基于MEMS技术的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药试验研究

李可为，褚恩义，薛 艳，解瑞珍，任小明，任 西，张玉若

（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）

基于MEMS技术的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药试验研究

李可为，褚恩义，薛 艳，解瑞珍，任小明，任 西，张玉若

（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）

采用MEMS技术制备了一体化集成的EFI芯片，研究了EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的能力，试验结果表明在起爆电压高于2 400V下EFI芯片能够成功起爆HNS-Ⅳ炸药，并且可靠地剪切出飞片。设计了3种桥箔和加速膛尺寸匹配关系的EFI芯片，用兰利法测试其发火感度。结果表明桥箔尺寸为0.3mm×0.4mm、加速膛直径为0.3mm时，EFI试验件的发火感度最高，50％发火电压为1 928V，全发火电压为2 013V。

EFI；MEMS；桥箔；飞片；加速膛；起爆

爆炸箔起爆器（Exploding Foil Initiator，简称EFI）是目前最为安全钝感的火工品[1-2]。近年来，随着MEMS技术在火工品领域的深入发展，集成化、批量化制备已经成为EFI的发展方向。2005年以来，中国工程物理研究院和北京理工大学等单位[3-5]先后制备出基于MEMS技术的EFI芯片，但是关于采用新工艺制备的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的报道很少，基于MEMS技术的EFI芯片还停留在设计层面。为此，本课题组制备了一种新型的基于MEMS技术的EFI芯片，并开展相关研究。

1 试验

1.1 样品制备

制备的EFI芯片如图1所示。基本的制备工艺流程为：首先在衬底层上溅射铜膜，然后进行图形化制备桥箔，在桥箔上面进行匀胶显影等工艺操作制备PMMA光刻胶飞片，在飞片层上利用相同的工艺制备SU8光刻胶加速膛，最后进行划片分割。

图1 EFI芯片(放大100倍)Fig.1 EFI Chip（×100）

试验的样品从整版芯片中随机抽取。采用HNS-Ⅳ标准炸药柱，其直径（带管壳）和高度均为3mm，压药密度为1.6g/cm3。为了便于装配药柱，先将芯片用双面胶固定在亚克力玻璃片上；然后将锡线焊接在芯片焊盘两侧，以减少引线的电阻，使引线与焊盘之间有良好的欧姆接触；最后将药柱的中心对准加速膛，同时用胶带固定，完成试验件的制备。制备好的EFI试验件如图2所示。

图2 EFI试验件Fig.2 EFI sample

1.2 试验装置

试验的起爆回路装置主要包括高压电源和脉冲功率源，脉冲功率源又包括薄膜电容、高压开关、升压器和电路等，起爆回路如图3所示。为了尽量减少起爆回路参数对爆炸箔起爆器试验件发火感度的影响，试验采用文献[6]优化的起爆回路等效参数，即储能电容容量为0.2μF，放电回路等效电感为57nH，等效电阻为68mΩ。

图3 EFI试验件起爆回路Fig.3 Initiation circuit of EFI

2 试验结果与分析

2.1 起爆HNS-IV试验

根据研究经验，在不同的电容充电电压下进行了起爆HNS-IV试验，试验结果如表1所示。

表1 不同起爆电压下EFI试验件发火情况Tab.1 Firing test results of EFI with different initiation voltage

从表1可以看出在电容充电电压高于2 400V时，EFI芯片可以成功起爆HNS-IV，低于2 200V时均未能起爆。说明利用PMMA光刻胶和SU-8光刻胶能够用作飞片和加速膛，且采用表1所示的参数设计是合理的。试验中未起爆的炸药柱如图4所示。

图4 未发火药柱照片Fig.4 Photo of non-explosive grain

由图4可见，所有的未起爆炸药柱上均出现了凹痕，随着起爆电压的增加，凹痕深度越来越明显，且凹痕颜色逐渐变黑，说明炸药柱在飞片的作用下，先由普通压痕逐渐转为爆燃的过程。试验结果证明了EFI芯片能够可靠地剪切出飞片。

2.2 桥箔参数匹配试验

杨振英、张玉若[7-8]等人的研究结果表明，桥箔和加速膛的尺寸匹配能够显著影响EFI的发火感度，为了优化EFI的设计参数，降低EFI的发火电压，固定其他参数不变，设计了3种不同桥箔尺寸匹配不同直径加速膛的EFI芯片，具体设计参数如表2所示。

表2 3种EFI芯片设计参数Tab.2 Design parameters of three kinds of EFI chip

根据金属薄膜电阻的计算公式：

式（1）中：r为电阻；ρ为金属电阻率；l为金属长度；S为金属薄膜截面的面积。S=ab，则：

式（2）中：a、b分别为薄膜厚度和宽度。

对于方形桥箔来说，l=b，则 r=ρ/a。对于铜爆炸箔来说，ρ为固定值，因此电阻r与桥箔的厚度a成反比。可见桥箔电阻的一致性与桥箔形状的一致性具有密切的联系，而根据爆炸箔起爆器作用原理，桥箔厚度的一致性又与爆炸箔起爆器的起爆标准偏差密切相关；另外测量桥箔的电阻还可以便于识别试验件装配过程中出现的焊点松动等异常试验件，因此测量桥箔电阻很有必要。在制备的3种试验件中随机抽取试验件，利用低电阻测试仪测量了桥箔的电阻。3种试验件测试的电阻数值如表3所示。

