低輸入能條件下半導(dǎo)體橋等離子體放電特性研究

吳 蓉 馮紅艷 朱順官 張 琳 王新

（1巢湖學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）（2南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

低輸入能條件下半導(dǎo)體橋等離子體放電特性研究

吳 蓉1馮紅艷2朱順官2張 琳2王新1

（1巢湖學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）（2南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

采用脈沖放電的方式，獲得低輸入能條件下半導(dǎo)體橋等離子體的光電信號(hào)，實(shí)驗(yàn)研究了放電電壓為18V、充電電容為47μF和放電電壓為57V、充電電容為4.7μF的兩種輸入能相同的發(fā)火條件下半導(dǎo)體橋等離子體放電特性。結(jié)果表明，低輸入能量條件下，小電容大電壓容易完成橋膜物理形態(tài)的轉(zhuǎn)變，等離子體后期放電開(kāi)始的時(shí)間早，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但是由于消耗在橋上的能量比較多，得到的等離子體溫度并不高。

半導(dǎo)體橋；等離子體；放電脈沖

半導(dǎo)體橋（SCB）是指利用微電子技術(shù)制造、用半導(dǎo)體膜（或金屬-半導(dǎo)體復(fù)合膜）做點(diǎn)火元件的火工品[1]，在電容放電脈沖激發(fā)下形成的等離子體應(yīng)用于含能材料點(diǎn)火技術(shù)中，是目前活躍的研究領(lǐng)域[2]。SCB等離子體點(diǎn)火技術(shù)以等離子體為激發(fā)能量，具有高安全性能、作用迅速、發(fā)火能量低等特點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外該技術(shù)研究涉及到SCB的電熱性質(zhì)研究、點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)、SCB等離子體參數(shù)測(cè)量[3～7]等方面。SCB等離子體的放電溫度，火花持續(xù)時(shí)間，以及等離子體加熱階段形成時(shí)間等多種放電特性的研究對(duì)于分析等離子體與藥劑作用的機(jī)理是非常重要的。本實(shí)驗(yàn)在兩種輸入能相同的放電脈沖條件下對(duì)產(chǎn)生的SCB等離子體放電特性進(jìn)行研究，為進(jìn)一步研究SCB點(diǎn)火和起爆的機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 發(fā)射光譜法診斷等離子體溫度的基本原理

根據(jù)原子發(fā)射光譜理論[8]，受激原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，將以光的形式輻射出能量，產(chǎn)生特定的原子光譜。選擇同種原子或離子的兩條光譜線，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)或局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，兩條光譜線的輻射強(qiáng)度比滿足下式：

式中 I1和I2為兩條波長(zhǎng)分別為 λ1和 λ2光譜線的發(fā)射光譜強(qiáng)度；A1和A2為兩譜線的躍遷幾率；g1和g2為兩譜線激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；E1和E2為兩譜線上激發(fā)態(tài)能量；k為Boltzmann常數(shù)；T為等離子體溫度。對(duì)于已知的兩條譜線，A1、A2、g1、g2、E1和 E2均為已知的光譜常數(shù)，可從化學(xué)物理常數(shù)手冊(cè)中查到[9]。所以只要測(cè)得兩條譜線的譜線強(qiáng)度I1和I2，即可由（1）式求得等離子體溫度T。

2 實(shí)驗(yàn)及裝置

2.1 SCB的結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)所用的SCB為重?fù)诫s多晶硅SCB，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由夾在硅基片與金覆蓋層之間呈“H”形的重?fù)诫s多晶硅構(gòu)成，長(zhǎng)100μm，寬 380μm，厚 2μm，橋體電阻 1Ω。

圖1 SCB結(jié)構(gòu)圖

2.2 SCB等離子體的發(fā)生裝置及光電測(cè)試系統(tǒng)

如圖2所示，其中左邊為SCB等離子體的發(fā)生裝置，首先由電源對(duì)電容器充電，當(dāng)電容器充電至一定電壓時(shí)，將開(kāi)關(guān)K1轉(zhuǎn)換到K2，進(jìn)入放電回路，接通K3對(duì)SCB兩端施加電脈沖，產(chǎn)生等離子體。右邊為光電測(cè)試系統(tǒng)，包括：測(cè)溫探頭、一進(jìn)二出的光導(dǎo)纖維、干涉濾波片、光電倍增管，負(fù)高壓穩(wěn)壓供電電源、高速響應(yīng)電路的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)顯示處理系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集裝置為L(zhǎng)eCroyLT374型示波器，該示波器有四個(gè)通道，可分別同時(shí)采集加在SCB上的電壓、電流信號(hào)以及等離子體產(chǎn)生的光譜信號(hào)。

