基于MEMS工艺的爆炸箔芯片与高压开关研究现状

汪 柯 唐 科 陈 楷 沈瑞琪 朱 朋

（1 南京理工大学化学与化工学院，南京 210094）

（2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

文 摘 爆炸箔起爆器作为新型高安全性和高可靠性火工品，可广泛应用于武器系统的点火起爆、飞行器以及航天器的作动分离等诸多技术领域。从火工品的集成化、小型化以及低成本的发展趋势出发，介绍了南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室基于薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺开展的关于MEMS爆炸箔芯片和高压开关的研究现状。从设计、制备、发火性能、成本等方面分析和对比了各自的特点。最后介绍了爆炸箔芯片在超压起爆以及爆电耦合等新技术领域的研究进展。

0 引言

爆炸箔起爆器（Exploding Foil Initiator，EFI），又称冲击片雷管，其发明源自金属桥箔在脉冲大电流作用下发生的电爆炸现象。自从Stroud J.R.［1］利用金属桥箔电爆炸产生的高温等离子体驱动飞片冲击起爆炸药以来，EFI在武器弹药以及航空航天等领域中已得到广泛应用。EFI 的结构包括基底、金属桥箔、飞片层、加速膛和六硝基芪炸药，如图1所示。作为一种直列式起爆器，其起爆序列不包含敏感的起爆药，且起爆电流阈值在千安倍量级，因此具有极高的抗静电、杂散电流以及射频的能力。

图1 爆炸箔芯片结构示意图Fig.1 Schematic diagram of EFI chip structure

引信的集成化、小型化和低成本的发展趋势，对爆炸箔起爆系统的综合性能提出了更高要求［2］。另一方面，由于传统EFI 起爆系统较高的成本，也阻碍了其在常规武器中的大范围应用。EFI 发火单元，即电容放电单元（Capacitor Discharge Unit，CDU），包括高压电容、高压开关以及EFI，高压开关的电阻、电感以及EFI 的结构参数设计对发火性能具有重要影响，二者是当前研究的重点［3−4］。从早期采用手工组装分立元件到采用硅半导体工艺实现元件的部分集成，再到当前采用微机电系统（MEMS，Micro−Electro−Mechanical System）设计理念和工艺方法集成制备高压开关以及EFI，技术的进步对实现EFI 的集成化、微型化和低成本具有重要意义［5］。

本文重点介绍南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室在MEMS 爆炸箔芯片和高压开关方面开展的相关工作。采用的MEMS 设计理念和工艺方法包括薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺（LTCC，Low Temperature Co−fired Ceramic）以及印制电路板工艺（PCB，Printed Circuit Board），器件形式包含高压开关、EFI芯片、开关集成爆炸箔芯片。

1 基于薄膜工艺的爆炸箔芯片、单次触发高压开关、开关集成爆炸箔芯片

薄膜工艺技术在半导体工艺技术上发展而来，包括磁控溅射、化学气相沉积、真空蒸发、刻蚀、旋涂等工艺。采用薄膜工艺制备爆炸箔芯片能够实现爆炸箔芯片各组件尺寸、厚度以及对位精度的精确控制，提高电容能量利用率。

1.1 Al2O3陶瓷基MEMS-EFI

陈楷等［6−7］基于薄膜工艺制备了Al2O3陶瓷基MEMS−EFI，其结构包括陶瓷基底、金属桥箔、聚合物飞片、SU−8加速膛。利用磁控溅射工艺在经化学清洗过的陶瓷基板上溅射沉积100 nm Wu−Ti薄膜，在Wu−Ti层上沉积3.4µm铜，利用湿法刻蚀将溅射的铜膜图形化制成爆炸箔。飞片层采用化学气相沉积工艺在爆炸箔上沉积Parylene C（PC）薄膜，再利用图形反转剥离工艺于PC薄膜上沉积Wu−Ti/Cu薄膜，以此制备复合飞片。在复合飞片上旋涂SU−8光刻胶，再利用紫外光刻技术制备具有良好侧壁和高深宽比的SU−8加速膛。制备的爆炸箔芯片实物图如图2所示［7］。

