影響微沖擊片換能元性能的關鍵因素初探

尹 明，張晶鑫，王可暄，周 密，任小明，任 西，秦國圣

影響微沖擊片換能元性能的關鍵因素初探

尹 明，張晶鑫，王可暄，周 密，任小明，任 西，秦國圣

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學重點實驗室，陜西 西安，710061）

采用MEMS工藝制作了微沖擊片換能元，研究了橋箔、飛片、加速膛的微觀形貌，并通過測試橋箔電爆性能、飛片速度和微沖擊片換能元的發火性能，研究了橋箔厚度、飛片堅膜工藝、加速膛高度等對微換能元的起爆性能影響。研究表明：采用SU-8膠制作飛片、加速膛，并對飛片進行堅膜工藝處理，以及選擇3.3μm厚度的橋箔和201μm高度的加速膛，可使微沖擊片換能元具有更好的發火性能。

微換能元；起爆性能；微沖擊片雷管；飛片；加速膛；橋箔

目前火工品正向著微型化，集成化的方向發展[1]，該類火工品采用MEMS工藝加工制作，一致性好，可與信息控制單元、安全執行器以及起爆單元等集成一體，是信息化、智能彈藥的關鍵基礎技術[2-4]。沖擊片雷管的微型化、集成化主要是換能元的微型化、集成化。沖擊片換能元是沖擊片雷管的核心部件，其主要功能是完成電能向動能的轉化，其作用過程為：外界脈沖大電流通過電極作用于橋箔的兩端，橋箔瞬間氣化爆炸形成高溫高壓等離子體，經加速膛切下飛片并在加速膛內完成飛片加速的過程。

2010年施志貴、郭菲等[5]利用SOI片制作了芯片EFI，起爆試驗結果表明EFI在3.14kA電流下成功起爆HNS-Ⅳ。2012年曾慶軒等[6]粘貼聚酰亞胺制作飛片層，用紫外線固化的環氧樹脂制作加速膛，獲得沖擊片微換能元。2017年李可為等[7]利用Pyrex7740玻璃作為基片，PMMA光刻膠作為飛片層，SU-8膠作為加速膛，采用集成的方法獲得芯片EFI換能元，獲得其全發火電壓為2 452V。2018年陳楷等[8]利用Al2O3陶瓷作為基片，PC/Cu復合材料作為飛片層，SU-8膠、SUEX干膜制作加速膛，在2.5kV的發火電壓下，飛片最大速度為3 430m/s。芯片EFI的研究已成為近年的研究熱點，因此本文進行微沖擊片換能元起爆性能關鍵影響因素的分析具有重要意義。

1 微沖擊片換能元的制作

微沖擊片換能元是用MEMS工藝實現整個換能元的設計制作，主要工藝流程為：基片的準備清洗，橋箔的濺射、蝕刻成型，飛片的勻膠、曝光、顯影成型，加速膛的勻膠、曝光、顯影成型，最后劃片形成微沖擊片換能元?；牧蠟镻yrex7740玻璃，圖1為微沖擊片換能元的截面示意圖及實物圖。沖擊片換能元的性能主要由橋箔、飛片、加速膛的形貌特征和設計參數決定。

圖1 微沖擊片換能元截面示意圖及實物圖

2 微沖擊片換能元起爆性能的關鍵影響因素

2.1 橋箔特性表征與分析

橋箔是微沖擊片換能元的初級能量轉換單元，橋箔在脈沖大電流的作用下迅速發生能量沉積，沉積的能量一部分用于自身的熔化和氣化，其余的能量用于擊穿氣化后的金屬蒸氣，產生高溫高壓的等離子體。其轉化效率的高低對微沖擊片換能元的起爆性能有重要影響。

本文橋箔制作用材料為純銅，采用磁控濺射工藝完成制膜，光刻腐蝕工藝成型。橋箔的形狀、表面質量和厚度對能量轉化效率均有一定的影響。

2.1.1 橋箔形貌研究

利用掃描電子顯微鏡測試橋箔形貌，如圖2所示。由圖2（a）可見橋箔的橋區形貌完整，無砂眼和異常凸起，在高倍放大的圖2（b）中，可以看到橋區邊緣有明顯的侵蝕現象，當橋箔中通過大電流時，橋箔可能會出現兩側電流密度小，中間電流密度大，從而中間的橋箔首先發生電爆炸，兩側的橋箔電爆出現延遲的現象，這樣不利于橋箔能量的充分利用。橋區邊緣的侵蝕是因為橋箔在FeCl3溶液中腐蝕時間過長，可以通過嚴格控制溶液濃度和腐蝕時間來降低過蝕刻現象的發生。

