不同桥区结构MEMS爆炸换能元电爆性能研究

王 锋，侯新鹏，彭志凌

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

0 引言

爆炸换能元是指应用在爆炸箔起爆系统中的薄膜换能元，薄膜换能元作为微机电系统(micro electro-mechanical systems, MEMS)火工品的核心部件,采用薄膜工艺制备成型，是MEMS火工品安全性和可靠性的重要影响因素。火工品作为起爆与点火的始发元件，其性能直接影响整个武器系统的安全性和可靠性。薄膜换能元作为MEMS火工品的核心部件,一般采用金属薄膜材料或半导体材料制作的平面电阻，作用时通过输入电流产生热量，并以焦耳热的形式传递，最终实现与含能药剂发生效应，完成起爆作用。

如今随着MEMS微型化技术的不断发展，对于薄膜换能元也提出了更高的要求，新一代薄膜换能元朝着微型化、尺度化发展，同时要求其电爆时具有较高的输出能量以及较快的响应速度。在电爆系统中，换能元桥箔充当着十分重要的作用，它既是实现能量转换的载体，也是换能元起爆序列传送的枢纽。

为优化薄膜换能元性能，大量的学者对基底材料、桥箔材料与桥区结构等进行了研究，但对不同桥区结构的对比研究较少。因此，通过对不同桥区结构薄膜换能元进行仿真分析，并搭建样机进行换能元电爆性能测试，揭示薄膜换能元电爆特性受桥区结构的影响规律。

1 薄膜换能元桥区结构仿真研究

1.1 薄膜换能元桥区结构的设计

设计以方形、六边形、曲线形以及倒V形这4种典型桥区结构，来探究不同桥区结构对薄膜换能元电爆发火性能的影响。设计的薄膜换能元以Pyrex7740玻璃作为基底材料，选用铜作为桥箔材料，桥箔整体长5 mm，宽3 mm。设计4种桥区结构如图1所示，桥区结构位于桥箔中心区域，桥区两侧为桥翼，以方形桥区结构(边长0.3 mm)作为整体结构的基础桥形，进而在基础桥形进行不同结构的变换。基础桥区的中心宽度距离保持不变，将桥区两边长度缩短至0.1 mm，得到六边形桥区结构；基础桥区两侧距离保持不变，将桥区上下中心的长度缩短至0.2 mm，做圆弧半径为0.125 mm的弧，得到曲线形桥区结构；基础桥区两边长度保持不变，将桥区中心的距离缩短至0.1 mm，得到倒V形桥区结构。

图1 桥区结构(单位：mm)

1.2 桥区结构电热仿真

薄膜换能元起爆机理过程包含了桥区由固态经过液态、液态经过气态、最后气态向等离子态转化的复杂物理形态变化，其中换能元桥箔桥区是其发火部位，影响整体的发火特性。由于桥区部位占比整个桥箔尺寸非常小，为了更好的探究不同桥区结构换能元发火的差异性，去除桥区结构两侧的桥翼，在COMSOL软件进行电爆过程初期阶段固体状态下的焦耳热仿真，细致观察不同桥区结构通电后的热量分布以及桥区最高温度，分析不同桥区结构对薄膜换能元电爆性能的影响。

对于在极短电爆时间内发生相变的桥箔，不考虑桥箔表面发生的趋肤效应，忽略不稳定因素，压力环境设定为常压，考虑与周边空气的散热作用，取热通量对流换热系数为5 W/(m·K)，使用瞬态求解器进行计算。设定仿真初始温度为300 K，在桥箔一端施加接地约束，桥箔另一端施加800 V的交流电进行简化计算，桥箔材料Cu与基底材料Pyrex7740玻璃的参数如表1所示，仿真结果如图2所示。

表1 两种材料的物理参数

图2 桥区电热仿真结果(t=0.05 μs)

根据仿真结果可得，方形桥区结构流固热交换位置发生在桥区中心，由于方形桥区结构未作局部处理且桥区结构简单，通电时热量发生叠加导致桥区中心温度最高，热量聚集在桥区中心向四周扩散，故中心位置最先发生流固热交换，同时整个桥区热量分布均匀。六边形桥区结构通电后流固热交换部位发生在桥区两侧，不在桥区中心。曲线形桥区结构流固热交换部位既不发生在桥区中心，也不发生在桥区两侧，而在桥区曲线圆弧处，分析是由于该桥形结构特点造成的，曲线形桥区结构通电后先在桥区中心上下两侧发生流固热交换，随着通电时间的增加，热量累积从而导致桥区圆弧处温度最高。倒V形桥区结构在桥区中心拐角处发生热量聚集，因为桥区中心距离最窄，通电过程中经过桥区结构拐角处的电流密度最大，在该部位产生的热量最多且热量集中，最容易发生断桥。

六边形桥区结构与倒V形桥区结构通电时的热量明显高于方形桥区结构与曲线形桥区结构，倒V形结构桥区中心距离最短，中心拐角位置产生的热量最多并且集中，故与方形桥区结构相比，倒V形桥区结构电爆响应时间短，升温速率快，电爆前期阶段产生的热量多。仿真过程中4种桥区结构升温曲线如图3所示。