图2 爆炸箔芯片实物图和SU−8加速膛三维图Fig.2 Physical image of EFI chip and 3D image of SU−8 barrel

利用该EFI 研究了加速膛和复合飞片对EFI 起爆性能的影响。结论认为，复合飞片的速度随着发火电压的升高逐渐增大，而在相同发火电压条件下，适当减小加速膛直径可增大飞片的速度，但减小直径的同时需要适当地提高加速膛的高度，确保飞片能以其最大速度撞击炸药。

1.2 单次触发高压开关

高压开关是CDU 中影响电路性能进而影响EFI起爆性能的重要元件。徐聪等［8−12］通过多物理场仿真软件，分析了开关结构参数对开关耐压性能的影响，先后针对基于Schottky 二极管、p−n 结高压二极管、微箔触发的单次触发高压开关，研究了三者的电气特性和规律。基于微箔爆炸的单次触发高压开关工作原理示意图如图3所示［9］。开关工作前，电容C1、C2充电到相应电压，由于介电层PC 的存在，电容C2不会放电；开关工作时，闭合触发回路的开关S，电容C1放电使微箔发生电爆炸；在电爆炸冲击波作用下，介电层PC 失效，开关导通；电容C2放电，在主放电回路中形成脉冲大电流。试验证明，相比基于Schottky 二极管和p−n 结二极管的单次触发高压开关，该开关在较低的工作电压下，能够获得较高的峰值电流、较短的上升时间，输出功率更高。

图3 基于微箔爆炸的单次触发高压开关工作原理图Fig.3 Working principle diagram of planar medium high voltage switch based on micro−foil explosion

1.3 开关集成爆炸箔芯片

为了缩小放电回路的电感和电阻等参数以及发火单元体积，徐聪等［9，13−14］一体化集成制备了基于Schottky二极管、p−n结高压二极管和微箔触发的三种开关集成爆炸箔芯片。微箔触发的开关集成爆炸箔芯片的制备流程示意图如图4所示［14］。微箔触发的开关集成爆炸箔芯片作用原理图如图5所示［14］。如1.2节所述，当微箔发生电爆炸后，介质层PC被击穿，开关导通，即主放电回路导通。电容C2通过主桥箔进行放电，桥箔发生电爆炸并驱动PC−Cu复合飞片。

图4 微箔触发的开关集成爆炸箔芯片制备流程示意图Fig.4 Schematic diagram of preparation process of the switch integrated EFI chip triggered by the micro−foil

图5 微箔触发的开关集成爆炸箔芯片作用原理图Fig.5 Schematic diagram of the function of the switch integrated EFI triggered by the micro−foil

利用三种集成芯片进行点火和起爆试验，结果表明，三种集成芯片均能实现硼硝酸钾（BPN）点火和六硝基芪（HNS）起爆，最低起爆能量分别为1 400 V/0.22 µF、1 250 V/0.22 µF 和1 100 V/0.22µF。基于微箔触发的开关集成芯片的性能最佳，具有更低的触发能量，结构更加紧凑，制备工艺更加简化，样品的一致性和成品率更高。

2 基于LTCC 工艺的爆炸箔芯片、平面触发火花隙高压开关、开关集成爆炸箔芯片

低温共烧陶瓷技术，采用新型陶瓷材料实现电子元器件高性能和高集成度的封装，在电子设备的小型化、轻量化及多功能化中得到广泛应用。对于加工小尺度、微结构和定位精度方面也具有明显的优势，为实现高压脉冲功率开关的“平面化”提供了崭新的技术途径。近年来，随着LTCC 工艺的不断革新，爆炸箔点火与起爆系统中的关键元器件的设计理念和制造工艺得到不断革新，使其逐渐向微型化、集成化和低成本方向发展。

