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1 引 言
爆炸箔起爆系统（Exploding Foil Initiator system, EFIs）是一种直列式点火与起爆装置，具有高安全性、高可靠性和可检测性等特点，适用于武器弹药的钝感点火与起爆。近年，由于微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）工艺和低温共烧陶瓷（Low Temperature Co‑fired Ceramics, LTCC）工艺逐渐融入，EFIs关键元器件的设计理念和制造工艺得到不断革新，推动EFIs逐渐向微芯片爆炸箔起爆系统（Micro Chip Exploding Foil Initiator system, McEFIs）方向发展。McEFIs主要包括脉冲功率源（Pulse Power Unit）和微芯片爆炸箔起爆器（Micro Chip Exploding Foil Initiator, McEFI）两部分。脉冲功率源主要包括升压器、高压电容和高压开关；McEFI主要包括基板、爆炸桥箔、飞片层、加速膛和六硝基芪（HNS）炸药（当用于点火时，一般采用BPN（B/KN
O3 ）点火药）。McEFIs的工作过程如下：升压器将约28 V的弹上电压升至几千伏给高压电容充电；高压开关触发后，高压电容释放短脉冲大电流使桥箔电爆炸并产生高温高压金属蒸汽和等离子体；在加速膛的约束下剪切并驱动聚合物飞片冲击起爆HNS炸药。由高压电容、高压开关、McEFI及扁平传输电缆组成的电容放电单元（Capacitor Discharge Unit, CDU）常被等效为RLC回路，回路的等效电感和等效电阻对桥箔爆发时间均有显著性影响，进而影响桥箔的爆发功率和能量利用率，然而桥箔需要大于5MW的功率才能发生有效电爆炸，因此CDU对McEFIs的发火起着决定性作用，应采取措施缩短扁平传输电缆，提高系统集成度，降低发火能量[1,2] 。近年，适用于McEFIs的小体积高压陶瓷电容已逐渐实现型谱
化[3,4,5] ，与此同时，国内外研究者基于MEMS和LTCC工艺，针对EFIs的其它关键元器件也开展了深入研究。基于上述分析，总结了国内外有关McEFI、平面高压开关和平面高压开关集成McEFI的研究进展，以期为同行研制McEFI及其平面高压开关提供参考。 -
2 微芯片爆炸箔起爆器
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2.1 基于MEMS工艺的McEFI
在火工品领域，MEMS技术一般是指利用微机电系统的先进制造和集成思想，采用微机电系统制造技术，如沉积镀膜和光刻的细微加工技术、微烟火技术和微型装药技术等，将机械系统、微电子系统和化学能源系统集成为具有功能化火工模块的技术。采用硅MEMS工艺与非硅MEMS工艺集成批量化制备McEFI的国内外研究进展总结如下。
最先出现以硅片作为基板，通过镀膜、光刻、键合及刻蚀等MEMS工艺制备McEFI。1989年，Nerheim E和Hoff
D[6] 在其专利中提出采用集成电路（Integrated Circuit, IC）技术制备McEFI：1）在P型单晶硅作的基板上外延生长25 μm厚的N型硅膜作为飞片层，在外延硅膜上氧化出0.3~0.7 μm厚二氧化硅作为绝缘层；2）在绝缘层上采用光刻掩膜技术，沉积图形化有规则的两个约2 μm厚的金属焊盘；3）制备两个金属焊盘间的过渡区和桥区，材料可采用发火能量较低的重掺杂多晶硅（也可采用与焊盘一样的金属材料，从而一体化制备金属爆炸桥箔，简化制备步骤）；4）采用深反应离子刻蚀工艺，在桥箔桥区下方反向刻蚀硅基板至外延硅膜飞片层制备加速膛；5）将硅片划片形成单元，使用环氧树脂将单元与Pyrex玻璃背板（厚度为0.635~2.54 mm）键合即得McEFI。具体结构如图1所示。1993年，Hebderson J H和Baginski T
A[7] 提出采用键合两块硅基板的方法制备McEFI：在其中一块硅基板上依次沉积金属爆炸桥箔和聚酰亚胺（Polyimide, PI）飞片层，在另一块硅基板上刻蚀出加速膛及焊盘通孔，通过将两硅基板键合即制得McEFI。国内，施志
贵[8] 、郭菲[9] 等也利用硅MEMS工艺制作了McEFI（图2），该制备方法在刻蚀单晶硅基板制备加速膛时预留了单晶硅作为飞片层，因此飞片层的材料与基板的材料相同。而专利[6] 中所说的飞片层材料为N型单晶硅，与作基板的P型单晶硅不同。施志贵等在文章中对制备工艺的描述较为详细，并且预测在一定起爆条件下可以起爆六硝基芪‑四型（HNS‑Ⅳ）。郭菲等针对具体结构，研究了飞片厚度（40~55 μm）对起爆HNS‑Ⅳ药柱的影响规律。2010年，施志贵
