半导体桥(以下简称SCB)作为以电能输入的第三代火工品已经得到广泛应用，于1968年由美国的Hollander发明[1]，美国圣迪亚实验室对其进行了研究和完善，并分别于1987年和1990年获得专利[2-3]。它与传统桥丝式火工品相比具有体积小、发火能量低、响应快等特点[4]。国内外许多学者对SCB产生等离子体的行为进行了若干研究，普遍认为SCB的工作原理为，桥一旦熔化并且完全气化后，电流通过硅蒸汽即产生等离子体[5]，由此认为SCB点火属于等离子体点火，即脉冲电流使SCB熔化、气化爆发后形成等离子体，等离子体引燃压装在SCB上药剂[6]，而Jongdae Kim等[7]发现加载临界爆发电压时，SCB可以爆发形成蒸汽，但并不一定产生等离子体，当高于某一电压时SCB才能爆发产生等离子体。关于降低SCB的发火能量方面，David W. Ewick等[8]在低能SCB装置桥/药剂界面的优化研究中发现药剂粒径会影响点火能量。徐禄[9]通过对药剂的敏化可以降低半导体桥的发火能量，周彬[10]对半导体桥长宽比对发火性能的影响方面做了研究。本文对SCB与细化的发火药剂斯蒂芬酸铅(LTNR)和叠氮化铅(PbN6)所组成的发火件进行研究，通过10 μF钽电容放电，利用示波器采集不同激励电压时发火件的电压、电流和电阻信号，分析发火件的发火现象，得出SCB的发火原理，利用D-最优化法测试不同发火件的50%发火电压，得出影响SCB发火能量的因素。
2 实验装置与实验现象 2.1 实验元件和装置选用两种SCB作为实验对象，桥区结构见图 1，两种样品的厚度均为2 μm，分别对100发1#样品和100发2#样品利用显微镜(OLYMPUS BX51)和多用表(Agilent 34405A)进行测量，经统计，其中1#样品桥区平均长度l为21 μm，平均宽度w为50.5 μm，θ为60°，平均电阻为4.27 Ω，取多晶硅的密度2323 kg·m-3，经计算得知SCB有效区质量为3.15×10-9 g; 2#样品桥区平均长度l为30.5 μm，平均宽度w为75.5 μm，θ为60°，平均电阻为3.97 Ω，SCB有效区质量为6.96×10-9 g，陶瓷塞直径为4.4 mm，两种换能元样品见图 2。发火药剂选用LTNR和PbN6，粒径均值分别为15 μm和5 μm，装药量为20 mg，装药压力为20 MPa，用铝管壳封装，发火件样品见图 3。
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图 1 SCB桥区结构 Fig.1 Structure of SCB |
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图 2 SCB样品 Fig.2 A sample of SCB |
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图 3 发火件样品 Fig.3 Firing device sample of SCB |
能量加载方式选用电容放电激励，测试原理见图 4和图 5，实验装置包括10 μF钽电容、ALG-CM储能放电起爆仪(南京理工大学自主研制)、LeCroy Wavepro 960瞬态数字示波器(400 MHz、2.5 Gs/s)、CP150电流探头(150 AMP、10 MHz)、光电二极管等。主要操作过程为：先将SCB换能元接入电路，闭合点开关2，为电容充电，然后闭合点开关4起爆。用高速数字存贮示波器记录SCB爆发过程中的电压、电流信号和光信号，触发模式选择自动，然后通过示波器运算功能得出电阻信号。
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图 4 电容放电激励时测试电路原理图 1—稳压源，2—充电开关，3—钽电容，4—放电开关，5—SCB，6—电流探头，7—电压探头 Fig.4 Experimental device of SCB employing a capacitor discharge firing set 1—power, 2—charging switch, 3—tantalum capacitance, 4—discharging switch, 5—SCB, 6—current probe, 7—voltage probe |
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图 5 SCB发火时间的测定装置原理图 Fig.5 Firing time measurement system of SCB |
