半导体桥裸桥与装LTNR 时的点火特性*

马 鹏，张 琳，朱顺官，张 垒，陈厚和

(南京理工大学化工学院，江苏 南京210094)

半导体桥(semiconductor bridge，SCB)是一种新近发展起来的点火装置，SCB 火工品诞生于1968年［1］，它是利用微电子技术制造、半导体膜(或金属半导体膜)作点火元件的火工品［2-3］，直到20 世纪80年代末才受到重视。Lee Kye-nam 等［4］研究了SCB 产生等离子体时两端电压随时间的变化情况并发现有2 个电压峰值，其中第1 个峰值对应于SCB 汽化前的硅桥加热，第2 个峰值对应于SCB 等离子体的产生，Park Myung-Ⅱ等［5］对比了single-SCB 和poly-SCB 两种不同桥产生等离子体的不同。文献［6-9］中研究了半导体桥的电热性能、点火装置设计以及SCB 等离子体温度测量等。基于上述的研究进展，本文中主要针对SCB 裸桥与装药桥的不同点火性能进行相应的探索。

1 实 验

1.1 实验试剂及仪器

斯蒂芬酸铅(LTNR)，南京理工大学制备;ALG-CN1 储能放电起爆仪，南京理工大学制造;44XS 通道数字示波器，Lecroy 公司产品。

实验所用为N 型重掺杂SCB，尺寸为80 μm(L)×360 μm(W)×2 μm(T)，电阻为(1±0.1)Ω，无感电阻为1 Ω，实验所用电容为22、47、68 和100 μF。SCB 装药桥装药为LTNR，装药量为20 mg，压力为120 MPa。

1.2 实验装置

实验装置如图1 所示，主要由3部分组成:电能输入装置、SCB 裸桥或装药桥点火装置和数据采集系统。电容充电完毕后，打开开关，电容对SCB释放能量，在电容电能作用下SCB 激发形成等离子体，将药剂点燃。在该过程中，电容放电的电压信号、SCB 两端的电压信号和整个回路的电流信号将通过示波器记录。图2 为SCB 裸桥和SCB 装药桥的结构图。

图1 实验装置示意图Fig.1 Ignition circuit diagram

图2 SCB 结构示意图Fig.2 Charge structure of SCB

2 实验结果与讨论

2.1 实验结果

实验采集了3 组数据:电容放电时两端电压U1，半导体桥两端电压U2和回路中的电流I。首先使用无感电阻对实验线路进行测试，得到无感电阻两端的电压和电流曲线如图3 所示。

从图3 可以看出，U1和U2的一部分完全重合，曲线U2和I 相似。在该实验中使用47 μF 电容放电，充电电压为24 V。从图3 中也可以看出，在起始时刻，U2的峰值和U1的有一定的差值，由该差值和电流的峰值可以估算出除无感电阻外整个回路的电阻，其值约0.4 Ω，与实际测量值吻合。

图4 是半导体桥产生等离子体时的电压曲线，在等离子体激发过程中，半导体桥的主要组分硅在不同的时刻发生了不同的变化，A 点是电脉冲作用的起始点，AB 阶段是桥的加热阶段，热量主要来自于电流通过桥时产生的焦耳热;BD 阶段是桥的熔化阶段，熔化桥的能量主要来自放电电容提供的能量，在C点时桥材料没有完全熔化，在D 点时桥材料全部溶化;DE 阶段是桥材料的汽化过程，在E 点，桥材料汽化完全。在电容能量的激发下，气态的硅被电离为等离子体。由于等离子体的冲击作用和热作用，起爆药被点燃。由以上分析和图5 的结果可以确定:不同电容在26 V 放电电压作用下均可以产生等离子体，即本实验所得结果都是SCB 等离子体点火所产的。

图3 无感电阻两端的电压、电流曲线Fig.3 Voltages at the two ends between of the nonconductance resistor and the current through it