等[10] 针对硅MEMS工艺制备McEFI做了改进，主要有以下三点：(1）在玻璃基板而不是硅基板上制备金属爆炸桥箔；(2）采用金属桥箔代替多晶硅桥箔；(3）采用硅‑氧化硅‑硅结构（SOI）材料代替单晶硅。改进缩短了McEFI的发火作用时间，由原来的数十微秒缩短至2 μs，在刻蚀加速膛过程中，绝缘埋层能保证预留的飞片层厚度，飞片层误差可控制在±3 μm内，同时起爆试验结果表明该McEFI在3.14 kA电流下能够成功起爆HNS‑Ⅳ。这些研究表明采用硅MEMS工艺集成批量化制备McEFI是可行的，然而该工艺采用到的阳极键合工艺对组件（硅基板和玻璃基板）的表面平整性和对位精度都有非常高的要求。基于此，一方面需要解决如何对准的问题以沿用硅MEMS工艺制备McEFI，另一方面需要开发新的制备工艺。
2009年，Desai
A[11] 在专利中首次提出采用非硅MEMS技术自底向顶原位制备McEFI的工艺。该工艺最大的改进是加速膛不再需要反向刻蚀硅基板而得，也不需要精密的键合工艺，取而代之的是采用沉积镀膜、光刻及显影等技术将爆炸桥箔、飞片层、加速膛在基板上依次沉积，逐步实现桥箔、飞片层及加速膛的图形化。此种工艺简单、加工精度高，极大地提高了制备效率。2016年，房旷等[12] 在Al2 O3 陶瓷基板上制备了一种基于聚氯代对二甲苯（Parylene C, PC）飞片与SU‑8光刻胶加速膛的McEFI，制备工艺如图3所示。采用光子多普勒测速仪(Photonic Doppler Velometer, PDV)对比研究常规McEFI（使用PI作飞片、使用不锈钢作加速膛）和基于MEMS工艺的McEFI（采用PC作飞片、采用SU‑8作加速膛）的飞片速度，试验结果表明材料不同的加速膛和飞片未对速度影响显著，由此采用非硅MEMS工艺制备McEFI是可行的。2012年，曾庆轩
等[13] 首先在玻璃基板上制得爆炸桥箔，采用粘贴PI的方法制作飞片层，然后在紫外光固化的环氧树脂上采用曝光、显影等工艺制作加速膛，爆发试验所得的飞片平均速度与理论计算值的一致性较好，相对偏差不超过8%。2017年，李可为等[14] 在4in(101.6 mm) Pyrex7740玻璃基板上，采用铜作桥箔、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光刻胶作飞片层、SU‑8胶作加速膛，集成制备单个体积为0.018 cm3 ，共计268个的McEFI阵列。对McEFI进行了桥箔电爆、发火感度及高温性能的试验研究，结果表明：McEFI在2.4 kV充电电压下，桥箔发生电爆的峰值电流时间与爆发电压时间基本重合，此时能量利用率最高，因此确定最佳发火电压为2.4 kV；全发火电压为2.452 kV，与最佳发火电压基本一致；160 ℃下至少可以耐温50 h而不影响发火性能。另外，兰利法测试发火感度的结果表明发火电压偏高且标准差偏大，故需优化设计参数，尤其是要优化桥箔尺寸和飞片厚度。2018年，陈
楷[15,16] 等首先在Al2 O3 陶瓷基板上通过采用磁控溅射沉积Cu爆炸桥箔（为耐烧蚀和保证桥箔和基板的附着性，在沉积Cu桥箔之前沉积了200 nm W‑Ti合金膜）、气相沉积PC/Cu复合飞片层，然后一方面采用原位光刻制备SU‑8加速膛，另一方面，由于采用SU‑8光刻胶制备而得的加速膛表面平整度不高，采用粘贴SUEX干膜制备加速膛，制备所得McEFI的各组件如图4所示。作者开展了桥箔电爆特性、复合飞片速度影响规律及起爆HNS的试验研究。取加速膛尺寸为1.00 mm(Ф)×0.40 mm(H)，采用PDV研究发火电压（1.25~2.5 kV）对PC/Cu复合飞片速度的影响规律，结果表明：在该加速膛尺寸下，飞片的速度和加速度均随着发火电压的增大而增大，在1.25 kV的发火电压下，复合飞片通过227 ns加速到最大速度2240 m·
s-1 ，而在2.5 kV发火条件下，飞片加速到最大速度3430 m·s-1 只需175 ns；将复合飞片的速度‑时间曲线进行积分可得到位移‑时间曲线，在不同发火电压条件下，加速复合飞片到最大速度的位移均小于加速膛的高度H=0.395 mm（实测高度），即飞片出加速膛口时，均已达到最大速度，可使复合飞片能以其最大速度冲击起爆HNS。此外，该McEFI可成功起爆HNS，这表明采用PC/Cu复合飞片与SU‑8光刻胶、SUEX干膜等新型材料制备McEFI是可行的。综上，国内外学者从硅MEMS工艺与非硅MEMS工艺两个方面，提供了两种切实可行的研制McEFI的工艺。
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2.2 基于LTCC工艺的McEFI
基于MEMS工艺制备McEFI，所得McEFI的集成化程度高、体积小，可以实现批量化生产，提高了产品的一致性，降低了制备成本，但是制备过程包含镀膜及光刻等多个步骤，较为繁琐。LTCC技术是近年来兴起的一种多学科交叉整合组件技术，以其优异的电子、机械及热力特性，成为未来电子元件集成化及模块化的首选方式，广泛应用于封装及微波器件等领
