Page 72 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019

微 芯 片 爆 炸 箔 起 爆 器 及 其 平 面 高 压 开 关 研 究 进 展 173

比单弧道开关可提高峰值电流和缩短延迟时间；随工 的作用下可以击穿三层电绝缘层导通短脉冲大电流，
作电压增加，两种结构的开关主回路的等效电感及电 CDU 还包含了用于泄放电容中杂散电流的电阻以及
阻均变化不大，平均电感约为 72 nH，平均电阻约为 平面高压开关的触发电路。但发明人没有给出该系统
120 mΩ；同时在空气环境下，所研制两种开关的峰值 的具体参数和发火性能。
电流、延迟时间、放电周期以及固有电感均优于立体火 2005 年，Nickolin 等 ［49］ 在第 49 届引信年会上提
花隙高压开关。这些结论说明研制的开关可以替代立 出了将平面火花隙三电极高压开关和 McEFI 集成构造
的设想。美国 e2v 公司 ［50］ 公布了采用陶瓷贴片电容和
体火花隙高压开关作为 McEFIs 用开关，同时该开关更
三电极开关集成的脉冲功率源，减小了系统体积和发
有利于 McEFIs 的集成化与低成本化。
火 能 量 。 2007 年 和 2008 年 ，荷 兰 TNO 的 Scholtes J
H G ［51］ 、Prinse W C 等 ［52］ 公布的 McEFIs，将电容、开关
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及 McEFI 集成在一个基板上。体积缩小至 8 cm ；发
火电压减小为 1.3 kV，发火能量小于 0.05 J；发火回路
能 量 利 用 率 达 到 约 90%。 2011 年 ，Baginski T A 团
队 ［38］ 研究了平面火花隙三电极高压开关，并以该开关

a. main electrodes b. main electrodes 为基础提出了如图 10 所示的 CDU 构想。
with single⁃arc with multi⁃arc
图 8 LTCC 平面火花隙三电极高压开关 ［16］
Fig.8 Planar triggered spark gap switch based on LTCC tech⁃
nology ［16］

4 平面高压开关集成微芯片爆炸箔起爆器

采用 MEMS 和 LTCC 工艺将 McEFI 与平面高压开
关等集成设计制备，省去了 McEFI 与平面高压开关间
的连接导线或扁平电缆，从而降低了发火回路的寄生
电阻和电感，提高了 McEFI 的发火感度和能量利用率，
因而成为一个重要研究方向。
1998 年，O'Brien D W 等 ［48］ 在其专利中介绍了一
种采用薄膜沉积技术一体化集成高压电容、平面高压

开关及 McEFI 的全固态 CDU，如图 9 所示。
图 10 基于平面火花隙三电极高压开关的电容放电单元示意图 ［38］
Fig.10 Schematic diagram of CDU based on planar triggered
spark gap switch ［38］

平面开关和 McEFI 一体化加工在 Al O 陶瓷基板
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上部，开关的三个电极和爆炸桥箔的表面由一层绝缘
介 质 材 料（PI）覆 盖 ，PI 在 开 关 中 作 为 绝 缘 介 质 、在
McEFI 中作为飞片层，高压电容贴附在陶瓷基板下部，
并通过导线连接，从而实现贴片高压电容、高压开关和
图 9 全固态电容放电单元结构示意图 ［48］ McEFI 发火回路的全集成。但是有关技术细节并没有
Fig.9 Schematic diagram of complete solid⁃state CDU structure ［48］
公开，开关与 McEFI 集成技术尚不成熟，如作者所言，
高压电容由在基板上交替沉积的金属层和电介质 仍停留在概念设计阶段。
层组成，层数可根据电容值确定，且金属层之间形成错 2011 年，周密等 ［53］ 研究了平面电爆炸高压开关，
位，以方便电连接。平面高压开关的触发极在电脉冲 并与 McEFI 集成，与立体火花隙高压开关进行电爆炸

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 2 期 （167-176）