陳 飛 周 彬 秦志春 李 敏

南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094) 武警上海政治學(xué)院(上海，200433)

李 鵬

武警江蘇總隊無錫支隊(江蘇無錫，214071)

引言

半導(dǎo)體橋火工品，是指利用半導(dǎo)體膜(或金屬—半導(dǎo)體復(fù)合膜)做發(fā)火元件，進而發(fā)展為利用微電子集成技術(shù)，使火工品具有邏輯控制功能的一類火工品，它是一種新技術(shù)的電火工品，具有發(fā)火能量低、體積小、作用迅速、工藝一致性好、易與電路匹配等優(yōu)點，且具有一定的防靜電、防射頻能力[1]。國內(nèi)經(jīng)過二十多年的研究，已經(jīng)有了自己的SCB產(chǎn)品，正在向?qū)嵱秒A段發(fā)展。但是近年來靜電放電危害的日益突出和電磁環(huán)境的不斷惡化，作為一種電火工品，特別是發(fā)火能量較小的半導(dǎo)體橋(發(fā)火所需能量1 mJ以下)，仍然還是會受到靜電、電磁波的影響，可能會造成火工品的早炸或性能下降(如發(fā)火延遲、鈍感等)，因此有必要采取一定的技術(shù)措施，來進一步增強其防靜電、防射頻能力。

1 電火工品常用的防靜電、防射頻方法

1.1 靜電防護措施

電火工品靜電防護的傳統(tǒng)措施包括：在橋絲周圍增加一個絕緣環(huán)[2]；在點火藥外表面涂一層耐高壓的絕緣漆膜或涂導(dǎo)電膠在插塞外表面；采用泄放通道，泄放通道通常采用空氣介質(zhì)，其位置應(yīng)遠(yuǎn)離藥劑，在插塞中腳線的尖端或彎曲部分與殼體之間；在電火工品腳與殼之間并聯(lián)靜電泄放元件(如微型泄放電阻、微型二極管、微型氖燈)，以泄放靜電[3]；采用半導(dǎo)體材料作電極塞等方法。

1.2 射頻防護措施

傳統(tǒng)的加固技術(shù)包括：屏蔽，利用金屬盒、金屬網(wǎng)等屏蔽體將電火工品及其相關(guān)發(fā)火電路包圍起來，盡量減少進入火工品的電磁能量的一種抑制干擾措施[4]；低通濾波器，其目的是為了減少耦合到電火工品中的電磁能量，能夠提供期望的衰減值而不影響正常發(fā)火；采用羰基鐵與鐵氧體衰減材料、防靜電阻隔材料和復(fù)合導(dǎo)線等方法。

上述電火工品常用的防靜電、防射頻方法，雖然在一定程度可以起到抗電磁的作用，但都存在著一些缺陷與不足，如：泄放通道不能確保完全泄放雜散靜電；由于外殼的不連續(xù)，要想做到無縫隙的屏蔽很難，使得電磁能量或多或少的能進入到武器系統(tǒng)中；低通濾波器使用的都是分立元件，造成火工品的體積質(zhì)量增加，同時傳統(tǒng)的低通濾波器是可以通過直流或其它低頻信號的，這樣就不能過濾掉能使火工品偶然發(fā)火的低頻信號。

2 SCB火工品防靜電、防射頻技術(shù)

SCB火工品可以采用上述的電火工品靜電和射頻的加固技術(shù)，但因其能與數(shù)字邏輯電路相結(jié)合，并可在半導(dǎo)體芯片上集成防靜電、防射頻裝置，它的靜電和射頻加固技術(shù)又有著自身的特點。國內(nèi)外在這方面做了很多的研究，總的來說包括以下幾種。

2.1 采用防靜電、防射頻器件或外包裝材料

采用防靜電、防射頻器件對火工品進行防護，通用于電火工品以及SCB火工品，但考慮到減小聯(lián)接后整個火工品的體積，以及后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等原因，目前主要是針對SCB火工品進行研究的。

2.1.1齊納二極管

它主要由絕緣基片上重?fù)诫s的多晶硅橋和并聯(lián)的齊納二極管構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。齊納二極管(又叫穩(wěn)壓二極管)，是利用PN結(jié)反向擊穿特性所表現(xiàn)出的穩(wěn)壓性能制成的器件，具有箝位電壓的特性。在臨界反向擊穿電壓前，二極管是具有很高電阻的半導(dǎo)體器件，但在這臨界點擊穿之后，電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。

