低输入能条件下半导体桥等离子体放电特性研究

吴 蓉 冯红艳 朱顺官 张 琳 王新

（1巢湖学院化学与材料科学系，安徽 巢湖 238000）（2南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094）

低输入能条件下半导体桥等离子体放电特性研究

吴 蓉1冯红艳2朱顺官2张 琳2王新1

（1巢湖学院化学与材料科学系，安徽 巢湖 238000）（2南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094）

采用脉冲放电的方式，获得低输入能条件下半导体桥等离子体的光电信号，实验研究了放电电压为18V、充电电容为47μF和放电电压为57V、充电电容为4.7μF的两种输入能相同的发火条件下半导体桥等离子体放电特性。结果表明，低输入能量条件下，小电容大电压容易完成桥膜物理形态的转变，等离子体后期放电开始的时间早，且持续时间长，但是由于消耗在桥上的能量比较多，得到的等离子体温度并不高。

半导体桥；等离子体；放电脉冲

半导体桥（SCB）是指利用微电子技术制造、用半导体膜（或金属-半导体复合膜）做点火元件的火工品[1]，在电容放电脉冲激发下形成的等离子体应用于含能材料点火技术中，是目前活跃的研究领域[2]。SCB等离子体点火技术以等离子体为激发能量，具有高安全性能、作用迅速、发火能量低等特点。近年来国内外该技术研究涉及到SCB的电热性质研究、点火器的设计、SCB等离子体参数测量[3～7]等方面。SCB等离子体的放电温度，火花持续时间，以及等离子体加热阶段形成时间等多种放电特性的研究对于分析等离子体与药剂作用的机理是非常重要的。本实验在两种输入能相同的放电脉冲条件下对产生的SCB等离子体放电特性进行研究，为进一步研究SCB点火和起爆的机理提供实验依据。

1 发射光谱法诊断等离子体温度的基本原理

根据原子发射光谱理论[8]，受激原子从高能级向低能级跃迁时，将以光的形式辐射出能量，产生特定的原子光谱。选择同种原子或离子的两条光谱线，在热力学平衡状态或局部热力学平衡状态下，两条光谱线的辐射强度比满足下式：

式中 I1和I2为两条波长分别为 λ1和 λ2光谱线的发射光谱强度；A1和A2为两谱线的跃迁几率；g1和g2为两谱线激发态的统计权重；E1和E2为两谱线上激发态能量；k为Boltzmann常数；T为等离子体温度。对于已知的两条谱线，A1、A2、g1、g2、E1和 E2均为已知的光谱常数，可从化学物理常数手册中查到[9]。所以只要测得两条谱线的谱线强度I1和I2，即可由（1）式求得等离子体温度T。

2 实验及装置

2.1 SCB的结构

本实验所用的SCB为重掺杂多晶硅SCB，其基本结构如图1所示，由夹在硅基片与金覆盖层之间呈“H”形的重掺杂多晶硅构成，长100μm，宽 380μm，厚 2μm，桥体电阻 1Ω。

图1 SCB结构图

2.2 SCB等离子体的发生装置及光电测试系统

如图2所示，其中左边为SCB等离子体的发生装置，首先由电源对电容器充电，当电容器充电至一定电压时，将开关K1转换到K2，进入放电回路，接通K3对SCB两端施加电脉冲，产生等离子体。右边为光电测试系统，包括：测温探头、一进二出的光导纤维、干涉滤波片、光电倍增管，负高压稳压供电电源、高速响应电路的光电转换系统、数据采集和实时显示处理系统。本实验采用的数据采集装置为LeCroyLT374型示波器，该示波器有四个通道，可分别同时采集加在SCB上的电压、电流信号以及等离子体产生的光谱信号。

图2 SCB等离子体的发生装置及光电测试系统

2.3 实验

根据原子发射光谱法的谱线选择原则[8]，实验选择Cu元素的两条原子谱线510.55nm和521.82nm作为分析线，通过以上测试系统，在不同放电脉冲条件下，对SCB生成等离子体进行光电测试，得到随时间变化的两条等离子体光谱强度信号与同一时间下的放电脉冲信号，每种放电条件下平行测定三次。图3为22μF，57V实验条件下得到的一组典型实验曲线。

图3 作用于SCB上电压、电流以及产生的等离子体光谱强度随时间的变化

图4 SCB上消耗的功率及能量随时间的变化

图3（a）为SCB两端的电压随时间的变化，其中第一个峰值对应SCB汽化前的硅桥加热，第二个峰值对应的t1时刻硅桥熔断，硅等离子体加热阶段开始。Benson等人[1]认为只有当等离子体加热阶段形成时，SCB才能点燃炸药。我们也称此为等离子体后期放电开始。图3（b）为回路感应电流随时间的变化，t2为放电电流降至0的时刻。图 3（c）为 λ1（Cu I 510.55nm）和 λ2（Cu I 521.82nm）两条光谱线辐射强度随时间的变化，因系统是将光信号转化成电信号，且两者之间成正比关系，在此将光辐射强度用电压表示。

将图3中电压电流的乘积即功率，通过对时间积分可获得相应的能量，图4（a）为功率随时间的变化，图4（b）为相应能量随时间的变化，其中W1为等离子体后期放电开始时SCB发火所消耗的能量，我们称之为临界发火能量。W2为SCB上消耗的总能量。

