Page 38 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

不 同 桥 形 微 结 构 换 能 元 的 仿 真 设 计 与 实 验 研 究 1059

同桥形微结构换能元发火试验结果与仿真研究、红外
测试结果一致，即 V⁃50 发火性能最好。

图 6 微结构换能元测试发火电路图
Fig.6 Firing circuit diagram of testing microstructure energy
conversion components

图 8 微结构换能元典型 P（t）‑t 曲线
Fig.8 The typical P（t）⁃t curve for microstructure energy con⁃
version components

表 3 不同桥形微结构换能元发火性能参数（电容 100 μF）
Table 3 The firing performance parameters of microstruc⁃
ture energy conversion components t with different bridge
shapes（capacitance 100 μF）
bridge R / Ω U / V t / μs E / mJ Q / mJ η / %
V⁃50 6.57 3.5 138 0.61 0.286 46.6
V⁃100 5.57 4.5 160 1.01 0.367 36.3
图 7 微结构换能元试验样品 F⁃150 5.23 5.5 143 1.51 0.601 39.7
Fig. 7 The testing samples of microstructure energy conver⁃
sion components T⁃50 8.65 5 150 1.25 0.555 44.4
T⁃100 6.58 5 139 1.25 0.353 28.2
不同换能元样品电压随时间变化的曲线经过处理 S⁃100 9.17 5 198 1.25 0.548 43.9
得到典型 P（t）‑t 曲线，如图 8 所示，随后进行积分获得 S⁃150 8.14 6 176 1.8 0.779 43.3
L⁃1 8.66 4.5 181 1.01 0.334 33
桥区输入能量（Q），再根据式（2）计算电源输入电能
Note： R is test resistance. U is firing voltage. t is ignition time. E is the input
（E），最后根据式（3）计算换能元能量利用率（η）。 energy of power supply. Q is the input energy of energy conversion
Q = P ( ) t ∙t = I ( ) t ∙R ∙t （1） components. η is Energy utilization.
2
0
1
E = CU 2 （2）
2 4 结 论
Q
η = （3）
E 微结构换能元作为 MEMS 火工品中实现能量转
式中，Q 为换能元输入能量，P 为功率，t 为作用时间，R 0 换功能的核心器件，其桥形结构对换能元作用性能具
为初始电阻，E 为电源输入能量，C 为电容，U 为输入电
有显著影响。针对 8 种设计桥形微结构换能元开展仿
压，η 为能量利用率。 真、红外测试和发火性能试验研究，初步获得了微结构
试验获得不同桥形微结构换能元的发火性能参数 换能元优选桥形以及桥形微结构对换能元发火性能的
见 表 3。 表 3 结 果 表 明 ：（1）8 种 微 结 构 换 能 元 中 ， 影响规律。
V⁃50 桥 形 换 能 元 性 能 最 好 ，平 均 发 火 电 压 达 到 （1）微结构换能元的不同设计桥形对输出性能具
100 μF/3.5 V，并且其能量利用率最高，达到 46.6％。 有显著影响，“缩颈”结构有利于提高发火性能，体现在
（2）当电阻值小于某一临界值（10 Ω）时，电阻值对发 V⁃50 桥形换能元输出温度最高，温升速率最快；此外，
火 电 压 的 影 响 无 明 显 的 规 律 关 系 ，分 析 认 为 小 电 阻 在桥区拐角处优先发生流固热交换，即桥区热量集中
（≯10 Ω）下，微结构换能元发火性能主要受桥区设计 的地方最易断桥的位置。
结构、桥区质量以及桥区散热面积等因素影响。（3）不 （2）当电阻值小于某一临界值（10 Ω）时，电阻值

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2018 年 第 26 卷 第 12 期 （1056-1060）