圖1 集成齊納二極管的SCB

美國專利USP5179248和USP5672841中分別提到用齊納二極管進行腳—腳之間的射頻防護和腳—殼間的靜電防護[5-6]。齊納二極管可以使電壓箝位到某一固定值，從而保護腳—腳與腳—殼間不被擊穿而發(fā)火，它所能承受的靜電電壓值為6000～25000 V。如果將其用于腳—殼間防靜電，不僅能起到防靜電的作用，同時還解決了發(fā)火能量通過該結(jié)構(gòu)損失的問題。齊納二極管一般用于電路中來防止作用時間短、電壓幅度高、瞬態(tài)能量大的瞬態(tài)干擾能量對火工品的干擾。

如果進入SCB火工品中的電壓高于發(fā)火電壓而低于鉗位電壓，就有可能導(dǎo)致火工品誤作用；且由于其吸收的能量較小，容易出現(xiàn)過熱情況，如果電壓低于發(fā)火電壓而達(dá)到一定值時，此能量就會在橋絲上不斷產(chǎn)生熱積累，從而導(dǎo)致SCB火工品瞎火。

2.1.2雙極性二極管

雙極性二極管是一種新型的防靜電放電和防射頻放電的保護裝置，在2001年的JOURNAL OF PROPULSION AND POWER論文中提到一種用兩個肖特基二極管背靠背連接，直接集成到SCB火工品的橋區(qū)內(nèi)的方法[7]。它主要還是利用其二極管具有箝位電壓的特性，使其兩端的電壓箝位在一固定值。其缺點包括電流負(fù)荷能力低；二極管所能承受的瞬時脈沖是不重復(fù)的單一脈沖，若實際電路中出現(xiàn)重復(fù)性脈沖則會失效。

2.1.3其它的防護器件

除了以上的技術(shù)措施，研究者也對其它一些防護器件開展了研究，如采用氣體放電管、壓敏電阻、TVS二極管、半導(dǎo)體放電管、熱敏電阻和磁珠[8]等。南京理工大學(xué)的周彬、秦志春等人對半導(dǎo)體放電管、熱敏電阻以及磁珠等防護器件的性能進行了深入研究[9]，目前已經(jīng)通過了其性能的實驗驗證，正在努力減小火工品整體的體積和優(yōu)化制造工藝，向?qū)嵱秒A段發(fā)展。

例如半導(dǎo)體放電管(也稱固體放電管)，是基于可控硅的原理和結(jié)構(gòu)的一種二端負(fù)阻器件，是SGS-THOMSON公司于1989年首先推出的[10]。它是一種PNPN元件，可以被看作是一個無門電極的自由電壓控制的可控硅，主要用于SCB火工品的靜電防護。當(dāng)靜電電壓超過它的雪崩電壓時，半導(dǎo)體放電管由于負(fù)阻效應(yīng)進入導(dǎo)通狀態(tài)，吸收大量的靜電電壓，使SCB火工品兩端的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護火工品免受靜電放電的損壞。而當(dāng)靜電電壓小于它的雪崩電壓時，放電管又會恢復(fù)到它的高阻抗?fàn)顟B(tài)，不影響火工品的正常作用。

熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。它是由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，溫度會引起電阻的變化[11]，主要用于SCB火工品的射頻防護。當(dāng)SCB火工品受到射頻能量沖擊時，其溫度會逐漸升高。當(dāng)溫度上升到一定值時，熱敏電阻會感應(yīng)到這個高溫，它的阻值會迅速地變小，和SCB火工品并聯(lián)時就可以分走大量的電流，從而對火工品起到保護作用。當(dāng)射頻能量過后，電路電壓恢復(fù)正常，熱敏電阻又會很快地恢復(fù)原來的高電阻狀態(tài)，使得線路正常運行。

2.1.4火工品防靜電、防射頻包裝材料

山西北方晉東化工有限公司將油爐法炭黑和聚乙烯樹脂混煉造粒，得到半導(dǎo)電粒子，經(jīng)三層共擠吹膜工藝和電暈處理技術(shù)，制得表面能抗電磁的聚乙烯薄膜[12]。該薄膜可與其它基材可靠復(fù)合成機械物理性能優(yōu)異的防靜電軟塑包裝復(fù)合材料，起到良好的靜電、電磁和機械物理防護作用。該材料集高阻氣性、高機械強度于一體，體質(zhì)柔軟，不僅可以熱合封口，也可以機械封口，而且價格低廉，適用范圍廣。