域[17] 。采用包括冲孔、丝网印刷、叠压、共烧及划片在内的LTCC工艺可以一体化烧结制备具有独石结构的McEFI，简化了制备过程，同时所得McEFI的机械化强度较采用MEMS工艺制备的McEFI高，但是目前基于LTCC技术制备McEFI的成本较高，并且在相同测试条件下，所得McEFI用于点火或者起爆时的飞片速度较低，从而所需发火电压较高。总之，尽管目前采用LTCC工艺制备McEFI有一些缺点，却不失为一种可采用的制备工艺，后期通过不断改进设计参数，最终制备出性能优良的McEFI。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。朱
朋[18] 、陈楷[16] 等开展了桥箔电爆特性、陶瓷飞片速度特征及起爆HNS的试验研究。获得了Au、Ag桥箔在不同发火电压下的电爆性能。其中，取加速膛尺寸为0.56 mm(Ф)×0.30 mm(H)，桥箔材料选用Au，尺寸为L×W×H=0.4 mm×0.4 mm×5 μm，采用PDV研究发火电压（1.8~2.8 kV）对陶瓷飞片速度的影响规律，结果表明：在上述条件下，当发火电压小于2.5 kV时，飞片的速度和加速度均随着发火电压的增大而增大，在发火电压为2.5 kV左右时，陶瓷飞片的速度与加速度均达到最大，其中最大速度为2422 m·s-1 ；将陶瓷飞片的速度‑时间曲线进行积分可得到位移‑时间曲线，在不同发火电压条件下，陶瓷飞片加速到其最大速度所需的位移均大于加速膛的高度H=0.3 mm，即陶瓷飞片出加速膛口时，均未达到其最大速度，故需要适当地增加加速膛的高度。另外，采用McEFI起爆装药密度为1.60 g·c
m-3 、尺寸为4 mm(Φ)×4 mm(H)的HNS炸药。从起爆试验结果可知：Au McEFI的最小起爆电压（起爆HNS时最小的主回路充电电压，也称最小发火电压）为2.5 kV，这与Au桥箔电爆确定的最佳发火电压以及飞片速度均保持一致；而Ag McEFI的最小起爆电压为2.8 kV，与其最佳发火电压以及飞片速度均有差别，分析认为是Ag桥箔电爆程度过于剧烈，陶瓷飞片难以保持完整，导致最小起爆电压偏高。起爆试验测量铝鉴定块炸坑尺寸约为5 mm(Φ)×0.76 mm(H)，以此判断HNS炸药柱均为完全爆轰。 -
3 平面高压开关
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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（在工作电压下小于1 nA）等，但缺点是价格高、开关为立体式结构，与McEFI集成度低；IGBT和MCT半导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）、工作温度上限低（MCT开关的工作温度小于100 ℃）、漏电电流大且响应速度慢。近年来，随着微加工技术的发展，国内外学者研制出了平面高压开关以提高EFIs的集成度及降低开关生产成本。这些开关主要包括两大类：单次触发高压开关（平面电爆炸高压开关与二极管单次触发高压开关）以及平面火花隙三电极高压开关，表1列出了几种平面高压开关在CDU中的工作性能。需要说明：(1)文献[16]将从峰值电流的10%至90%所需时间定义为上升时间，其它文献则以开关主回路电流从零至峰值所需时间作为上升时间；(2)平面火花隙三电极高压开关的性能受主电极间隙、主电极结构以及测试气体氛围的影响，因此测试结果依赖于特定的试验条件。表1 几种平面高压开关在CDU中的工作性能参数
Table 1 Working performance parameters of several planar high voltage switches in CDU
type of planar high‑voltage switch pulse life
/shots
operating voltage
/V
peak current
capability/A
rise time
/ns
trigger
requirements/V
planar‑electric explosion switc h[21] 1 1200 635-940 - 1000-2500 planar high‑voltage switch with SBD trigger 1 150
0[24] 123
6[23] 173
0[24] 10
0[23] 17
8[24] 5
0[23] 9
0[24] planar triggered spark gap switch about 1000 [25] 1250-225 0[16] 1870-347 0[16] 120-15 3[16] 300 0[16] 
