層，產生劇烈沖擊的多晶硅等離子體放電氣體。

圖1 SCB 結構圖Fig.1 The structure of SCB

圖2為SCB 等離子體瞬態溫度的原子發射光譜雙譜線法測試系統。其中左邊為SCB 等離子體的發生裝置，首先由電源對電容器充電，當電容器充電至一定電壓時，將開關K1轉換到K2，進入放電回路，接通K3對SCB 兩端施加電脈沖，產生等離子體。右邊為光譜測溫系統，包括:測溫探頭、一進二出的光導纖維、干涉濾波片、光電倍增管，負高壓穩壓供電電源、高速響應電路的光電轉換系統、數據采集和實時顯示處理系統。本實驗采用的數據采集裝置為LeCroyLT374 型示波器，該示波器有4 個通道，可分別同時采集加在SCB 上的電壓、電流信號以及等離子體產生的光譜信號。

圖2 SCB 等離子體的測溫系統Fig.2 Temperature measuring system for SCB plasma

通過以上測試系統，在不同放電脈沖條件下，對SCB 生成等離子體進行光譜測試，得到隨時間變化的等離子體光譜強度信號與同一時間下的放電脈沖信號，每種放電條件下平行測定3 次。

3 結果與討論

圖3為22 μF、57 V 實驗條件下得到的一組典型實驗曲線。

一切都太美妙了。這個夜晚，簡直毫無缺憾。無論如何，我又能吃什么虧呢？我說過我不是一個世俗得拒絕美麗的人。我再也無法抑制自己渴望浪漫的心，我為什么要抑制呢？事實上，我根本來不及對自己說什么，就把她抱了起來。她的身體很輕盈。她的嘴唇微微上翹，她的曲線緊貼著我，她的手輕巧地解開我襯衫的鈕扣。

圖3 作用于SCB 上電壓、電流以及產生的等離子體光譜強度隨時間的變化Fig.3 Voltage，current and spectrum intensity vs time

圖3(a)為加在SCB 兩端的電壓隨時間的變化，通過測量電壓曲線發現有兩個電壓峰值。正如Benson 等［1］在研究SCB 點燃煙火劑的實驗中所描述的，第一個峰值對應SCB 汽化前的硅橋加熱，從SCB 開始汽化直到汽化完成，橋區一直維持低阻抗;在電流的持續加熱下硅氣開始電離，橋區阻抗急劇上升，直到電壓曲線出現第二個峰值，這對應于硅等離子體加熱階段開始。他們認為只有當等離子體加熱階段形成時，SCB 才能點燃炸藥。也稱此等離子體加熱階段開始，為等離子體后期放電開始，如圖3(a)中t1所示。

圖3(b)為回路感應電流隨時間的變化，t2為放電電流降至0 的時刻。

圖3(c)為兩條譜線光譜輻射強度隨時間的變化，因系統是將光信號轉化成電信號，且兩者之間成正比關系，在此將光輻射強度用電壓表示。圖中t3時刻，光譜信號強度基本接近為0，可認為此時光輻射結束，t1→t3為等離子體后期放電時間。

由圖3可以看出光輸出急劇增加和電壓峰值在同一時間發生，它與SCB 等離子體的形成相對應，這與Kim 等［2］進行的SCB 發火的光電測量實驗的結論是一致的。

3.1 等離子體溫度與放電電壓的關系

根據原子發射光譜雙譜線測溫法原理，由實驗所得兩條Cu 原子光譜譜線強度值，通過(2)式計算，可得SCB 等離子體的溫度。充電電容為22 μF，實驗測得放電電壓分別為21 V、27 V、33 V、39 V、45 V、51 V、57 V、63 V 條件下等離子體溫度隨時間的變化，其變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同初始放電電壓下等離子體溫度隨時間的變化(電容為22 μF)Fig.4 Plasma temperature vs time and initial voltage (capacitance:C=22 μF)

從圖4可以看出，SCB 等離子體溫度的變化與時間是相關的，呈現先上升后下降的趨勢;放電電壓越高，等離子體溫度隨時間的變化曲線波動越大，且放電電壓由21 V 上升到63 V 時，等離子體峰值溫度由2 000 K 增大到6 200 K.