2.2 對SCB火工品的芯片進行改進

這是SCB火工品防靜電、防射頻專用的技術(shù)，不適用于其它的電火工品，因為它需要對SCB芯片進行改進，所以對生產(chǎn)工藝水平的要求也比較高。

2.2.1具有介電層的SCB

它是在金屬焊接區(qū)和橋區(qū)間增加了一個介電層，這個介電層有特定的擊穿電壓(可在10～1000 V之間)[13]。低于其擊穿電壓的雜散電勢可以被封堵住，而高于擊穿電壓的電壓，會擊穿介電層，使電流流到SCB上，從而產(chǎn)生等離子體，引爆藥劑。介電層的厚度和它的介電率決定其介電強度，通過選用不同的介電材料以及采用不同厚度的介電層，能對介電層的擊穿電壓進行調(diào)控。其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 帶有電壓保護的半導(dǎo)體橋

介電層采用的介電材料是電的絕緣材料，當(dāng)它處于金屬焊接區(qū)和橋區(qū)之間時，作用相當(dāng)于電容器。由于介電材料的種類很多，所以介電層的擊穿電壓易于控制；介電層是集成在半導(dǎo)體芯片上，并沒有增加火工品的體積，它可以用于防止連續(xù)不斷的小能量的射頻干擾。

2.2.2帶有非線性電阻的SCB

當(dāng)電阻兩端的電壓與流過的電流不成比例關(guān)系時，伏安特性就會是條曲線，電阻不是一個常數(shù)，隨電壓、電流而變動，稱之為非線性電阻。帶有非線性電阻的SCB火工品裝置是由絕緣導(dǎo)熱基片上兩段蛇形金屬薄膜電阻和中間蝴蝶結(jié)形半導(dǎo)體橋電阻串聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[14-15]。

圖3 帶非線性電阻的半導(dǎo)體橋

施加給SCB火工品的電信號，在薄鋁層上被轉(zhuǎn)換成歐姆熱，在蛇形電阻區(qū)域?qū)W姆熱傳導(dǎo)到底座中并耗散掉。殼體應(yīng)該是好的熱導(dǎo)體，將熱量耗散掉。與此同時，耦合到SCB火工品中的射頻信號在蝴蝶結(jié)區(qū)域會被衰減，這兩種作用加起來，可以使蝴蝶結(jié)區(qū)域保持較低的溫度，防止電火工品因射頻而意外發(fā)火。但是為了起爆這個火工品，必須使用具有足夠長周期的發(fā)火電流，這樣也增加了其發(fā)火電流。

2.2.3結(jié)型半導(dǎo)體橋火工品

結(jié)型半導(dǎo)體是一種新型、單片固態(tài)式的結(jié)構(gòu)，主要是對SCB芯片結(jié)構(gòu)與摻雜濃度進行了改進，該結(jié)構(gòu)對靜電和射頻放電鈍感，并且由于產(chǎn)生了背靠背二極管，裝置可以形成直流封堵[16]。典型的結(jié)型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 結(jié)型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡圖

將330 μm厚的n型硅襯底兩面拋光并清潔干凈，接著將其插入到擴散爐中以使得p型摻雜劑擴散到襯底的頂部和底部。這個擴散的p+區(qū)域在襯底的兩面和n型硅區(qū)域構(gòu)成了pn結(jié)，形成了背靠背二極管。然后把金屬淀積到裝置的兩面以形成電接觸，構(gòu)成金屬電極，最后再將n型硅襯底裁剪成如圖4所示的正方形形狀。這樣便形成了結(jié)型半導(dǎo)體芯片。

2.2.4改變半導(dǎo)體橋的形狀結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體橋的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，SCB的電爆性能也將隨之發(fā)生改變。改變橋中間尖角的角度為60°或120°，減小尖角的深度和尖角的數(shù)量，有利于防止SCB在電磁能量作用下的誤起爆[17]。但是這也同時增加了SCB火工品的發(fā)火時間和發(fā)火能量，所以只有在對火工品的防靜電、防射頻要求極高，而對發(fā)火時間和發(fā)火能量不作要求的特殊情況下，才可以采用這種方法。