2.1 LTCC-EFI

陈楷等［6，15−16］利用LTCC 工艺制备爆炸箔芯片，芯片基底、飞片、加速膛以及装药槽结构均设计采用一层或多层陶瓷材料堆叠烧制而成。桥箔材料采用Au 或Ag。图6为LTCC−EFI 的叠层工艺示意图和实物图［6］。将该爆炸箔芯片与HNS 组装成起爆序列，HNS 药柱密度为1.60 g·cm3，尺寸为Φ4 mm×4 mm，HNS 炸药的粒度D50=1 196.6 nm，纯度为99.46%。起爆试验结果表明Au−EFI 的最低起爆电压为2.5 kV，Ag−EFI的最低起爆电压为2.8 kV。

图6 LTCC−EFI的叠层工艺示意图和LTCC−EFI实物图Fig.6 Schematic of LTCC−EFI stacking process and physical photograph of LTCC−EFI

目前，LTCC−EFI 的起爆能量仍然偏高，这是由于陶瓷材料自身的抗拉能力较弱，导致飞片在抵抗电爆炸冲击的过程中发生破碎；另一方面，由于LTCC−EFI 芯片在900 ℃下烧结而成，具有优异的耐热性能，这是LTCC−EFI可能的应用方向之一。

2.2 平面触发火花隙高压开关

张秋等［17］基于LTCC 工艺开展了平面触发火花隙高压开关（Planar Triggered Spark−Gap，PTS）的设计研究，该开关具有体积小、易集成、低成本、电感小且结构简单等优点。开关结构示意图如图7所示［17］。具体设计参数见表1。对该开关进行基本性能参数测试和发火性能验证，结果显示利用该开关使得发火回路电感降低近60 nH，电流上升时间缩短近1/2，峰值电路增加约30%。

图7 LTCC平面触发火花隙高压开关的实物图和结构示意图Fig.7 Physical photograph and structure diagrams of LTCC−PTS

表1 平面触发火花隙高压开关的电极参数Tab.1 Electrode parameters of LTCC-PTS µm

2.3 开关集成爆炸箔芯片

张 秋 等［17］利 用LTCC 工 艺 进 行LTCC−PTS 和LTCC−EFI 的集成设计，制备了开关集成爆炸箔芯片，如图8所示。结果表明该芯片开关的延迟时间为29 ns，电流输入到EFI 中的速率可达到11.7 A/ns。通过光子多普勒测速系统分析了爆炸箔飞片的速度特征，在2.25 kV/0.22µF 条件下，50µm 厚的陶瓷飞片速度达到2.2 km/s。最后，使用该芯片成功实现BPN点火和HNS起爆。

图8 基于LTCC工艺的开关集成爆炸箔芯片Fig.8 Switch integrated EFI chip based on LTCC process

3 基于PCB工艺的爆炸箔芯片、平面触发火花隙高压开关、开关集成爆炸箔芯片

PCB工艺是一种能够以低成本批量制备电子线路的成熟技术，既是电子元器件，又是电气连接的提供者，支持组件和功能的模块化集成。PCB工艺尤其适合多层板的制作，加大了设计灵活性，缩小装置体积，适合用于批量研制各种机电结合的芯片装置。采用PCB工艺研制了平面触发火花隙高压开关、EFI芯片以及PTS集成EFI芯片，极大促进爆炸箔技术的应用和发展。

3.1 PCB-EFI

杨智等［18］基于桥箔电爆−飞片加速−冲击炸药的界面能量耦合关系，确定了EFI的组件结构参数，在此基础上采用PCB工艺批量制备EFI，其层压工艺如图9（a）所示。在厚2 mm覆铜箔层压板的Top层，采用光刻工艺制备Cu桥箔，桥区尺寸为400µm×400µm×5µm；在PCB−1和PCB−2之间放置半固化片，对位后通过加压热压的层压工艺将两块基板牢牢压合；压合后的基板，采用光刻工艺制备底部焊盘；依次采用机械钻孔和沉铜工艺制备过孔；采用钻孔工艺制备加速膛和药柱室，并且预留出一定厚度的飞片层，其中FR−4飞片和FR−4 加速膛的尺寸分别为Ф600µm×75µm 和Ф600µm×400µm。制备的PCB−EFI芯片实物如图9（b）所示，单个芯片尺寸为7.0 mm×4.5 mm×4.0 mm。Cu桥箔以及PCB−EFI的形貌如图10所示［18］，结果表明PCB工艺满足精度要求。