与目前常用的高压开关（电气性能参数可参阅文献[19]和文献[20]）相比，平面高压开关能满足EFIs的使用要求，且成本低、易与McEFI集成，提高了McEFIs的集成度。下面分别对这两大类型的平面高压开关总结分析。
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3.2 单次触发高压开关
（1）平面电爆炸高压开关平面电爆炸高压开关，是指利用金属桥箔电爆炸产生具有导电特性的等离子体，进而使桥箔两侧的主电极导通的一种单次触发高压开关。1989年，Nerheim E
等[26] 发明了一种硅基平面电爆炸高压开关，具体制作工艺是首先在硅基板沉积两金属焊盘作触发电极，在两触发电极间沉积非结晶硅或者多晶硅作为桥箔，然后制作与触发回路桥箔垂直且具有绝缘间隙的高压电极。开关作用前先对高压电极的两端充高压，触发回路采用恒流源激励，使非结晶硅或多晶硅桥箔发生电爆炸产生导电等离子体云团，进而导通高压电极间的绝缘间隙，实现短脉冲大电流输出，完成高压开关的功能。2012年，张
欢[27] 设计并制备了六种不同类型的平面电爆炸高压开关，从制备工艺、触发极等离子体特性、放电性质等方面对开关进行了研究，但该开关还不足以很好地应用在EFIs回路中，尚待改进。2012年，周密等[21] 采用离子刻蚀的方法制备开关，将开关与McEFI串联组成电爆测试电路，在1.0~2.5 kV触发电压下，研究电极间隙对回路放电特性的影响。结果表明：在同一触发电压下，开关作用时间随着间隙距离的增大而延长；McEFI的爆发电流随着间隙距离的增大而减小。Baginski T A等为提高电爆炸开关的峰值电流和可靠性，设计了具有串联小爆炸桥箔结构的开关，同时提出将开关与McEFI集成的构想。虽然理论上此种设计结构能提高开关的电气性能，但目前未见进一步的报道。2015年和2016年，胡
博[28,29] 在单质铜薄膜平面电爆炸高压开关的基础上，在触发电极桥区增加Al/CuO复合含能薄膜以提高开关性能，开关结构设计如图6所示。作者利用仿真软件优化了开关电极结构，分析比较了不同结构的开关在有无约束状态（用PI胶带粘贴在部分样品表面）下的性能，研究结果表明：无约束状态下当开关主回路充电电压为1.5 kV时，开关主回路的峰值电流约为1.14 kA，比约束状态下的峰值电流高约53%，同时缩短了电流上升时间；在约束状态下和一定电压范围内，开关中的Al/CuO复合薄膜的铝热反应能够提高峰值电流，并且薄膜厚度越大、调制周期越小，电流提高越显著，在无约束状态下复合薄膜对峰值电流的影响不显著。
（2）二极管单次触发高压开关该开关为“三明治”结构，主要由基板、上下金属电极层、绝缘电介质层及肖特基势垒二极管（Schottky‑barrier diode, SBD）组成。开关的作用机理是通过对SBD施加反向电压使其被反向击穿，产生短脉冲大电流使肖特基结点剧烈电爆，电爆产生的等离子体强射流击穿绝缘介质，从而使上下电极发生电弧导通，至此开关主回路闭合。2009年，Baginski T A
等[23] 设计了SBD单次触发开关，开关示意图如图7所示。该开关的优点是其结构简单、阻抗低、触发电压小且闭合速度快；缺点即其特点是只能一次导通高压，不能重复性使用，而且绝缘介质的耐压性能难以精确控制。2012-2016年，胡
博[30,31,32,33,34] 通过在陶瓷基覆铜板上直接制备出肖特基单次触发高压开关，简化了制备工艺，并申请了专利。作者观察了肖特基二极管的电爆炸现象，测量了等离子体电荷通量、电子温度和密度等特征参数，分析了开关的触发极性效应。研究了不同介电层材料（PC和PI）、封装材料（AB胶、HTPB橡胶和704胶）、SBD等对开关导通性能的影响规律，获得了提高开关导通性能可供参考的工艺参数。研究了在不同开关主回路电压下开关的电气性能规律，结果表明开关的主回路峰值电流和开关主回路充电电压呈正相关，但上升时间、主回路等效电感与主电压无显著性关系。 -
3.3 平面火花隙三电极高压开关
平面火花隙三电极高压开关，其作用原理类似传统立体火花隙三电极高压开关（特指气体开关）：先给保持绝缘的阴阳主电极间充直流高压，当给触发极施加特定的脉冲电压信号后，阴极与触发极间形成高的击穿场强，产生一定数量的自由电子，自由电子与气体经历碰撞倍增过程，致使开关阴阳极瞬间导通。一方面，相较于立体火花隙高压开关，平面火花隙三电极高压开关更易于与McEFI集成，提高了McEFIs的集成度，通过采用MEMS工艺或者LTCC工艺制备，能够实现批量化制备，因而成本较低；另一方面，相较于单次触发高压开关固有的作用一次性特点，在耐烧蚀材料层的保护下，该开关能多次重复使用且不影响作用性能。
1991年，Earley L M和Scott G