2.3 與微電子電路相連接的SCB火工品

2.3.1在SCB芯片上集成電路

因為SCB芯片是用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝制造的，所以可以把精密電路集成安裝到它上面。這個電路不光可以對火工品進行靜電和射頻的防護，還包括時間延遲，可以在現(xiàn)場工程師指定的確切時間下，通過電腦控制使得SCB發(fā)火。這種“靈巧”的SCB火工品只產(chǎn)生極小的發(fā)射振動，并可以有效地進行碎石，很好地滿足了爆炸工程的需要。

可以將該火工品設(shè)計到獨特的起爆系統(tǒng)中，這個起爆系統(tǒng)還包括編程器(Logger)和起爆器(Blaster)[18]，帶有微電子電路的SCB火工品只有接收到一個特定的數(shù)字代碼，才能夠開始起爆、工作，但只有起爆器才能產(chǎn)生該數(shù)據(jù)代碼，所以即使火工品直接連接到編程器，也不會起爆作用的。

2.3.2設(shè)計保護外電路

SCB點火系統(tǒng)中的保護電路也很重要[19]。在突然受到大能量的電磁干擾時，保護電路可瞬時導(dǎo)通，將大部分具有破壞能力的能量泄放掉，從而使SCB火工品受到保護，避免發(fā)火。具體有火花隙、 電抗平衡電橋電路等。

3 研究展望

文中提出了SCB火工品的三類防靜電、防射頻的方法，其中：

(1)采用防護器件進行靜電和射頻防護的方法，僅僅是把具有抗電磁性能的電子元器件與火工品進行聯(lián)接，可以采用牢固而經(jīng)濟的電極標(biāo)準(zhǔn)密封回流技術(shù)，比焊線和模片鍵合技術(shù)要簡潔、便宜得多，并不影響火工品原有的生產(chǎn)工藝與性能，簡單而方便，是目前SCB火工品防靜電、防射頻的主要研究方向。但是它會增加火工品的體積，且具體防護范圍的調(diào)節(jié)性差，防護器件本身也有著防護的局限性和缺點，如何對其進行改進，在特定的電磁環(huán)境下進行防護，達(dá)到實用的階段，還有待繼續(xù)研究。

(2)對SCB火工品的芯片進行改進，進行靜電和射頻防護，其防護精度高，易調(diào)控，且不增加火工品體積，是SCB火工品防靜電、防射頻的一個重要的研究方向。但是由于其制造工藝較復(fù)雜，目前國內(nèi)還沒有專門的生產(chǎn)線，制造成本很高，現(xiàn)在還停留在實驗階段。

(3)利用微電子保護電路，對SCB進行集成的技術(shù)，具有作用精確、不增加火工品體積、大量推廣后制造成本低、易于大批量生產(chǎn)、工藝一致性好等一系列優(yōu)點，且它還可以與后續(xù)的起爆序列進行設(shè)計，可以在直列式起爆序列中得到應(yīng)用，是SCB火工品靜電和射頻防護研究的最重要、最具有應(yīng)用前景和實際價值的一個方向。

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民爆專利信息

專利名稱：用于制造可追蹤彈藥的工藝

專利申請?zhí)枺篊N200480044245.9公開號：CN101065639

申請日：2004.10.14公開日：2007.10.31

申請人：巴西卡圖休斯巴西公司

本發(fā)明涉及一種用于制造標(biāo)以一系列字符的彈藥的工藝，所述一系列字符允許識別多個數(shù)據(jù)項，由于所述一系列字符被激光雕刻在所述彈藥的一個或多個部件中，因而在收回所述彈藥的雕刻部件(即使其已被用過)時，提供了明確的標(biāo)識。