圖2 橋箔SEM圖

2.1.2 橋箔電爆性能測試

橋箔厚度用臺階儀測試，均值厚度3.3μm時對應電阻約39mΩ，均值厚度5μm時對應電阻約21mΩ。對不同厚度的橋箔進行電爆性能測試。

橋箔電爆性能測試裝置主要包括高壓電源、數字高壓表、脈沖功率源、示波器、電流環（羅果夫斯基線圈）和分壓器。試驗用發火電容為0.22μF，測試結果如表1~2所示。

表1 3.3μm厚度的橋箔電爆性能測試

Tab.1 Electrical explosion performance test of bridge foil with 3.3μm thickness

由表1~2可見，對于固定參數的起爆系統，隨著充電電壓的增加。峰值電流、爆發電流相應增加；兩種橋箔的爆發電流曲線如圖3所示。

表2 5μm厚度的橋箔電爆性能測試

Tab.2 Electrical explosion performance test of bridge foil with 5μm thickness

圖3 兩種不同厚度橋箔的爆發電流曲線

由圖3可以得到，相同的充電壓下，3.3μm橋箔的爆發電流明顯大于5μm橋箔的爆發電流，從能量利用率角度考慮，選用3.3μm橋箔制作換能元更有利于提高換能元的發火性能。

2.2 飛片層特性表征與分析

飛片作為微沖擊片換能元的能量輸出單元，其表面形貌、最終驅動速度直接影響換能元的發火性能。沖擊片換能元對飛片的要求是絕緣性好、表面平整，有一定的厚度、強度和韌性。本文采用SU-8膠作為飛片的制作材料，SU-8膠具有粘度高、密度小、耐腐蝕性能好、耐熱性好，對環境溫度不敏感等優點。

2.2.1 飛片形貌表征

SU-8膠飛片層形貌見圖4。

圖4 SU-8膠飛片層

圖4（a）~（b）為SU-8膠飛片層光學顯微鏡圖片，圖4（c）為飛片層表面的SEM圖片，可以看出，SU-8膠飛片層表面平整光滑，紋理致密，表面無明顯瑕疵，且飛片邊緣蝕刻整齊；圖4（d）為飛片層表面的原子力顯微鏡表面形貌分析，測得表面粗糙度（均方根高度）為17.5nm。均勻致密的飛片層能夠剪切出更為規整的飛片，在飛片與炸藥柱的碰撞中能夠產生更多的熱點，有利于降低起爆電壓；同時，均勻飛片能夠將飛片因素帶來的標準發火感度誤差降到更小。

用臺階儀測得飛片層的厚度為(20±3)μm，具有一定的散差，這是由SU-8膠的性質和勻膠工藝決定，無法完全克服。

2.2.2 爆發飛片速度測試

采用激光多普勒差拍測速（PDV）技術進行飛片速度測試，PDV技術具有調試簡單、結構緊湊、測速能力強等優點，實驗用到的主要測試設備有高壓脈沖發火裝置、全光纖光子多普勒測速儀等。圖5為實驗裝置布置圖，主要方法是固定激光探針，測試樣品安裝到平移臺上，通過平移臺移動樣品，使激光探針對準樣品的加速膛膛線。

圖5 飛片測速裝置布置圖

樣品經過飛片堅膜（熱板溫度200℃烘烤15min），在發火電壓1 200V、發火電容0.22μF條件下，測試得到的飛片速度曲線如圖6所示。

圖6 飛片（堅膜）速度曲線圖

由圖6可以看出飛片在出膛口時速度為3 580m/s。樣品未經過飛片堅膜，在發火電壓1 200V、發火電容0.22μF條件下，測試得到的速度曲線如圖7所示，由圖7可以看出飛片在出膛口時速度為3 000m/s。

圖7 飛片（未堅膜）速度曲線圖

由圖6~7試驗結果可知飛片測試速度不低于3 000 m/s，達到了起爆HNS-Ⅳ炸藥柱的要求，尤其是經過飛片堅膜的樣品飛片測試速度不低于3 580 m/s，達到了常規沖擊片雷管的飛片驅動速度。飛片經過堅膜后速度更高，說明堅膜硬化后的飛片具有更高的強度，剪切性能更好。