L[25] 采用铜‑聚酰亚胺印刷电路研制了两种平面火花隙三电极高压开关，开展开关性能测试研究，获得了不同间隙电压下开关延迟时间（从给触发电压信号开始到开关主回路明显出现电流的时间）和抖动以及使用寿命等信息，并且使用光电倍增管和高速分幅相机研究了开关的触发机制。开关可以满足常规弹药发火装置的使用要求，且价格低。1993年，Waschl J A和Hatt DJ[35] 在扁平铜带电缆上刻蚀出开关，并与两种真空开关进行了包括电感、电阻及发火电压在内的对比试验研究，结果表明：开关类型对发火电压、飞片速度及能量利用率等的影响不显著，同时该开关的电感较低，可应用于McEFIs中。2008年Woodworth J等[36] 研制了两种用于线性变压器驱动的低电感开关，该开关可以充电至200 kV、电感69~85 nH、在400 J能量作用下使用次数超过5000次。2011年，Baginski T A等[37,38] 设计制备了一种含PI绝缘层的开关，该开关可直接集成到传统带状线CDU中，降低了发火回路的寄生电感。2006年，王桂吉
等[39] 制作出一种适用于平行板传输连接的平面火花隙三电极高压开关，两主电极为半圆形的不锈钢，触发电极为窄细条的钨铜合金。该开关应用于充电电压小于10 kV的脉冲功率装置（包括McEFIs）时，与立体火花隙三电极开关相比，优化了回路的参数：放电回路电感降低约50 nH，周期缩短近1/3，峰值电流增加约1/3。2012年，丁桂甫[40] 、周镇威[41] 等采用表面微加工技术设计并制作了开关。得出开关的峰值电流为3.45 kA，上升时间为164 ns；通过电路仿真并提取参数，得出开关的电感为26.5 nH，电阻为66 mΩ，认为该开关具有较好的实用化前景。2011年和2013年，ZhaoX[42] 、ShenH[43] 和LiuC[44] 等设计制备了两种不同结构的开关，它们都包括两个半圆形的主电极，但是触发电极区分单、双结构。研究结果表明：相较于常用SBD单次触发高压开关，这两种结构的平面火花隙三电极高压开关均能降低触发电压、提高峰值电流及缩短延迟时间，同时具有双触发电极的开关性能更优越。2013年曾庆
轩[45] 、吕军军[46] 等共同制备了具有多个不同间隙的平面火花隙三电极高压开关。作者在不同氮气压力下，研究平面火花隙开关的电气性能，结果表明：开关的自击穿电压与氮气压力和间隙的乘积呈线性关系；当工作电压为自击穿电压的70%~90%时，开关延迟短、抖动小，性能较为稳定；与商用立体火花隙高压开关相比，该开关所在发火回路的电感较小，但电阻较大。2016年，李志浩[47] 为了减小开关体积、提高开关可靠性，使用环氧树脂作为填充材料，对平面火花隙三电极高压开关设计制备并进行性能表征，但由于选用作填充材料的环氧树脂的绝缘强度较大，阻碍了开关触发电压的减小。2018年，陈
楷[16] 依据传统气体开关的工作模式，采用MEMS工艺直接刻蚀PCB覆铜板以及利用LTCC工艺分别设计并制备了平面火花隙三电极高压开关，研制的开关的两主电极具有单弧道和多弧道两种结构，其中，采用LTCC工艺制备的开关如图8所示。开关在氩气和空气两种氛围下，自击穿电压与主电极间隙均呈线性正相关，而电极形状对自击穿电压的影响不大；开关工作电压在其自击穿电压的78%~92%时，延迟时间最短；在空气环境下，多弧道开关相比单弧道开关可提高峰值电流和缩短延迟时间；随工作电压增加，两种结构的开关主回路的等效电感及电阻均变化不大，平均电感约为72 nH，平均电阻约为120 mΩ；同时在空气环境下，所研制两种开关的峰值电流、延迟时间、放电周期以及固有电感均优于立体火花隙高压开关。这些结论说明研制的开关可以替代立体火花隙高压开关作为McEFIs用开关，同时该开关更有利于McEFIs的集成化与低成本化。
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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。高压电容由在基板上交替沉积的金属层和电介质层组成，层数可根据电容值确定，且金属层之间形成错位，以方便电连接。平面高压开关的触发极在电脉冲的作用下可以击穿三层电绝缘层导通短脉冲大电流， CDU还包含了用于泄放电容中杂散电流的电阻以及平面高压开关的触发电路。但发明人没有给出该系统的具体参数和发火性能。
2005年，Nickolin
等[49] 在第49届引信年会上提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三电极开关集成的脉冲功率源，减小了系统体积和发火能量。2007年和2008年，荷兰TNO的Scholtes J HG[51] 、Prinse W C等[52] 公布的McEFIs，将电容、开关及McEFI集成在一个基板上。体积缩小至8 cm3 ；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，并以该开关为基础提出了如图10所示的CDU构想。平面开关和McEFI一体化加工在A
