Page 69 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

170 杨智，朱朋，徐聪，张秋，覃新，沈瑞琪

度较采用 MEMS 工艺制备的 McEFI 高，但是目前基于 片速度均保持一致；而 Ag McEFI 的最小起爆电压为
LTCC 技术制备 McEFI 的成本较高，并且在相同测试条 2.8 kV，与其最佳发火电压以及飞片速度均有差别，分
件下，所得 McEFI 用于点火或者起爆时的飞片速度较 析认为是 Ag 桥箔电爆程度过于剧烈，陶瓷飞片难以保
低 ，从 而 所 需 发 火 电 压 较 高 。 总 之 ，尽 管 目 前 采 用 持完整，导致最小起爆电压偏高。起爆试验测量铝鉴
LTCC 工艺制备 McEFI 有一些缺点，却不失为一种可采 定块炸坑尺寸约为 5 mm（Φ）×0.76 mm（H），以此判
用的制备工艺，后期通过不断改进设计参数，最终制备 断 HNS 炸药柱均为完全爆轰。
出性能优良的 McEFI。
3 平面高压开关
2018 年，朱朋 ［18］ 、陈楷 ［16］ 等首次采用 LTCC 工艺
集成制备 McEFI，样品示意图如图 5 所示。
3.1 平面高压开关性能分析
脉冲功率源中的高压开关是 EFIs 的一个关键器
件，它决定着起爆回路的输出特性，直接影响 EFIs 的整
体性能。目前国内外主要使用立体式火花隙三电极结
构的气体开关和真空开关，以及 IGBT（绝缘栅双极型
晶 体 管 ，Insulated Gate Bipolar Transistor）和 N⁃MCT

（N⁃MOSFET 控制导通的金属氧化物半导体控制晶闸
管（MOS Controlled Thyristor））半导体开关 ［19-20］ 。气
体开关和真空开关同属火花隙三电极结构开关，有其
固有优点，如工作电压高、工作温度高及漏电电流小
a. schematic representation b. specific structure and size （在工作电压下小于 1 nA）等，但缺点是价格高、开关
of laminated process
图 5 基于 LTCC 工艺制备微芯片爆炸箔起爆器 ［16］ 为立体式结构，与 McEFI 集成度低；IGBT 和 MCT 半导
Fig.5 Fabrication of McEFI based on LTCC technology ［16］ 体 开 关 虽 然 成 本 较 低 ，但 缺 点 是 工 作 电 压 上 限 低
（MCT 开关的工作电压小于 1400 V）、工作温度上限
朱朋 ［18］ 、陈楷 ［16］ 等开展了桥箔电爆特性、陶瓷飞 低（MCT 开关的工作温度小于 100 ℃）、漏电电流大且
片速度特征及起爆 HNS 的试验研究。获得了 Au、Ag 响应速度慢。近年来，随着微加工技术的发展，国内外
桥箔在不同发火电压下的电爆性能。其中，取加速膛 学者研制出了平面高压开关以提高 EFIs 的集成度及降
尺 寸 为 0.56 mm（Ф）× 0.30 mm（H），桥 箔 材 料 选 用 低开关生产成本。这些开关主要包括两大类：单次触
Au，尺 寸 为 L×W ×H=0.4 mm ×0.4 mm ×5 μm，采 用 发高压开关（平面电爆炸高压开关与二极管单次触发
PDV 研究发火电压（1.8~2.8 kV）对陶瓷飞片速度的影 高压开关）以及平面火花隙三电极高压开关，表 1 列出
响 规 律 ，结 果 表 明 ：在 上 述 条 件 下 ，当 发 火 电 压 小 于 了几种平面高压开关在 CDU 中的工作性能。需要说
2.5 kV 时，飞片的速度和加速度均随着发火电压的增 明：（1）文献［16］将从峰值电流的 10% 至 90% 所需时
大而增大，在发火电压为 2.5 kV 左右时，陶瓷飞片的速 间定义为上升时间，其它文献则以开关主回路电流从
-1
度与加速度均达到最大，其中最大速度为 2422 m·s ； 零至峰值所需时间作为上升时间；（2）平面火花隙三
将陶瓷飞片的速度⁃时间曲线进行积分可得到位移⁃时 电极高压开关的性能受主电极间隙、主电极结构以及
间曲线，在不同发火电压条件下，陶瓷飞片加速到其最 测试气体氛围的影响，因此测试结果依赖于特定的试
大速度所需的位移均大于加速膛的高度 H=0.3 mm， 验条件。
即陶瓷飞片出加速膛口时，均未达到其最大速度，故需 与目前常用的高压开关（电气性能参数可参阅文
要适当地增加加速膛的高度。 献［19］和文献［20］）相比，平面高压开关能满足 EFIs
-3
另外，采用 McEFI 起爆装药密度为 1.60 g·cm 、 的使用要求，且成本低、易与 McEFI 集成，提高了 McE⁃
尺寸为 4 mm（Φ）×4 mm（H）的 HNS 炸药。从起爆试 FIs 的集成度。下面分别对这两大类型的平面高压开
验结果可知：Au McEFI 的最小起爆电压（起爆 HNS 时 关总结分析。
最 小 的 主 回 路 充 电 电 压 ，也 称 最 小 发 火 电 压）为 3.2 单次触发高压开关
2.5 kV，这与 Au 桥箔电爆确定的最佳发火电压以及飞 （1）平面电爆炸高压开关平面电爆炸高压开关，

Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.2, 2019（167-176） 含能材料 www.energetic-materials.org.cn