3.2 等離子體溫度與充電電容的關系

圖5為初始放電電壓為39 V，充電電容分別為6.8 μF、15 μF、22 μF、47 μF、68 μF、100 μF 下的等離子體溫度隨時間的變化?？梢钥闯龅入x子體溫度隨時間的變化基本上也是呈現先上升后下降的態勢，等離子體峰值溫度隨充電電容增大而逐漸升高，其變化范圍約2 200 K～3 800 K.

圖5 不同充電電容下等離子體溫度隨時間的變化曲線(初始放電電壓為39 V)Fig.5 Plasma temperature vs time and capacitance(initial voltage:U=39 V)

3.3 等離子體溫度與脈沖能量的關系

等離子體后期放電開始時，SCB 所消耗的能量，稱之為臨界發火能量，用Ec表示;而通過電脈沖放電，作用于SCB 上總的脈沖能量，稱之為脈沖能量，用Etot表示。電壓與電流的乘積為功率，通過對功率的時間積分，可獲得相應的脈沖能量。實驗獲得了不同放電條件下Ec和Etot值，并研究了這兩種能量條件下等離子體溫度的變化規律。

結果顯示，在改變放電電壓或改變充電電容等不同的放電條件下，等離子體后期放電開始時，Ec值基本恒定，且等離子體溫度值變化不大，基本上均維持在1 700 K～2 200 K.由此可以看出，對于某種特定的SCB，通過脈沖放電激發產生等離子體，不同的放電條件下，所需要的臨界發火能量基本上是恒定的，這些能量作用于SCB 后，使橋體熔化，產生等離子體放電，即只要達到一定的臨界能量，等離子體后期放電便開始形成，而等離子體放電開始的溫度受放電條件的改變影響很小。

實驗進一步比較了固定電容、改變電壓，及固定電壓、改變電容這兩種放電條件下，等離子體峰值溫度隨脈沖能量Etot的變化關系，如圖6所示。從圖6可以看出，等離子體溫度隨脈沖能量的增大均呈逐漸上升的態勢，在能量較低的條件下兩者的改變對溫度的影響不大，在能量較高時，該實驗中能量約在12.7 mJ 以上時，改變電壓對等離子體溫度的影響比改變電容更加顯著。因此要獲得較高的等離子體溫度可通過增加放電電壓值來實現。

圖6 等離子體溫度隨脈沖能量的變化Fig.6 Plasma temperature vs pulse energy

4 結論

根據原子發射光譜雙譜線法測溫原理，使用SCB 等離子體溫度實時瞬態測量的測試系統，實驗將作用于SCB 上的能量與等離子體的產生對應起來，研究了不同放電脈沖條件下，作用于SCB 上的電信號及同時產生的等離子體光譜信號，得出以下結論:

1)實驗測定了固定電容、常用電壓范圍內的等離子體發射光譜強度，在此數據基礎上用理論公式計算了等離子體溫度的變化范圍。SCB 等離子體溫度是隨時間高速瞬變的，在充電電容為22 μF，放電初始電壓由21 V 增大到63 V，等離子體峰值溫度由2 000 K 上升至6 200 K;而在放電電壓為39 V，充電電容由6.8 μF 改變至100 μF 時，等離子體峰值溫度隨充電電容的增大而升高，由2 200 K 變化為3 800 K.

2)不同放電脈沖條件下，等離子體后期放電開始時，SCB 上所消耗的能量基本恒定，該能量取決于所選用的SCB，只要達到一定的閾值能量后是不隨外界條件的變化而改變的，且等離子體溫度也基本恒定，均維持在1 700 K～2 200 K.

3)隨著作用于SCB 上的脈沖能量的增加，等離子體溫度逐漸升高，改變放電電壓，脈沖能量值的變化對溫度的影響要明顯高于充電電容變化對其的影響。

References)

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