l2 O3 陶瓷基板上部，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McEFI发火回路的全集成。但是有关技术细节并没有公开，开关与McEFI集成技术尚不成熟，如作者所言，仍停留在概念设计阶段。2011年，周密
等[53] 研究了平面电爆炸高压开关，并与McEFI集成，与立体火花隙高压开关进行电爆炸性能试验的对比研究，结果表明：集成平面电爆炸高压开关的McEFI的放电参数与使用立体火花隙高压开关的基本一致，即该平面高压开关可以代替火花隙开关完成起爆及点火要求，且该开关对McEFIs的小型化、集成化及低成本化有优势。但从封装结构看，开关和McEFI的集成度还不高。2017年，徐聪
等[24] ，采用MEMS技术将肖特基势垒二极管单次触发高压开关与McEFI集成，首次实现了平面高压开关集成McEFI的制备，如图11所示。对于集成结构，开展了飞片速度、电学性能及起爆效果的试验研究。其中，起爆测试的主回路发火电压为1.4~1.8 kV，主回路使用0.22 μF发火电容，结果表明集成结构可成功起爆HNS的最小主电压为1.4 kV，起爆前后照片如图12所示。
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5 结束语
总结了国内外McEFI及其平面高压开关的研究进展：基于MEMS工艺，国内外对于McEFI及其平面高压开关的研究正朝工程化方向迈进；基于LTCC工艺制备McEFI及其平面高压开关正处于技术优化阶段。
随着武器系统对McEFIs小型化、低能量化的需求日益迫切，在保证系统作用可靠性的前提下，提高McEFIs集成度、降低McEFIs发火能量将成为新的研究趋势。基于研究现状，建议未来对于McEFIs的研究重点包括以下几个方面：
（1）采用LTCC工艺，一体化烧结制备具有独石结构的平面高压开关和McEFI。
（2）研发新的高压开关，如IGBT和MCT半导体高压开关，为McEFIs提供更多可供选择的开关。
（3）采用LTCC工艺，制备小体积、高性能的LTCC平面升压器，取代目前体积较大的绕组升压器。
（4）CDU进一步集成升压器，并采用现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array, FPGA)模块控制发火回路，制备基于McEFIs的电子安全与解除保险装置（Electronic Safing & Arming Device, ESAD）。
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参考文献
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1
摘要
爆炸箔起爆系统（Exploding Foil Initiator system, EFIs）的每一次技术升级都伴随着设计理念和制造工艺的革新，尤其是微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）和低温共烧陶瓷（Low Temperature Co‑fired Ceramics, LTCC）工艺，极大地促进了微芯片爆炸箔起爆系统（Micro Chip Exploding Foil Initiator system, McEFIs）的发展。简要分析了两种工艺制备微芯片爆炸箔起爆器（Micro Chip Exploding Foil Initiator, McEFI）的优缺点，列举了几种平面高压开关在电容放电单元（Capacitor Discharge Unit, CDU）中的工作性能，得出了开关的设计思路和研究方法的可行性。基于MEMS工艺和LTCC工艺制备及研究McEFI、平面高压开关和平面高压开关集成McEFI，分别总结了国内外的研究进展。提出了重点研究方向：深入研究MEMS工艺制备McEFI及其平面高压开关，以达到工程化应用；采用LTCC工艺，一体化烧结可制备具有独石结构的平面高压开关和McEFI。
Abstract
Each technology upgrading of Exploding Foil Initiator system (EFIs) is accompanied with the innovation of design concepts and manufacture processes, especially the technologies of Micro Electro Mechanical System (MEMS) and Low Temperature Co‑fired Ceramics (LTCC) greatly promote the development of Micro Chip Exploding Foil