本实验在相同的两种低输入能的放电脉冲条件下（放电电压为18V、充电电容为47μF；放电电压为57V、充电电容为4.7μF），对SCB进行发火实验，研究SCB生成等离子体的放电特性。通过KH-7700数字三维视频显微镜，观察SCB在电脉冲作用后，桥区的表面形貌，进一步研究小发火能量电路对SCB等离子体后期放电的影响。

3 结果与讨论

在 18V、47μF 和 57V、4.7μF 的发火条件下进行实验，得到电流、电压及谱线强度随时间的变化信号如图5、图6和图7所示。可以看出4.7μF条件下桥的熔断速度快，等离子体后期放电开始的时间早，以及小电容大电压条件下产生的光谱强度大，持续时间长。

图5 相同输入能下的电压信号

图6 相同输入能下的电流信号

图7 相同输入能下的光谱强度信号

由图7所得的谱线强度随时间的变化关系，根据原子发射光谱双谱线测温法原理，通过（1）式计算，可得SCB等离子体温度随时间的变化，其变化趋势如图8所示。由于放电产生的光谱信号比较弱，所以得到的等离子体温度的结果重现性并不是很好，但是通过结果还是可以明显的发现，57V、4.7μF放电脉冲下等离子体的温度高。

图8 等离子体温度随时间变化曲线

计算不同放电脉冲下SCB上消耗的能量，如表1所示，可以看出两个发火条件下，SCB上输入能量相同的情况下，桥上消耗的总能量都大于消耗在桥上的临界发火能量。

表1 不同放电脉冲下SCB上消耗的能量

图9为相同输入能的两种发火条件下，桥体表面烧蚀情况的显微图，上面3幅为57V、4.7μF条件下的烧蚀情况，下面3幅为18V、47μF的烧蚀情况。显然 57V、4.7μF比 18V、47μF的放电脉冲条件下烧蚀的结果严重。说明充电电容小，能量输入速度很快，在桥上的消耗多，对桥造成很严重的烧蚀。而此条件下的发火能量接近SCB放电形成后期放电的最小能量，所以能量在桥膜物理形态转变过程的过多消耗，导致桥膜蒸汽并不能很好的被加热，虽然开始时的光谱强度很大，但是等离子体的温度并不高。

图9 相同储能下SCB的烧蚀情况

4 结论

本实验在前期研究的成果上进一步考察低输入能量条件下，SCB等离子体的放电特性。采用放电电压为18V、充电电容为47μF和放电电压为57V、充电电容为4.7μF的两种输入能相同的发火电路进行实验。通过对SCB生成等离子体的光电信号进行分析，及通过对SCB在电脉冲作用后桥区表面形貌的观察，研究了不同放电条件对等离子体温度及等离子体后期放电的影响。对于低输入能的脉冲放电，选择小电容大电压的发火电路，等离子体后期放电开始的时间早，放电时间长，但得到的等离子体温度相对较低。该工作对研究SCB的发火机理及SCB等离子体与药剂作用的机理具有基础性作用。

[1]Benson D A,Larsen M E,Renlund A M,et al.Semiconductor bridge:a plasma generator for the ignition of explosives[J].J.Appl.phys.,1987,62（5）:1622-1632.

[2]Richard A,Beyer R A.Experiments to define plasma-propellant interactions[J].IEEE Trans.Magn.,2003,39（1）:207-211.

[3]Lee K N,Park M I,Choi S H,et al.Characteristics of plasma generated by polysilicon semiconductor bridge（SCB）[J].Sens.Actuators A,2002,96:252-257.

[4]Kim J U,Park C O,Park M I,et al.Characteristics of semiconductor bridge(SCB)plasma generated in a micro-electromechanical system （MEMS）[J].Phys.Lett.A,2002,305:413-418.

[5]任炜,周智,刘举鹏.半导体桥点火器的设计与研究[J].火工品,2007,(6):43-46.

[6]吴蓉.半导体桥等离子体温度的光谱法诊断研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[7]冯红艳,李燕,张琳,等.原子发射光谱双谱线法测量半导体桥（SCB）等离子体温度[J].含能材料,2007,15（2）:134-136.

[8]《发射光谱分析》编写组.发射光谱分析[M].北京:冶金工业出版社,1977.

[9]Lide D R.CRC Handbook of Chemistry and Physics,66th Ed.[M].Florida:CRC Press,1985-1986.

RESEARCH ON THE CHARACTERISTICS OF SEMICONDUCTOR BRIDGE PLASMA DISCHARGE WITH A LOW INPUT ENERGY

WU Rong1FENG Hong-yan2ZHU Shun-guan2ZHANG Lin2WANG Xin1
(1 Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu University,Chaohu Anhui 238000)(2 School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210094)

The opt-electronic signals of semiconductor bridge plasma were obtained through pulse discharging with a low input energy in the experiment.The discharging characteristics of semiconductor bridge plasma have been studied under the same input energy with 18V and 47μF and 57V and 4.7μF respectively.It is found that it is easier to complete the bridge membrane changes in physical form with a low capacitor and a high voltage.The beginning of the late discharge is earlier and duration is longer.The plasma temperature is not high because a considerable amount of energy was consumed on the bridge.

semiconductor bridge;plasma;discharge pulse

TJ55;O657.31 < class="emphasis_bold">文献标识符：

符：A

1672－2868（2011）03－0075－04

2011-3-16

安徽省高校省级优秀青年人才基金项目（项目编号：2011SQRL121）

吴蓉（1977-），女，安徽巢湖人。硕士，讲师，研究方向：化学计量学与光谱分析研究

责任编辑：宏 彬