由表3可以看出，本文制备的桥箔电阻一致性良好。利用兰利法测试3种试验件的发火感度。鉴于兰利法能够在较小的样本数量下快速收敛到平均值的特点[9]。1#和3#试验件的感度下限设置为1 000V，感度上限设置为3 000V，2#试验件的感度下限设置为1 600V，感度上限设置为2 400V。利用前述的试验装置，按照兰利法要求的起爆电压得到3种EFI试验件的发火情况，如表4所示，计算得到的发火感度数值如表5所示。

表3 EFI试验件桥箔电阻 （mΩ）Tab.3 Resistance of EFI sample

表4 EFI试验件发火情况Tab.4 Firing test results of the EFI sample

表5 3种EFI试验件发火感度数据Tab.5 The firing sensitivity of three kinds of EFI sample

3种EFI试验件50％发火电压随桥箔截面积的变化如图5所示。

图5 EFI试验件50％发火电压随桥箔截面积变化Fig.5 The change curve of average firing voltage with the sectional area

从表5可以看出，1#试验件的50％发火电压最低，达到1 928V，3#试验件50％发火电压最高，为2 530V。可见随着桥箔和加速膛匹配尺寸的增大，发火电压呈逐渐增高的趋势。全发火电压和不发火电压也有类似的变化规律。此外，3种尺寸的EFI试验件发火标准偏差也有明显区别，鉴于兰利法试验数量小，对于预估标准偏差精度不够高，认为标准偏差在合理的变化区间。分析50％发火电压的变化规律。根据飞片速度的电格尼能模型[10]，飞片的最大速度为：

式（3）中：vf为飞片的最大速度，m/s；Eeg为铜的电格尼能；ρf为飞片的密度，g·cm-3；df为飞片的厚度，m；ρe为桥箔的密度，g·cm-3；de为桥箔的厚度，m。铜的电格尼能又可以表示为：

式（4）中：Jb为桥箔爆发电流密度，A/m2；k,n为常数。简化Jb的计算方法为：

式（5）中：I为爆发电流，A；S为桥箔桥区的截面积，m2。

所以：

在桥箔材料、厚度、飞片材料和厚度确定的情况下，飞片的最大速度仅由Eeg决定，对于铜桥箔，k=4.2×10-2，n=0.85。当桥箔的电阻变化不大、爆发电流变化不大时，可以近似认为是常数，飞片的最大速度可以表示为：

式（7）中：A为正常数。由式（7）可见飞片的最大速度随着桥箔截面积的增加而减小。1#试验件桥箔的截面积S1=1.2×10-9m2，2#试验件桥箔的截面积S2=1.6×10-9m2，3#试验件桥箔的截面积S3=2.0×10-9m2，S3＞S2＞S1，因此vf1＞vf2＞vf3。根据单质炸药冲击起爆机理，飞片与炸药的冲击过程中压力与时间的量只有超过常数pnτ才能将炸药起爆，其中τ代表飞片与炸药柱表面的作用时间，取决于飞片的厚度；p为飞片在撞击炸药过程中激起的冲击波压力，取决于飞片的速度v。因此，试验件的50％发火感度随着桥箔截面积的增加而增加（图5）。试验结果与理论分析符合的较好。

从试验结果来看，在桥箔爆发能量满足起爆要求的情况下，小尺寸桥箔配备小尺寸的加速膛可以显著降低EFI的发火电压。基于MEMS技术的EFI芯片不存在装配困难的问题，可以考虑尝试0.3mm以下的桥箔配备直径0.3mm以下的加速膛。

3 结论

本研究开展了基于MEMS技术的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的试验，主要结论如下：

（1）基于MEMS技术的EFI芯片可以可靠地剪切出飞片，且在一定的电压下可以成功起爆HNS-Ⅳ炸药。

（2）采用兰利法测试了3种桥箔加速膛尺寸匹配下试验件的发火感度，桥箔0.3mm×0.4mm、加速膛刀口直径为0.3mm时爆炸箔起爆器试验件的发火电压最低，此时全发火电压为2 013V，50％发火电压为1 928V，标准差为28V。

（3）飞片速度的电格尼能公式和单质炸药的冲击起爆理论能够很好地解释不同桥箔加速膛尺寸匹配关系下新型EFI试验件发火感度存在偏差的原因。

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Experimental Study on HNS Initiated by EFI Chip Based on MEMS Technology

LI Ke-wei，CHU En-yi，XUE Yan，XIE Rui-zhen，REN Xiao-ming，REN Xi，ZHANG Yu-ruo
（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi′an,710061）

The MEMS technology was used to prepare an integrated EFI chip, and the ability of EFI chip initiating HNS- IV explosive was studied. The test results showed that the EFI chip can successfully initiate HNS- IV explosives, and can shear a flyer reliably under 2 400V voltage. Three kinds of EFI chip with different foil and barrel size matching was designed, and their firing sensitivity was tested with the Langlie method. It showed that when the size of the bridge foil is 0.3mm×0.4mm, and the barrel diameter is 0.3mm, the firing sensitivity of the EFI is the highest, the average firing voltage is 1 928V, the full firing voltage is 2 013V.

EFI；MEMS；Exploding foil；Flyer；Barrel；Initiation

TJ45+3

A

1003-1480（2016）06-0001-04

2016-10-17

李可为（1992-），男，在读硕士研究生，主要从事MEMS爆炸箔起爆器研究。