Initiator system (McEFIs). The advantages and disadvantages of Micro Chip Exploding Foil Iinitiator (McEFI) fabricated by two kinds of processes were briefly analyzed. The working performances of several planar high‑voltage switches in Capacitor Ddischarge Unit (CDU) were listed, and the feasibility of manufacture idea and research method of the switch is obtained. The research progress at home and abroad based on the preparation of MEMS process and LTCC process, and the study of McEFI, planar high‑voltage switch as well as planar high‑voltage switch integrated with McEFI was summarized respectively. Key research directions were put forward. In‑depth research of the fabrication of McEFI and its planar high‑voltage switch by the MEMS process will achieve engineering application. The planar high‑voltage switch & McEFI with monolithic structure can be fabricated by LTCC technology.
![图1
硅MEMS工艺微芯片爆炸箔起爆器结构示意图[6]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image001.png)
![图2
硅MEMS工艺微芯片爆炸箔起爆器实物图[9]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image002.png)
![图3
基于SU‑8加速膛的McEFI制备工艺[12]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image003.png)
![图4
MEMS工艺微芯片爆炸箔起爆器各组件照片[15]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image004.png)
![图5
基于LTCC工艺制备微芯片爆炸箔起爆器[16]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image005.png)
![图6
沉积Al/CuO的平面电爆炸高压开关[29]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image006.png)
![图7
平面肖特基单次触发高压开关示意图[23]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image007.png)
![图8
LTCC平面火花隙三电极高压开关[16]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image008.png)
![图9
全固态电容放电单元结构示意图[48]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image009.png)
![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]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image010.png)
![图11
微芯片爆炸箔起爆器及其肖特基二极管单次触发高压开关的集成结构[24]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image011.png)
![图12
1.4 kV/0.22 μF下起爆前后照片[24]](html/hncl/CJEM2018146/media/f26f2ac5-88fb-46f8-b74c-6d199d28bc4f-image012.png)
