半導(dǎo)體橋裸橋與裝LTNR 時的點火特性*

馬 鵬，張 琳，朱順官，張 壘，陳厚和

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210094)

半導(dǎo)體橋(semiconductor bridge，SCB)是一種新近發(fā)展起來的點火裝置，SCB 火工品誕生于1968年［1］，它是利用微電子技術(shù)制造、半導(dǎo)體膜(或金屬半導(dǎo)體膜)作點火元件的火工品［2-3］，直到20 世紀80年代末才受到重視。Lee Kye-nam 等［4］研究了SCB 產(chǎn)生等離子體時兩端電壓隨時間的變化情況并發(fā)現(xiàn)有2 個電壓峰值，其中第1 個峰值對應(yīng)于SCB 汽化前的硅橋加熱，第2 個峰值對應(yīng)于SCB 等離子體的產(chǎn)生，Park Myung-Ⅱ等［5］對比了single-SCB 和poly-SCB 兩種不同橋產(chǎn)生等離子體的不同。文獻［6-9］中研究了半導(dǎo)體橋的電熱性能、點火裝置設(shè)計以及SCB 等離子體溫度測量等?；谏鲜龅难芯窟M展，本文中主要針對SCB 裸橋與裝藥橋的不同點火性能進行相應(yīng)的探索。

1 實 驗

1.1 實驗試劑及儀器

斯蒂芬酸鉛(LTNR)，南京理工大學(xué)制備;ALG-CN1 儲能放電起爆儀，南京理工大學(xué)制造;44XS 通道數(shù)字示波器，Lecroy 公司產(chǎn)品。

實驗所用為N 型重摻雜SCB，尺寸為80 μm(L)×360 μm(W)×2 μm(T)，電阻為(1±0.1)Ω，無感電阻為1 Ω，實驗所用電容為22、47、68 和100 μF。SCB 裝藥橋裝藥為LTNR，裝藥量為20 mg，壓力為120 MPa。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示，主要由3部分組成:電能輸入裝置、SCB 裸橋或裝藥橋點火裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電容充電完畢后，打開開關(guān)，電容對SCB釋放能量，在電容電能作用下SCB 激發(fā)形成等離子體，將藥劑點燃。在該過程中，電容放電的電壓信號、SCB 兩端的電壓信號和整個回路的電流信號將通過示波器記錄。圖2 為SCB 裸橋和SCB 裝藥橋的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Ignition circuit diagram

圖2 SCB 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Charge structure of SCB

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

實驗采集了3 組數(shù)據(jù):電容放電時兩端電壓U1，半導(dǎo)體橋兩端電壓U2和回路中的電流I。首先使用無感電阻對實驗線路進行測試，得到無感電阻兩端的電壓和電流曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，U1和U2的一部分完全重合，曲線U2和I 相似。在該實驗中使用47 μF 電容放電，充電電壓為24 V。從圖3 中也可以看出，在起始時刻，U2的峰值和U1的有一定的差值，由該差值和電流的峰值可以估算出除無感電阻外整個回路的電阻，其值約0.4 Ω，與實際測量值吻合。

圖4 是半導(dǎo)體橋產(chǎn)生等離子體時的電壓曲線，在等離子體激發(fā)過程中，半導(dǎo)體橋的主要組分硅在不同的時刻發(fā)生了不同的變化，A 點是電脈沖作用的起始點，AB 階段是橋的加熱階段，熱量主要來自于電流通過橋時產(chǎn)生的焦耳熱;BD 階段是橋的熔化階段，熔化橋的能量主要來自放電電容提供的能量，在C點時橋材料沒有完全熔化，在D 點時橋材料全部溶化;DE 階段是橋材料的汽化過程，在E 點，橋材料汽化完全。在電容能量的激發(fā)下，氣態(tài)的硅被電離為等離子體。由于等離子體的沖擊作用和熱作用，起爆藥被點燃。由以上分析和圖5 的結(jié)果可以確定:不同電容在26 V 放電電壓作用下均可以產(chǎn)生等離子體，即本實驗所得結(jié)果都是SCB 等離子體點火所產(chǎn)的。

圖3 無感電阻兩端的電壓、電流曲線Fig.3 Voltages at the two ends between of the nonconductance resistor and the current through it

圖4 典型等離子體產(chǎn)生時的電壓曲線Fig.4 Typical voltage curve when plasma generated

圖5 不同電容容量下，放電電壓U1、SCB 兩端電壓U2 及電流曲線Fig.5 Curves of discharging voltage of the capacitor，voltage of SCB and current of the circuit

