硅基平面微雷管设计研究

解瑞珍，张 凡，刘 兰，任小明，薛 艳，刘 卫



硅基平面微雷管设计研究

解瑞珍，张 凡，刘 兰，任小明，薛 艳，刘 卫

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室，陕西 西安，710061）

针对MEMS安全保险机构的发展对起爆单元平面化的需求，利用SOI片特有的三层结构，开展了硅基平面微雷管的设计研究。以SOI片的外延硅作为平面微雷管原位装药用专用电极，提升了微雷管结构与原位装药工艺的兼容性。以SOI片的本体硅作为装药腔体层，减少了微雷管的轴向尺寸，提高集成度。性能试验表明该硅基平面微雷管实现了发火及起爆下级装药的功能。

微雷管；换能元；发火电压；集成

随着引信微小型化的发展、智能化水平的提升，以及功能的拓展，安全保险机构的芯片化设计成为引信火工品技术研究的热点，因此对起爆单元平面化设计的需求越来越迫切。美国采用导弹弹头对芯片化设计的安保机构进行了性能验证试验，结果传爆与隔爆试验均获成功[1-4]。2010年第54届引信年会上，Chopin Hua等人[5]介绍了美国可替代M100的MEMS微雷管技术的研究进展。国内基于MEMS工艺的微雷管技术的研究起步较晚，报道的硅基微雷管[6-8]轴向尺寸为1.5mm，并能够实现正常爆轰。

为了更好地满足安全保险机构芯片化设计的发展需求，进一步减小微雷管的轴向尺寸。本文采用SOI（silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅）片特有的三层结构，在一张SOI片的两面分别完成换能元与装药腔体的制作，实现了可贴片式平面微雷管的一体化集成，并对其发火性能进行了测试。

1 硅基平面微雷管的设计及制作

1.1 硅基平面微雷管的结构设计

设计的硅基平面微雷管原理示意图如图1所示，主要由换能元、SiO2层、原位装药专用电极层、装药腔体、起爆药装药等组成。硅基平面微雷管的设计基于SOI片特有的三层结构，其外延硅作为微雷管原位装药专用电极，提高微雷管结构与基于电化学沉积的原位装药工艺的兼容性。在外延硅层上氧化生成SiO2绝缘层，在SiO2层上完成微桥膜换能元的制作。将SOI片本体硅层作为装药腔体层；将SOI片的二氧化硅层为深硅刻蚀工艺的止刻层。该设计实现了换能元与装药腔体在一张硅片上的集成制作，通过回流焊工艺可将微雷管直接贴装至引信控制电路上。

图1 硅基平面微雷管结构原理示意图

硅基平面微雷管的作用原理为：换能元在通电情况下产生一定的热量，热量经SiO2层和原位装药专用电极层作用于装药腔体内的起爆药装药，起爆药装药作用后起爆下一级装药。该结构中SiO2层用于支撑换能元，并起到换能元层与原位装药用电极层之间的绝缘作用。采用电化学沉积工艺进行装药时，装药专用电极层作为电化学沉积用阴极。装药腔体用于装填起爆药装药，以及对起爆药装药燃爆进行一定的约束。硅基平面微雷管用换能元桥区材料为Ni-Cr，桥区尺寸0.15mm× 0.15mm，装药腔体尺寸Ф2.0mm×1.0mm。SiO2层厚度为0.5μm。

1.2 硅基平面微雷管的制作

硅基平面微雷管制作主要是基于表面微加工工艺和深硅刻蚀工艺，工艺流程框图如图2所示。

图2 硅基平面微雷管制作工艺流程框图

在硅基平面微雷管的制作中，装药专用电极层厚度的确定是其工艺研究的关键及难点。在硅基平面微雷管装药腔体的制作过程中，在一定的应力作用下装药专用电极层不能出现破裂，并且应对换能元起到良好的支撑作用，同时在装药过程中也不应破损。经过反复的试验与优化研究，装药专用电极层厚度选择15μm。制作好的硅基平面微雷管如图3所示。采用回流焊工艺将含能芯片贴装在电路板上，装配好的照片如图4所示。

图3 硅基平面微雷管的照片

图4 完成贴装的硅基平面微雷管的照片

2 硅基平面微雷管的性能测试及结果

2.1 平面微雷管发火性能测试

对平面微雷管的发火性能进行测试，发火测试电路如图5所示。

图5 硅基平面微雷管发火电路原理图

选用的发火电源的电压分辨率为0.01V，试验数据分布假设为正态分布。选择的刺激下限为5V，刺激上限为20V，试验结果的标准差不做修正。图5中发火电路充电电阻为5 000Ω，发火电容为33 µF钽电容，放电开关选用水银开关。装药选择了多孔叠氮化铜，测试结果如表1所示。