圖2 SCB等離子體的發(fā)生裝置及光電測(cè)試系統(tǒng)

2.3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)原子發(fā)射光譜法的譜線選擇原則[8]，實(shí)驗(yàn)選擇Cu元素的兩條原子譜線510.55nm和521.82nm作為分析線，通過(guò)以上測(cè)試系統(tǒng)，在不同放電脈沖條件下，對(duì)SCB生成等離子體進(jìn)行光電測(cè)試，得到隨時(shí)間變化的兩條等離子體光譜強(qiáng)度信號(hào)與同一時(shí)間下的放電脈沖信號(hào)，每種放電條件下平行測(cè)定三次。圖3為22μF，57V實(shí)驗(yàn)條件下得到的一組典型實(shí)驗(yàn)曲線。

圖3 作用于SCB上電壓、電流以及產(chǎn)生的等離子體光譜強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

圖4 SCB上消耗的功率及能量隨時(shí)間的變化

圖3（a）為SCB兩端的電壓隨時(shí)間的變化，其中第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)SCB汽化前的硅橋加熱，第二個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的t1時(shí)刻硅橋熔斷，硅等離子體加熱階段開(kāi)始。Benson等人[1]認(rèn)為只有當(dāng)?shù)入x子體加熱階段形成時(shí)，SCB才能點(diǎn)燃炸藥。我們也稱(chēng)此為等離子體后期放電開(kāi)始。圖3（b）為回路感應(yīng)電流隨時(shí)間的變化，t2為放電電流降至0的時(shí)刻。圖 3（c）為 λ1（Cu I 510.55nm）和 λ2（Cu I 521.82nm）兩條光譜線輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，因系統(tǒng)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，且兩者之間成正比關(guān)系，在此將光輻射強(qiáng)度用電壓表示。

將圖3中電壓電流的乘積即功率，通過(guò)對(duì)時(shí)間積分可獲得相應(yīng)的能量，圖4（a）為功率隨時(shí)間的變化，圖4（b）為相應(yīng)能量隨時(shí)間的變化，其中W1為等離子體后期放電開(kāi)始時(shí)SCB發(fā)火所消耗的能量，我們稱(chēng)之為臨界發(fā)火能量。W2為SCB上消耗的總能量。

本實(shí)驗(yàn)在相同的兩種低輸入能的放電脈沖條件下（放電電壓為18V、充電電容為47μF；放電電壓為57V、充電電容為4.7μF），對(duì)SCB進(jìn)行發(fā)火實(shí)驗(yàn)，研究SCB生成等離子體的放電特性。通過(guò)KH-7700數(shù)字三維視頻顯微鏡，觀察SCB在電脈沖作用后，橋區(qū)的表面形貌，進(jìn)一步研究小發(fā)火能量電路對(duì)SCB等離子體后期放電的影響。

3 結(jié)果與討論

在 18V、47μF 和 57V、4.7μF 的發(fā)火條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到電流、電壓及譜線強(qiáng)度隨時(shí)間的變化信號(hào)如圖5、圖6和圖7所示。可以看出4.7μF條件下橋的熔斷速度快，等離子體后期放電開(kāi)始的時(shí)間早，以及小電容大電壓條件下產(chǎn)生的光譜強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

圖5 相同輸入能下的電壓信號(hào)

圖6 相同輸入能下的電流信號(hào)

圖7 相同輸入能下的光譜強(qiáng)度信號(hào)

由圖7所得的譜線強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)原子發(fā)射光譜雙譜線測(cè)溫法原理，通過(guò)（1）式計(jì)算，可得SCB等離子體溫度隨時(shí)間的變化，其變化趨勢(shì)如圖8所示。由于放電產(chǎn)生的光譜信號(hào)比較弱，所以得到的等離子體溫度的結(jié)果重現(xiàn)性并不是很好，但是通過(guò)結(jié)果還是可以明顯的發(fā)現(xiàn)，57V、4.7μF放電脈沖下等離子體的溫度高。