首先用D-最优化法测试发火件的50%发火电压和标准偏差，然后计算出不发火电压和全发火电压，再测试不同电压激励时的发火时间，最后按照激励电压由低到高，对所有实验样品的电特性曲线进行分析。
3 结果与讨论 3.1 基本实验现象与分析SCB/LTNR和SCB/PbN6发火件的典型电特性曲线分别示于图 6~图 8。
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图 6 1# SCB/LTNR发火电特性曲线 Fig.6 Electricity characteristics of 1# SCB/LTNR |
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图 7 1# SCB/PbN6发火电特性曲线 Fig.7 Electricity characteristics of 1# SCB/PbN6 |
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图 8 2# SCB/LTNR发火电特性曲线 Fig.8 Electricity characteristics of 2# SCB/LTNR |
图 6为1# SCB/LTNR发火件的典型电特性曲线，当激励电压低于发火电压时，电特性变化如图 6a，药剂不发火，电容放电完毕，SCB电阻先上升后下降。根据SCB电阻与温度之间的关系[11]可知桥温无法升至熔点，使桥区熔化，SCB产生的热量以热传导的方式传递给药剂，在电容放电完毕前，药剂积累的热量低于其发火点。随着激励电压增大，电特性变化如图 6b，SCB的电阻变化经历了上升阶段、下降阶段和稳定阶段。SCB爆发，药剂未发火。这是由于SCB质量较小，SCB蒸汽的能量不足以激发药剂作用，所以极易出现桥爆发而药剂未发火的现象。
当激励电压继续增大时，电特性变化如图 6c，SCB的电阻变化经历了上升阶段、下降阶段和稳定阶段。SCB爆发，药剂发火。通过SCB电阻曲线可判断SCB爆发形成蒸汽，但是不足以继续电离形成等离子体，蒸汽侵入药剂，以对流的方式向药剂传递热量，使药剂发火。电压曲线第二峰值出现的时刻定义为爆发时间，通过测试结果得知桥爆发时间短于20 μs，而光电二极管采集到的药剂发火时间在60~160 μs之间。当激励电压较高时，电特性变化如图 6d，SCB电阻由最大值迅速下降到极小值，然后逐渐增大而趋于无穷，表明SCB经历固态温升和液态温升的过程极其短暂，爆发时刻硅蒸汽瞬间被电离。高温高压的等离子体侵入药剂，使药剂反应而导电，随着化学反应完毕，电流无法持续，电阻急剧增大。通过实验结果得知加载电压越大，SCB/LTNR发火件的爆发时间越短，都在微秒级，但是光电二极管采集到的药剂发火时间在60 μs左右。
图 7为1# SCB/PbN6发火件的电特性曲线，当激励电压低于发火电压时电特性变化如图 7a，SCB电阻变化与图 6a类似，桥未爆发，药剂未发火。当激励电压较高时电特性变化如图 7b，SCB爆发前电阻变化与图 6b类似，爆发后高温蒸汽侵入药剂，经过很短时间延期，引发药剂反应而导电，同时伴随电流重新出现。当药剂反应完毕，电阻趋于无穷，电流消失。光电二极管检测到桥面处药剂的反应时间约为5 μs，发火件的发火时间在10 μs左右。随着激励电压继续提高，电特性变化如图 7c，SCB的电阻在很短的时间内从一个较高的值下降到最低值，然后瞬间发生一个明显的小突跃。SCB爆发，电流由爆发时的极小值迅速上升到最大值。发火层药剂经历短时间延迟发火，光电二极管检测到发火件的发火时间短于10 μs，这表明PbN6的燃速很高。
图 8为2#SCB/LTNR发火件的电特性曲线，当激励电压低于发火电压时，电特性变化如图 8a，与图 6a类似，电容放电完毕，桥未爆发，药剂未发火。当较高电压激励时，电特性变化如图 8b，电阻先上升后下降，然后再上升，最后趋于稳定，桥在82 μs时断开。药剂发火，而2#SCB换能元的爆发时间一般在十几微秒[12]，所以SCB在作用过程中并没有被汽化而爆发，而是因为药剂发火使电路断开。当激励电压继续提高时，电特性变化如图 8c，SCB电阻先上升再下降，然后进入稳态阶段，在爆发时刻趋于无穷。与图 6c类似，发火药剂因为硅蒸汽的侵入而发火。当激励电压高于电离电压时电特性变化如图 8d，SCB电阻由最大值迅速下降为最小值，在爆发时刻突升，然后趋于无穷，表明SCB经历固态温升和液态温升的过程极其短暂，爆发时刻硅蒸汽瞬间被电离，等离子体侵入药剂使药剂发火。此发火情况与1#SCB/LTNR在高电压激励时类似。
由实验现象可知，不同激励能量下SCB会出现电热、电爆和电爆等离子体三种情况，所以当SCB与发火药组成发火件时，药剂的发火存在以下三种情况。