2.2 裸橋與裝藥橋的對比

裸橋和裝藥條件下二次峰出現(xiàn)時刻(tb、tc)、持續(xù)時間(Tb、Tc)和電壓峰值(Ub，max、Uc，max)如表1 所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著電容的不斷增大，二次峰出現(xiàn)的時間逐漸延后，二次峰的持續(xù)時間和峰值電壓在C=47 μF 時最長，其余隨電容的增大而增大。這也驗證了實驗中發(fā)現(xiàn)存在最佳匹配電容的觀點，即47 μF 是本實驗的最佳匹配電容。實驗中出現(xiàn)的二次峰隨電容的增大而延后，是由于本實驗的時間常數(shù)τ(τ=RC)不同所導(dǎo)致的:在電路中R 相同C 不同，τ 也不相同，因此大電容的時間常數(shù)τ 要大。根據(jù)電容的放電規(guī)律，認為T=4τ 時電容放電完成，所以大電容的放電時間要長一些，因此隨著電容的增大，二次峰出現(xiàn)的時間較長，與實驗數(shù)據(jù)吻合。

表1 裸橋和裝藥條件下二次峰出現(xiàn)時刻，持續(xù)時間和峰值電壓Table 1 Data of appearing time and duration of the second peak and the peak voltage

由圖5 可以看出，在二次峰出現(xiàn)之前的各個峰值均與電容放電曲線相切，二次峰值均超過了同時刻電容放電的電壓值。由圖5 中的電流曲線可知，在二次峰之前電流值開始下降，可以認為在固態(tài)硅轉(zhuǎn)化為液態(tài)硅時存在著電阻變小的趨勢，即造成了電壓曲線經(jīng)過第1 個峰后開始下降，液態(tài)硅變?yōu)闅鈶B(tài)硅時，電阻變大，導(dǎo)致二次峰時電壓值超過了電容放電時的電壓值。

由于裸橋和裝藥橋在點火時存在著上述的差別(二次峰出現(xiàn)和持續(xù)時間以及峰值電壓)，本實驗中考察這2 種狀態(tài)下的SCB 積分能量(電壓與電流乘積的積分)、能量利用率R(積分能量/電容儲能)，其數(shù)據(jù)列于表2 中。

表2 不同電容的積分能量和能量利用率數(shù)據(jù)Table 2 Integral energy and the utility ratio of energy

表中積分能量Eb是裸橋作用后的積分能量，積分能量Ec是SCB 點燃LTNR 情況時的積分能量。積分能量可以認為是電容放電后作用在橋上的能量。對比積分能量Eb和Ec可以發(fā)現(xiàn)，裸橋的積分能量比裝藥條件下的高。由表中數(shù)據(jù)可知，裸橋的積分能量隨電容的變化基本呈線性關(guān)系，而裝藥橋的積分能量基本保持在一個水平上，沒有太大的變化，并且從二次峰出現(xiàn)的時間可以看出，當用SCB 點燃LTNR 時，二次峰出現(xiàn)的時間早，持續(xù)的時間短。

裸橋通電時，暴露在空氣中的SCB 芯片形成等離子體后，SCB 熔斷。由電容放電原理可知，橋兩端有高電壓存在并不斷向包含等離子體的空氣放電，直到空氣不再被擊穿為止，此時的電壓反應(yīng)在圖5 各圖中的曲線U2中，即產(chǎn)生等離子體后，電壓曲線并沒有回到零點，而是在某一電壓值附近呈一條直線。

裝藥橋通電時，SCB 產(chǎn)生的等離子體滲入到藥劑中，將藥劑加熱并點燃。由表1 中等離子體的持續(xù)時間同樣可以看出，裝藥橋的等離子體持續(xù)時間較裸橋的短。熔斷后橋兩端的電壓加載在了藥劑上，同時藥劑受等離子體的作用，達到了LTNR 的熱分解溫度，分解放熱釋放足夠的能量保證自身穩(wěn)定爆轟，這是裝藥橋的積分能量基本保持在一個水平上，沒有太大的變化的關(guān)鍵原因。

3 結(jié) 論

通過對裸橋和裝藥橋的實驗發(fā)現(xiàn):裸橋與裝藥橋在點火能量、二次峰出現(xiàn)時間及持續(xù)時間上存在差異:裸橋的積分能量比裝藥橋高，且呈線性變化，裝藥橋的積分能量處于一個水平上。這主要是由于LTNR 受到等離子體的作用而達到熱分解溫度，釋放的熱量足以維持反應(yīng)的進行;裸橋的二次峰出現(xiàn)時間及持續(xù)時間比裝藥橋長，但二次峰峰值電壓比裝藥橋低。

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