图9 PCB−EFI的层压工艺示意图和PCB−EFI实物图Fig.9 Schematic of PCB−EFI lamination process and physical photograph of PCB−EFI

图10 PCB−EFI的桥箔和芯片形貌图Fig.10 Bridge foil and chip topography of PCB−EFI

3.2 平面触发火花隙高压开关

杨智等［19−20］借助PCB工艺加厚PTS的电极厚度，保证制备的PTS 具有较高的耐烧蚀能力，可以重复使用。采用PCB 工艺设计的开关结构如图11所示［19］。图12为开关的层压工艺示意图和压合后的开关实物图。压合后的空腔为密封结构，从而保证开关芯片在不同环境工作时导通性能的一致性［19］。

图11 开关结构示意图和电极结构示意图Fig.11 Diagrams of switch structure and electrode structure

图12 PCB−PTS的层压工艺示意图和PCB−PTS实物图Fig.12 Schematic diagram of PCB−PTS lamination process and physical photograph of PCB−PTS

对于主间隙为0.9 mm 的开关，在0.22 µF/1.25 kV 短路放电条件下，回路电流上升时间为155.1 ns，峰值电流为2.10 kA，满足爆炸箔技术的使用要求。

3.3 开关集成爆炸箔芯片

为测试PCB−PTS 和PTS−EFI 芯片的实际工作性能，将两者联合用于发火试验。在0.22µF/1.50 kV发火条件下，成功点燃BPN。在0.40µF/1.80 kV 发火条件下，实现了HNS 的起爆。图13（a）所示为采用分立的PCB−EFI和PCB−PTS的电容放电单元。利用PCB 工艺进行PTS 和EFI的集成制备，可以进一步提高发火系统集成度，缩短发火回路。基于PCB 工艺的开关集成爆炸箔芯片如图13（b）所示，高压开关和爆炸箔芯片集成在PCB 板内部，进一步缩小了发火单元尺寸。

图13 基于PCB−EFI＆PCB−PTS 的电容放电单元Fig.13 Capacitor discharge unit based on PCB−EFI＆PCB−PTS

4 集成芯片发火数理模型

爆炸箔发火回路的等效电路图如图14所示［9］，L、R为集成芯片的电感、电阻，Lpara、Rpara为发火回路的寄生电感、电阻。

图14 爆炸箔发火回路的等效电路图Fig.14 Equivalent circuit diagram of CDU

令L0=Lpara+Lc，R0=Rpara+Rc，根据基尔霍夫定律可得：

集成芯片的电感和电阻分别为桥箔、开关的电阻和电感之和。

开关导通过程中的动态电阻如式（4）～（5）所示。桥箔在电爆过程中经历固态、液态、气态以及等离子体的相态变化，其计算式如（6）～（10）所示。

通过基尔霍夫方程的差分格式，可以获得任意时刻的电流值。

利用式（11）获得的电流曲线和电压曲线进行积分，得到桥箔能量沉积曲线。结合式（13）即可得飞片速度曲线。利用式（14）计算飞片动能，与临界起爆能量Ekin，cr比较，即可判断炸药能否被起爆。

5 MEMS-EFI的新技术

5.1 超压起爆

为满足钝感弹药的发展要求，同时为提高爆炸箔起爆系统能量利用效率、实现起爆系统的小型化和集成化。张秋等［21］开展了爆炸箔超压芯片集成设计研究，采用串联和串−并联这两种方式将多个爆炸箔集成在一起形成爆炸箔超压芯片，两种类型的芯片结构设计流程图如图15所示［21］。

图15 串−并联爆炸箔超压芯片和串联爆炸箔超压芯片Fig.15 Serial−parallel type and serial type EFI overpressure chip

利用多个爆炸箔驱动多个飞片冲击起爆多个HNS 药柱，使其产生的爆轰波相互碰撞形成马赫反射，并在中心区域形成超压，使得局部爆轰波压力超过钝感炸药的起爆阈值，从而达到起爆钝感炸药的目的。其作用过程原理图如图16所示［21］。