图3 不同桥区结构升温曲线

通过仿真结果以及升温曲线分析，在4种桥区结构中，倒V形桥区结构的电爆发火性能最好，爆发时输出能量高，响应速度快；方形桥区结构电爆性能稳定，电爆前期阶段产生的热量分布均匀，响应速度较慢；六边形桥区结构升温从两侧拐角开始，向四周扩散到整个桥区，其电爆前期阶段产生的最高温度大于方形桥区最高温度，升温速率也快于方形桥区升温速率，故六边形桥区结构电爆发火性能比方形桥区结构好；曲线形桥区结构在圆弧处发生热量聚集，通电后生成能量较低，电爆性能最差。

2 电爆试验测试

2.1 桥区结构试验测试系统

电爆试验系统由高压电容、控制芯片、高压触发开关、脉冲功率源以及高压探头示波器等组成，薄膜换能元电爆测试系统如图4所示。

图4 电爆测试系统

理想状态下的电爆试验系统整个回路中除了薄膜换能元这一负载，电路中再无其它电阻以及电感，高压电容提供的脉冲能量全部作用于薄膜换能元上，使电爆系统平稳运行。但在实际系统中，脉冲功率源、高压电容等都存在一定的电阻和电感。所以，当高压电容将充电储存的能量对薄膜换能元负载进行放电时，可以把整个电路等效简化成一个RLC串联电路，如图5所示。此测试系统采用12 VDC输入、对高压电容的充电电压范围500～2 500 V、回路等效电阻183 μF、等效电感230 nH，测试系统满足薄膜换能元电爆性能设计要求。

图5 电爆等效回路

2.2 试验结果

将4种典型桥区结构换能元分别接入测试系统进行电爆试验，设定充电电压为1 000 V，试验结果如图6所示。

图6 桥区结构试验结果

由试验结果可知：电爆系统运行时，高压电容瞬间释放能量输出到换能元桥箔，进入电爆过程初期阶段，随着温度上升，桥箔两端的电阻不断增加，两端电压也不断增加，电流也开始逐渐增加；当桥箔进入汽化阶段，电阻急剧增大，电压也急剧增大，定义电压最大时刻为爆炸时刻，因此电压曲线有十分明显的突起，此时电流曲线会出现短暂的凹陷，随着气体电离产生等离子体，等离子体具有导电性，故电压又逐渐下降。电流曲线由于等离子体的产生从凹坑处数值上升恢复正常，随着电爆结束逐渐下降为零。

电压曲线零纳秒出现峰值与电爆机理不相符，分析原因是由于测试系统放电前期，回路系统振荡波动，过几纳秒之后曲线趋于稳定，平整无毛刺。根据试验结果曲线数据，选取换能元充电电压、爆发电压、爆发电流、爆发时刻等参数进行研究，其不同结构换能元电爆炸参数如表2所示。

表2 不同桥区结构电爆性能参数

由表2可知，倒V形桥区结构电爆过程中的爆发电压、电流最大，同时爆发响应时间最短，其电爆性能最好。曲线形桥区结构电爆过程中的爆发电压、电流最小，爆发响应时间也最长，其电爆性能最差。方形桥区结构爆发电压与六边形桥区结构爆发电压相差不大，由于方形桥区结构简单，通电时热量发生叠加向四周扩散，电爆过程中整个桥区热量分布均匀，故方形桥区结构的爆发电流小于六边形桥区结构，爆发响应时间比六边形桥区结构滞后。六边形桥区结构电爆性能好于方形结构，二者性能差距不大，与电热仿真结果一致。

定义曲线图电压峰值为换能元爆炸时刻，当爆炸时间与电流曲线峰值时间差值Δ越小，说明换能元电爆过程中的能量损耗越小，能量利用率越高。故这4种桥区结构中，倒V形桥区结构电爆时能量利用率最高，六边形桥区结构能量利用率比方形桥区桥结构高一些，曲线形桥区结构的能量利用率最低。

3 结论

对于微结构薄膜换能元来说，其桥区尺寸在微米量级，其结构对薄膜换能元电爆性能有重大影响。贴合实际设计4种典型桥区结构，来探究桥区结构对薄膜换能元电爆性能的影响。经过仿真与试验结果表明：

1)不同桥区结构最先发生流固热交换的位置不同，即桥区热量集中的位置不同，其中方形桥区结构热量集中在桥区中心，六边形桥区结构热量集中在桥区两侧，曲线形桥区结构热量集中在桥区曲线圆弧处，倒V形桥区结构热量集中在桥区中心拐角处。

2)不同桥区结构对薄膜换能元的电爆性能具有显著影响，倒V形桥区结构爆发响应时间最短，电爆性能最好；曲线形桥区结构爆发响应时间最长，电爆性能最差；方形桥区结构爆发响应时间比六边形桥区结构滞后，六边形桥区结构电爆性能优于方形桥区结构。