專利名稱：熱泵式火藥烘干方法及裝置

專利申請?zhí)枺篊N200710027380.8公開號：CN101050155

申請日：2007.03.29公開日：2007.10.10

申請人：廣州市科偉電氣有限公司

本發(fā)明熱泵式火藥烘干方法及裝置屬于干燥領(lǐng)域，特別是涉及一種火藥的烘干方法及裝置，它是利用干燥的熱風(fēng)來烘干煙花火藥，空氣經(jīng)過熱泵進行除濕干燥，并加熱升溫，風(fēng)機將干燥的熱空氣經(jīng)過風(fēng)管輸送進入烘房的烘籠底部，烘房內(nèi)設(shè)置有烘籠，干燥的熱空氣從烘籠的底部向上穿過烘格,烘籠由烘籠座和烘格組成，在烘格內(nèi)放置煙花火藥，在烘房的頂部設(shè)置有排濕窗，水分從排濕窗排出烘房。采用熱泵加熱干燥空氣，完全保證了安全生產(chǎn)，符合安全生產(chǎn)的要求，干燥速度快，烘干效率高，節(jié)約能源，有效地降低了成本。

專利名稱：新型底排藥

專利申請?zhí)枺篊N200710011372.4公開號：CN101050156

申請日：2007.05.21公開日：2007.10.10

申請人：沈陽理工大學(xué)

新型底排藥，由環(huán)氧乙烷/四氰呋喃共聚醚、三羥甲基乙烷三硝酸脂、高氯酸銨、多異氰酸酯、碳酸鉛、硝化棉、三苯基鉍組成，其配方的質(zhì)量百分比為：環(huán)氧乙烷/四氰呋喃共聚醚6.5%～7.5%、三羥甲基乙烷三硝酸脂14%～18%、高氯酸銨70%～75%、多異氰酸酯2%～3%、碳酸鉛1.0%～1.5%、硝化棉0.1%～0.2%、三苯基鉍0.1%～0.2%。本發(fā)明與現(xiàn)有底排藥相比，其特點在于采用含硝酸酯增塑聚醚為粘合劑，由于羥勁甲基乙烷三硝酸酯具有較高的比容，因此，可產(chǎn)生大量的氣體，并且羥勁甲基乙烷三硝酸具有較低的感度，可滿足過載發(fā)射的安全要求。

專利名稱：高能型粉狀乳化炸藥及其制備方法

專利申請?zhí)枺篊N200610039233.8公開號：CN101045662

申請日：2006.03.31公開日：2007.10.03

申請人：南京理工大學(xué)、安徽盾安化工集團有限公司

本發(fā)明涉及一種高能型粉狀乳化炸藥及其制造方法。所述炸藥由質(zhì)量百分比的下列組分：硝酸銨87%～93%、防結(jié)塊劑0.01%～0.80%、油相材料2%～5%、固態(tài)可燃物0.1%～4.0%、乳化劑0.5%～1.5%、水0.1%～1.0%組成；制備方法為：將硝酸銨、防結(jié)塊劑和水組成的混合物加熱溶解并升溫，形成氧化劑溶液；將油相材料和乳化劑組成的混合物加熱熔化升溫，形成可燃物溶液；將氧化劑溶液加入到攪拌著的可燃物溶液中，形成油包水型混合物；將所得混合物霧化、干燥，產(chǎn)物冷卻后裝藥。本發(fā)明的炸藥爆炸性能優(yōu)良、體積威力大、原材料成本低、產(chǎn)能大、能耗小、操作簡單、本質(zhì)安全性好,適用于除采煤以外的的各種爆破作業(yè)。

專利名稱：高能型煤礦許用粉狀乳化炸藥及其制備方法

專利申請?zhí)枺篊N200610039235.7公開號：CN101045663

申請日：2006.03.31公開日：2007.10.03

申請人：南京理工大學(xué)

本發(fā)明涉及一種高能型煤礦許用粉狀乳化炸藥，由質(zhì)量百分比的下列組分：硝酸銨81%～88%、防結(jié)塊劑0.01%～0.80%、油相材料2%～5%、固態(tài)可燃物0.1%～4.0%、乳化劑0.5%～1.5%、水0.1%～1.0%，消焰劑4%～10%組成。其制備方法為：將油相材料和乳化劑組成的混合物加熱熔化升溫，形成可燃物溶液，將氧化劑溶液加入到攪拌著的可燃物溶液中，形成油包水型混合物，制得的混合物經(jīng)(或同時)混入固態(tài)可燃物制得產(chǎn)物，冷卻后裝藥。本發(fā)明配方簡單、不含有毒成分、原材料成本低、爆炸性能優(yōu)良、體積威力大、產(chǎn)能大、能耗小、操作簡單、本質(zhì)安全性好、適用于煤礦井下爆破作業(yè)。

(王元蓀)