桥区参数对Ni-Cr薄膜换能元发火性能的影响

解瑞珍，薛 艳，任小明，刘 兰，卢 斌，姚小宁

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

利用磁控溅射技术制备的Ni-Cr薄膜换能元作为电火工品的关键器件[1]，其结构可以设计成多层复合式结构或特殊形式以满足不同的需求，在低能化与微型化方面具有明显的优势[2-4]。基于 MEMS（微机电系统）的成熟工艺，可满足MEMS引信安保装置中硅起爆器芯片技术的需求，实现与探测电路的二次集成，提高MEMS引信安全保险装置的智能化程度[5-7]。

发火感度是火工品的重要技术参数，与火工品的安全性和可靠性密切相关，开展桥区参数对Ni-Cr薄膜换能元发火感度影响的研究，为换能元的设计提供基础参数，是Ni-Cr薄膜换能元研究的重点。本文选择7740玻璃作为基底材料，设计制作了不同桥膜参数的换能元，并对其发火感度进行了测试，获得了桥区参数对换能元发火感度的影响结果。

1 试验样品

采用非平衡磁控溅射仪、匀胶机、光刻机等设备制作Ni-Cr薄膜换能元。桥区材料为镍铬合金，镍铬合金的成分为镍80%、铬20%。换能元的显微镜照片如图1所示。

图1 Ni-Cr薄膜换能元桥区照片Fig.1 The bridge photo of Ni-Cr alloy thin film

2 试验方法

依据GJB/z 377A-94感度试验用兰利法对换能元的发火感度进行了测试，选用的仪器分辨率为0.1V，采用火工品感度试验便携式计算装置 PDA[8]进行数据处理。试验数据分布假设为正态分布，不同的试验样品根据经验选用了不同的刺激下限和刺激上限，并且对试验结果的标准差不做修正。测试用起爆电路如图2所示，发火电容47µF，含能材料为斯蒂芬酸铅。

图2 Ni-Cr薄膜换能元发火电路Fig.2 The firing circuit of Ni-Cr alloy thin film transducer element

3 试验结果及分析

3.1 桥膜厚度对Ni-Cr薄膜换能元发火感度的影响

对桥膜厚度分别为0.3µm、0.6µm、0.9µm、1.2µm的换能元进行发火感度测试，测试结果如表1所示，发火后换能元桥区的显微镜照片如图3所示。

从表1中可以看出，当桥区尺寸一定时，随着桥膜厚度的增加，换能元的发火电压减小，当桥膜的厚度增加到一定的程度，换能元发火电压又有增大的趋势，0.9µm厚的换能元较为敏感，发火电压较低。

3.2 桥区宽度对Ni-Cr薄膜换能元发火感度的影响

对桥区宽度分别为0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm的换能元进行发火感度测试，结果见表2。

表1 不同桥膜厚度的换能元发火感度测试结果Tab.1 The firing sensitivity test result of transducer element with different film thickness

图3 Ni-Cr薄膜换能元发火后的显微镜照片Fig.3 The microscopical photograph of Ni-Cr transducer element after fire

表2 不同桥区宽度的换能元发火感度测试结果Tab.2 The firing sensitivity test result of transducer element with different bridge width

表2结果显示，当桥膜厚度一定时，随着桥区宽度增加，发火电压增大；被测样品中桥区宽度为 0.1 mm的换能元的平均发火电压较低。

由于表2的测试结果没有出现拐点，采用同样的测试方法，对桥区长度相同，桥区宽度分别为 0.10 mm、0.05mm的换能元的发火感度进一步进行了测试，测试结果如表3所示。

从表 3中可以看出，当桥区宽度小到一定程度时，相同膜厚的换能元的发火电压不再继续减小，而是有所升高。

表3 桥区宽度为0.1mm和0.05mm的换能元发火感度测试结果Tab.3 The firing sensitivity of transducer element with 0.1mm and 0.05mm bridge width

3.3 桥区长度对Ni-Cr薄膜换能元发火感度的影响

对桥区长度分别为0.1mm、0.3mm的换能元进行发火感度测试，测试结果如表4所示。

表4 不同桥区长度的换能元发火感度测试结果Tab.4 The firing sensitivity test result of transducer element with different bridge length

从表4中可以看出，当桥膜厚度、桥区宽度一定时，桥区长度越长，换能元发火电压越高，感度越低。

3.4 桥区形状对Ni-Cr薄膜换能元发火感度的影响

采用同样的方法对桥区尺寸、桥膜厚度相同，桥区形状不同的换能元进行了发火感度测试，两种不同的桥区形状如图4所示，测试结果如表5所示。

图4 桥区形状Fig.4 The shape of bridge area

表5 不同桥区形状的换能元发火感度的测试结果Tab.5 The firing sensitivity test result of transducer element with different bridge shape

由表5可见，样品2的发火电压较样品1低，说明桥区形状对换能元发火电压有明显的影响。

4 结论

（1）当桥区尺寸一定时，随着桥膜厚度的增加，换能元的发火电压减小，当桥膜的厚度增加到一定的程度，换能元发火电压又有增大的趋势。

（2）当桥膜厚度、桥区长度一定，桥区宽度大于 0.1mm时，随着桥区宽度增加，发火电压增大；但当桥区宽度小于 0.1mm时，随着桥区宽度减小，换能元发火电压也有增大的趋势。

（3）当桥膜厚度、桥区宽度一定时，随着桥区长度的增加，换能元发火电压增大。

（4）桥区的形状对换能元的发火电压也有显著的影响。

[1]王广海,李国新,焦清介.陶瓷基体表面粗糙度对Ni-Cr薄膜换能元性能的影响[J].兵工学报,2011,32(5):548-553.

[2]解瑞珍,任小明,王可暄,等.Ni-Cr薄膜换能元刻蚀工艺研究[J].火工品,2010(6):20-22.

[3]Toshiyuki Tsuchiys.Mechanical reliability evatuation and its standandzation of thin films used in MEMS[D].Kyoto:Kyoto University,2004.

[4]K.L.Zhang,S.K.Chou S.S.Ang.Fabrication,modeling and testing of a thin film Au/Ti microheat international[J].Journal of Thermal Sciences,2007 (46):580-588.

[5]Hélène pezous,Carole Rossi Marjorie Sanchez etal.Integration of a MEMS base safe arm and fire device[J].Sensors and Actuators A, 2010 (159):157-167.

[6]David H.Lewish Jr.，Siegfried W.Janson，Ronald B.Cohen,et.al.Digital micropropulsion[J].Sensors and Actuators, 2000(80):143-154.

[7]Larangot B,Rossi C,Camps T,etal.Solid propellant microrockets towards a new type of power MEMS[R].AIAA 2002-5758, 2002.

[8]张蕊,付东晓,白颖伟,等.火工品感度试验用便携式计算装置[J].火工品,2009(1):35-39.