图16 爆炸箔超压芯片作用过程原理图Fig.16 Schematic diagram of the action process of the EFI overpressure chip

试验结果表明，在相同电路参数条件下，串−并联型超压芯片的总爆发能量和能量利用率都要比串联型超压芯片高近1/2，串−并联型超压芯片飞片的出口速度比串联型要高约1 000 m/s，串−并联型超压芯片飞片速度的一致性和飞片冲击起爆的同步性更好。利用该超压芯片起爆4 个Φ4 mm×2 mm 的HNS药柱，并在药柱输出端面放置Al鉴定块，通过凹坑深度判断冲击波的碰撞和汇聚。如图17所示，为超压起爆CDU以及超压起爆输出结果表征［21］。

图17 超压起爆CDU以及输出结果表征图Fig.17 The overpressure initiation CDU and the characterization of the output results

利用激光共聚焦显微镜测量中心点的凹坑值为0.57 mm，而单个HNS 药柱起爆的凹坑值为0.32 mm。由此可知，四点起爆时，冲击波在中心处发生碰撞形成反射，使得中心处压力达到炸药稳定爆轰压力的数倍。从而证明了爆炸箔超压芯片能实现多个爆轰波的相互碰撞，为后期马赫反射压力的研究奠定了基础。

5.2 爆电耦合

为了进一步提高爆炸箔芯片的飞片发射能力，扩展其在冲击动力学领域中的应用。汪柯等［22］利用金属电爆炸和电爆炸等离子体放电耦合的原理实现飞片的二次加速。利用MEMS 工艺制备芯片的基底、桥箔和飞片，利用PCB 工艺制备内嵌电极的加速膛，将二者进行精确对位键合，制备的飞片发射器如图18所示［22］。图19所示为爆电耦合加速飞片的原理示意图［22］。高压开关作用前，电容C1和C2被充电到指定电压。当高压开关被触发，回路产生脉冲大电流I1，金属桥箔发生电爆炸，电爆炸产生的等离子体射流驱动飞片沿加速膛运动，同时电容C2通过等离子体进行放电，二次回路产生脉冲大电流I2，等离子体发生类似“爆炸”现象，由此产生的冲击波再次加速飞片。

图18 飞片发射器实物图以及结构示意图Fig.18 Physical photograph and schematic diagram of the mini flyer launcher

图19 金属电爆炸和等离子体放电耦合加速飞片原理图Fig.19 Schematic diagram of metal electric explosion and plasma discharge coupling accelerating flyer

在C1和C2分别为0.22 µF/1 200 V 和0.4 µF/1 000 V 条件下，飞片速度曲线如图20所示［22］。爆电耦合条件下，飞片速度增加了16.39%，飞片动能增加了35.20%。

图20 爆电耦合条件下的飞片速度曲线Fig.20 Flyer velocity curve under electric explosion and plasma discharge coupling

6 结语

介绍了基于3 种工艺的爆炸箔芯片及高压开关的制备流程以及性能表征。Al2O3基MEMS−EFI 及其开关，发火能量稳定，价格适中；LTCC−MEMS−EFI 及其开关适用于高温工作环境；PCB−MEMS−EFI 及其开关起爆能量相对较高，但由于可以采用PCB 工艺一体化制备，抗高过载能力强，而且价格十分低廉，适合大规模应用。

基于薄膜工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺的MEMS−EFI 及高压开关的制备工艺已经日臻完善，试验结果表明爆炸箔芯片以及高压开关的性能均能满足点火起爆系统的要求，金属电爆炸、飞片冲击起爆以及介质放电等基础理论逐渐成熟。总的来说，这三类爆炸箔芯片及高压开关均实现了爆炸箔起爆系统小型化、集成化、平面化以及低成本的发展目标。目前，MEMS−EFI亟待大范围的推广应用，相关工作包括爆炸箔起爆系统与上级系统的匹配、环境和可靠性试验等内容正在开展。