① 如果SCB不发生爆发而保持凝聚态，则热量以热传导方式传入药剂，与桥面相邻的发火层药剂经过一段延迟期后发生热爆炸。引起药剂发火的特征参量是SCB桥面温度，这种发火情况定义为电热发火。
② 如果SCB爆发后未发生电离，则蒸汽侵入到药剂中使药剂瞬间加热，发火层内的药剂经过一段延迟期后发生热爆炸，爆炸延迟期短于SCB凝聚态加热时间。引起药剂发火的特征参量是SCB硅蒸汽温度和蒸汽压力，这种发火情况定义为电爆发火。
③ 如果SCB爆发并电离，则带电等离子体瞬间侵入到药剂中瞬间使发火层药剂发火。引起药剂发火的特征参量是等离子体温度和压力，这种情况定义为等离子体发火。
3.2 临界发火电压理论上，在某一确定的储能电容下，能使发火装药发火的最小初始激励电压称为临界发火电压。由于制作过程中存在尺寸、原料组分、器件性能等诸多工艺偏差，导致了临界发火电压存在一个分布，这种分布是各种工艺参数和工艺偏差分布的综合结果，因此，即使多数工艺偏差符合正态，综合到发火件产品上，也不一定符合正态分布，但是分布的中值应该接近或者等于理论值(或称名义值)，即50%发火的值，所以在实验中定义SCB发火件的50%发火电压为产品的临界发火电压。用D-最优化法测试SCB发火件的50%发火电压和标准偏差，实验结果如表 1所示。
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表 1 SCB发火件发火电压阈值 Tab.1 Critical firing voltage of SCB device |
实验测得1# SCB/PbN6发火件的临界发火电压4.88 V，略高于1# SCB/LTNR发火件的临界发火电压4.22 V，而1# SCB的临界爆发电压为4.08 V[12]，表明1# SCB在临界发火时属于电爆发火，LTNR比PbN6对电爆硅蒸汽敏感。说明临界发火电压与药剂有关。
2# SCB/LTNR发火件的临界发火电压为4.81 V，而2# SCB的临界爆发电压为5.24 V[12]，表明2# SCB在临界发火时属于电热发火，高于1# SCB/LTNR发火件的临界发火电压，表明临界发火电压不仅与发火药剂有关，还与桥的质量有关。
3.3 发火时间发火件的发火时间指从能量加载时刻到出光所需要的时间，由发火药剂加热时间、爆炸延迟期和装药的燃速三部分构成。SCB发火时间与激励电压之间的关系所图 9所示。由图 9可知，随着激励电压增大，发火时间缩短，对于SCB/LTNR和SCB/PbN6发火件，当激励电压分别增大到20 V和10 V时，发火时间趋于不变，PbN6的发火时间远远短于LTNR的发火时间，表明PbN6比LTNR的反应速率高、燃速快，使发火件的整体发火时间短接近一个量级。
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图 9 SCB发火时间与激励电压之间的关系 Fig.9 The ignition time of SCB vs voltage |
(1) 在发火药剂及装药条件确定的情况下，SCB质量决定了临界发火状态的换能性质。当SCB质量较大时，一般药剂在SCB的凝聚相阶段导致发火，此时临界发火属于电热发火; 当SCB质量较小时属于电爆或等离子体发火。
(2) 电热发火时间较长，而SCB能够产生等离子体的门槛电压又较高，所以对于追求低能量发火的SCB，最佳设计其临界发火电压为电爆发火，即SCB存在最佳质量。
(3) LTNR比PbN6的感度高，但是PbN6比LTNR的反应速率高、燃速快，使得发火件的整体发火时间短。
(4) 对于电热发火，作用过程中SCB换能元只是以热传导的方式将热量传递给药剂，SCB一直保持凝聚态，此过程可用热传导模型描述发火件的温度变化规律; 对于电爆发火，将SCB发火件的发火过程分为两个阶段，第一：SCB加热至爆发阶段，此阶段可建立热传导模型描述发火件的温度变化规律; 第二：SCB爆发后硅蒸汽或等离子体与药剂的作用阶段，此阶段可建立两相流模型和数值解法得到药剂的温度变化规律。
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The electrical characteristics of SCB device were recorded when an ignition voltage was applied by a fast oscilloscope. The SCB firing mechanism was obtained by the analysis of resistance variation under different voltage inputs.