本文使用了一种火工品感度试验用便携式计算装置个人数码助理（PDA）对试验数据进行处理[9]。

表1 硅基平面微雷管发火感度的测试结果

Tab.1 Testing result of micro-detonator firing

2.2 平面微雷管的输出性能测试

硅基平面微雷管输出性能测试试验装置如图6所示，微雷管贴装在控制电路板上，直接起爆CL-20基传爆药装药。微雷管装药为多孔叠氮化铜，装药量为4.5mg，CL-20基传爆药装药尺寸为Ф3.4mm×4mm。测试结果如表2所示。

图6 微雷管输出性能测试装置示意图

表2 硅基平面微雷管输出性能测试结果

Tab.2 Output testing result of micro-detonator

由性能测试结果可知，设计的硅基平面微雷管实现了发火及正常起爆下一级装药的功能，说明设计方案是可行的。其与国内外典型的基于MEMS工艺的微雷管结构及参数对比如表3所示。

表3 典型平面微雷管的结构对比

Tab.3 Comparision of typical micro-detonators

3 结论

制作基于MEMS工艺的硅基平面微雷管，并对其发火、输出性能进行测试，得出如下结论：

（1）基于MEMS工艺的硅基平面微雷管，实现了在一片硅基底上换能元与装药腔体的一体化集成，相对于多层叠加结构的微雷管，轴向尺寸减小了30%以上，有助于推动安全保险机构的平面化设计。

（2）硅基平面微雷管利用SOI片的外延硅作为原位装药专用电极，相对于多层叠加结构的微雷管，简化了工艺流程，解决了微雷管结构与原位装药工艺兼容差的问题，也进一步提高了微雷管的作用可靠性。

（3）硅基平面微雷管的结构设计使得其可以采用回流焊工艺直接贴装在引信控制电路上，易于与电路集成，工艺可实现性更强。

[1] Lafont R. Pyro-MEMS technological breakthrough in fuze domain[C]//55th Fuze Conference. Salt Lake City UT：National Defense Industrial Association,2011.

[2] Burke P.,Anthory Pergolizzi.XM1156 precision guidance kit (PGK) overview[C]//54th Annual Fuze Conference. Kansas City: National Defense Industrial Association,2010.

[3] Cope R.Navy overview[C]//55th Annual Fuze Conference. Salt Lake City：National Defense Industrial Association,2011.

[4] Robert Renz. MEMS based fuze technology[C] //58th Annual Fuze Conference. Baltimore: National Defense Industrial Association,2015.

[5] Chopin Hua. Low-cost MEMS Initiator[C]//54th Annual Fuze Conference. Kansas City: National Defense Industrial Association, 2010.

[6] Xie R.Z, Ren X.M, Liu L, et al. Research on design and firing performance of Si-based detonator[J]. Defence Technology, 2014,10(1):34-39.

[7] 解瑞珍,刘兰,任小明,等.硅基微雷管的原位装药及性能研究[J].兵工学报,2014,35(12):1 972-1 977.

[8] 郭俊峰,曾庆轩,李明愉,等.叠氮化铜驱动飞片起爆HNS-IV的研究[J].火工品, 2015(6):1-4.

[9] 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.

Study on the Design of Si-based Chip Type Micro-detonator

XIE Rui-zhen，ZHANG Fan，LIU Lan，REN Xiao-ming，XUE Yan，LIU Wei

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

Si-based chip type micro-detonator was designed to meet requirement of MEMS safety and arm(S＆A), by using the special three layer structure of SOI(silicon-on-insulator). The epitaxial silicon is used as the electrode for in-situ charge, which improves the compatibility of the micro detonator structure and the in-situ charging process. The bulk silicon of SOI is used as the charge cavity, which reduces the axial size of the micro detonator and improves the integration. The performance test result shows that the Si-based chip type micro-detonator has realized the function of the ignition, and initiate CL-20 booster charge.

Micro-detonator；Energetic chip；Firing voltage；Integration

TJ45+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.01.005

2017-12-24

解瑞珍（1977 -），女，高级工程师，主要从事微小型火工品研究。

1003-1480（2018）01-0020-03