2.3 加速膛特性表征與分析

加速膛作為微沖擊片換能元的飛片剪切和加速單元，其邊緣形貌和厚度對飛片的剪切效果和飛片撞擊藥柱的速度有重要影響。本文采用SU-8膠作為加速膛的制作材料。

2.3.1 加速膛的形貌表征

SU-8膠加速膛體表面形貌如圖8（a）所示，可以看出加速膛形貌規則完整，外緣蝕刻整齊，膛口無毛刺；圖8（b）為加速膛膛口的邊緣形貌，不銹鋼加速膛和陶瓷加速膛如圖9所示，由圖9可見膛口均有一定程度的毛刺。加速膛膛口的SEM實測直徑為450μm，與設計直徑一致，精度很高；用臺階儀實測加速膛高度為(150±10)μm，加速膛高度值具有一定的散差，其對換能元的發火感度具有一定程度影響。

圖8 加速膛膛體表面形貌圖

圖9 不銹鋼和陶瓷加速膛表面形貌圖

2.3.2 微沖擊片換能元起爆性能測試

采用不同高度的加速膛制作樣品，在0.22μF發火電容下進行發火感度測試，測試線路如圖10所示。圖10中高壓電源對高壓電容進行充電，觸發線路控制高壓開關的閉合，開關閉合時，高壓電容將輸出高壓脈沖信號，起爆微沖擊片換能元。試驗裝置如圖11所示。

圖11 試驗裝置

利用蘭利法測試微沖擊片換能元起爆HNS-Ⅳ炸藥的發火感度。假設樣品發火電壓呈正態分布，不同高度加速膛樣品的發火感度如表3所示。

表3 不同高度加速膛的微沖擊片換能元樣品發火感度測試結果

Tab.3 The results of ignition sensitivity of micro energy conversion unit of slapper detonator with different height of chamber

由表3可以看出，加速膛高度為201μm時，樣品的50%發火電壓為1 275V，全發火電壓為1 412V，標準方差44V。當加速膛約為150μm時，50%發火電壓為1 336V；當加速膛約為300μm時，50%發火電壓為1 784V?？梢姼叨葹?01μm的加速膛具有更好的發火性能。本文采用MEMS工藝制作的微沖擊片換能元基本達到了常規沖擊片雷管的發火感度，但與美國KDI公司第三代ESAD的1 250V工作電壓[9]對比，尚有一定的差距。

3 結論

（1）橋箔表面有明顯侵蝕現象時不利于橋箔的能量利用；采用SU-8膠制作飛片，飛片表面平整光滑，紋理致密，邊緣蝕刻整齊；采用SU-8膠制作加速膛，加速膛形貌規則完整，外緣及膛口蝕刻整齊、無毛刺，優于陶瓷加速膛和不銹鋼加速膛。

（2）同樣起爆條件下，厚度3.3μm橋箔的爆發電流明顯大于厚度5μm橋箔的爆發電流，具有更優的發火性能。

（3）飛片堅膜與否對飛片性能影響明顯，經堅膜工藝處理后的飛片具有更好的力學性能，能獲得更高的擊發速度和起爆性能。

（4）加速膛高度對起爆性能有較大影響，對比150μm及300μm的加速膛，201μm的加速膛發火電壓最低，全發火電壓為1 412V，具有更好的發火性能。

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A Preliminary Study on the Key Factors Affecting the Performance of Micro Energy Conversion Unit of Slapper Detonator

YIN Ming，ZHANG Jin-xin，WANG Ke-xuan，ZHOU Mi，，REN Xiao-ming，REN Xi，QIN Guo-sheng

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In this paper, micro energy conversion unit of slapper detonator was fabricated by MEMS technology. The micromorphology of bridge foil, flyer and accelerating chamber was studied, the effects of bridge foil thickness, flyer hardbake process, and chamber height on the detonation performance of micro energy conversion unit were analyzed, through the research of bridge foil electro-detonation performance, flyer velocity test and the detonation performance test of micro energy conversion unit. The study show that by use of SU-8 resist to make flyer and accelerating chamber, and treating the flyer by hardbake process, as well as selecting 3.3μm thickness of bridge foil and 201μm height of chamber, the micro energy conversion unit would has the best detonation performance.

Micro energy conversion unit；Detonation performance；Micro slapper detonator；Flyer；Accelerating chamber；Bridge foil

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.001

1003-1480（2019）04-0001-05

2019-06-22

尹明（1984 -），男，工程師，主要從事爆炸箔火工品集成技術研究。

國防科技重點室基金項目（61426020205162602003）