圖8 等離子體溫度隨時(shí)間變化曲線

計(jì)算不同放電脈沖下SCB上消耗的能量，如表1所示，可以看出兩個(gè)發(fā)火條件下，SCB上輸入能量相同的情況下，橋上消耗的總能量都大于消耗在橋上的臨界發(fā)火能量。

表1 不同放電脈沖下SCB上消耗的能量

圖9為相同輸入能的兩種發(fā)火條件下，橋體表面燒蝕情況的顯微圖，上面3幅為57V、4.7μF條件下的燒蝕情況，下面3幅為18V、47μF的燒蝕情況。顯然 57V、4.7μF比 18V、47μF的放電脈沖條件下燒蝕的結(jié)果嚴(yán)重。說(shuō)明充電電容小，能量輸入速度很快，在橋上的消耗多，對(duì)橋造成很?chē)?yán)重的燒蝕。而此條件下的發(fā)火能量接近SCB放電形成后期放電的最小能量，所以能量在橋膜物理形態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程的過(guò)多消耗，導(dǎo)致橋膜蒸汽并不能很好的被加熱，雖然開(kāi)始時(shí)的光譜強(qiáng)度很大，但是等離子體的溫度并不高。

圖9 相同儲(chǔ)能下SCB的燒蝕情況

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在前期研究的成果上進(jìn)一步考察低輸入能量條件下，SCB等離子體的放電特性。采用放電電壓為18V、充電電容為47μF和放電電壓為57V、充電電容為4.7μF的兩種輸入能相同的發(fā)火電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)SCB生成等離子體的光電信號(hào)進(jìn)行分析，及通過(guò)對(duì)SCB在電脈沖作用后橋區(qū)表面形貌的觀察，研究了不同放電條件對(duì)等離子體溫度及等離子體后期放電的影響。對(duì)于低輸入能的脈沖放電，選擇小電容大電壓的發(fā)火電路，等離子體后期放電開(kāi)始的時(shí)間早，放電時(shí)間長(zhǎng)，但得到的等離子體溫度相對(duì)較低。該工作對(duì)研究SCB的發(fā)火機(jī)理及SCB等離子體與藥劑作用的機(jī)理具有基礎(chǔ)性作用。

[1]Benson D A,Larsen M E,Renlund A M,et al.Semiconductor bridge:a plasma generator for the ignition of explosives[J].J.Appl.phys.,1987,62（5）:1622-1632.

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[4]Kim J U,Park C O,Park M I,et al.Characteristics of semiconductor bridge(SCB)plasma generated in a micro-electromechanical system （MEMS）[J].Phys.Lett.A,2002,305:413-418.

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[8]《發(fā)射光譜分析》編寫(xiě)組.發(fā)射光譜分析[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1977.

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RESEARCH ON THE CHARACTERISTICS OF SEMICONDUCTOR BRIDGE PLASMA DISCHARGE WITH A LOW INPUT ENERGY

WU Rong1FENG Hong-yan2ZHU Shun-guan2ZHANG Lin2WANG Xin1
(1 Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu University,Chaohu Anhui 238000)(2 School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210094)

The opt-electronic signals of semiconductor bridge plasma were obtained through pulse discharging with a low input energy in the experiment.The discharging characteristics of semiconductor bridge plasma have been studied under the same input energy with 18V and 47μF and 57V and 4.7μF respectively.It is found that it is easier to complete the bridge membrane changes in physical form with a low capacitor and a high voltage.The beginning of the late discharge is earlier and duration is longer.The plasma temperature is not high because a considerable amount of energy was consumed on the bridge.

semiconductor bridge;plasma;discharge pulse

TJ55;O657.31 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)符：

符：A

1672－2868（2011）03－0075－04

2011-3-16

安徽省高校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2011SQRL121）

吳蓉（1977-），女，安徽巢湖人。碩士，講師，研究方向：化學(xué)計(jì)量學(xué)與光譜分析研究

責(zé)任編輯：宏 彬