图4 典型等离子体产生时的电压曲线Fig.4 Typical voltage curve when plasma generated

图5 不同电容容量下，放电电压U1、SCB 两端电压U2 及电流曲线Fig.5 Curves of discharging voltage of the capacitor，voltage of SCB and current of the circuit

2.2 裸桥与装药桥的对比

裸桥和装药条件下二次峰出现时刻(tb、tc)、持续时间(Tb、Tc)和电压峰值(Ub，max、Uc，max)如表1 所示。由表中数据可以看出，随着电容的不断增大，二次峰出现的时间逐渐延后，二次峰的持续时间和峰值电压在C=47 μF 时最长，其余随电容的增大而增大。这也验证了实验中发现存在最佳匹配电容的观点，即47 μF 是本实验的最佳匹配电容。实验中出现的二次峰随电容的增大而延后，是由于本实验的时间常数τ(τ=RC)不同所导致的:在电路中R 相同C 不同，τ 也不相同，因此大电容的时间常数τ 要大。根据电容的放电规律，认为T=4τ 时电容放电完成，所以大电容的放电时间要长一些，因此随着电容的增大，二次峰出现的时间较长，与实验数据吻合。

表1 裸桥和装药条件下二次峰出现时刻，持续时间和峰值电压Table 1 Data of appearing time and duration of the second peak and the peak voltage

由图5 可以看出，在二次峰出现之前的各个峰值均与电容放电曲线相切，二次峰值均超过了同时刻电容放电的电压值。由图5 中的电流曲线可知，在二次峰之前电流值开始下降，可以认为在固态硅转化为液态硅时存在着电阻变小的趋势，即造成了电压曲线经过第1 个峰后开始下降，液态硅变为气态硅时，电阻变大，导致二次峰时电压值超过了电容放电时的电压值。

由于裸桥和装药桥在点火时存在着上述的差别(二次峰出现和持续时间以及峰值电压)，本实验中考察这2 种状态下的SCB 积分能量(电压与电流乘积的积分)、能量利用率R(积分能量/电容储能)，其数据列于表2 中。

表2 不同电容的积分能量和能量利用率数据Table 2 Integral energy and the utility ratio of energy

表中积分能量Eb是裸桥作用后的积分能量，积分能量Ec是SCB 点燃LTNR 情况时的积分能量。积分能量可以认为是电容放电后作用在桥上的能量。对比积分能量Eb和Ec可以发现，裸桥的积分能量比装药条件下的高。由表中数据可知，裸桥的积分能量随电容的变化基本呈线性关系，而装药桥的积分能量基本保持在一个水平上，没有太大的变化，并且从二次峰出现的时间可以看出，当用SCB 点燃LTNR 时，二次峰出现的时间早，持续的时间短。

裸桥通电时，暴露在空气中的SCB 芯片形成等离子体后，SCB 熔断。由电容放电原理可知，桥两端有高电压存在并不断向包含等离子体的空气放电，直到空气不再被击穿为止，此时的电压反应在图5 各图中的曲线U2中，即产生等离子体后，电压曲线并没有回到零点，而是在某一电压值附近呈一条直线。

装药桥通电时，SCB 产生的等离子体渗入到药剂中，将药剂加热并点燃。由表1 中等离子体的持续时间同样可以看出，装药桥的等离子体持续时间较裸桥的短。熔断后桥两端的电压加载在了药剂上，同时药剂受等离子体的作用，达到了LTNR 的热分解温度，分解放热释放足够的能量保证自身稳定爆轰，这是装药桥的积分能量基本保持在一个水平上，没有太大的变化的关键原因。

3 结 论

通过对裸桥和装药桥的实验发现:裸桥与装药桥在点火能量、二次峰出现时间及持续时间上存在差异:裸桥的积分能量比装药桥高，且呈线性变化，装药桥的积分能量处于一个水平上。这主要是由于LTNR 受到等离子体的作用而达到热分解温度，释放的热量足以维持反应的进行;裸桥的二次峰出现时间及持续时间比装药桥长，但二次峰峰值电压比装药桥低。

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