解瑞珍，張 凡，劉 蘭，任小明，薛 艷，劉 衛(wèi)

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硅基平面微雷管設計研究

解瑞珍，張 凡，劉 蘭，任小明，薛 艷，劉 衛(wèi)

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學重點實驗室，陜西 西安，710061）

針對MEMS安全保險機構的發(fā)展對起爆單元平面化的需求，利用SOI片特有的三層結構，開展了硅基平面微雷管的設計研究。以SOI片的外延硅作為平面微雷管原位裝藥用專用電極，提升了微雷管結構與原位裝藥工藝的兼容性。以SOI片的本體硅作為裝藥腔體層，減少了微雷管的軸向尺寸，提高集成度。性能試驗表明該硅基平面微雷管實現了發(fā)火及起爆下級裝藥的功能。

微雷管；換能元；發(fā)火電壓；集成

隨著引信微小型化的發(fā)展、智能化水平的提升，以及功能的拓展，安全保險機構的芯片化設計成為引信火工品技術研究的熱點，因此對起爆單元平面化設計的需求越來越迫切。美國采用導彈彈頭對芯片化設計的安保機構進行了性能驗證試驗，結果傳爆與隔爆試驗均獲成功[1-4]。2010年第54屆引信年會上，Chopin Hua等人[5]介紹了美國可替代M100的MEMS微雷管技術的研究進展。國內基于MEMS工藝的微雷管技術的研究起步較晚，報道的硅基微雷管[6-8]軸向尺寸為1.5mm，并能夠實現正常爆轟。

為了更好地滿足安全保險機構芯片化設計的發(fā)展需求，進一步減小微雷管的軸向尺寸。本文采用SOI（silicon-on-insulator，絕緣襯底上的硅）片特有的三層結構，在一張SOI片的兩面分別完成換能元與裝藥腔體的制作，實現了可貼片式平面微雷管的一體化集成，并對其發(fā)火性能進行了測試。

1 硅基平面微雷管的設計及制作

1.1 硅基平面微雷管的結構設計

設計的硅基平面微雷管原理示意圖如圖1所示，主要由換能元、SiO2層、原位裝藥專用電極層、裝藥腔體、起爆藥裝藥等組成。硅基平面微雷管的設計基于SOI片特有的三層結構，其外延硅作為微雷管原位裝藥專用電極，提高微雷管結構與基于電化學沉積的原位裝藥工藝的兼容性。在外延硅層上氧化生成SiO2絕緣層，在SiO2層上完成微橋膜換能元的制作。將SOI片本體硅層作為裝藥腔體層；將SOI片的二氧化硅層為深硅刻蝕工藝的止刻層。該設計實現了換能元與裝藥腔體在一張硅片上的集成制作，通過回流焊工藝可將微雷管直接貼裝至引信控制電路上。

圖1 硅基平面微雷管結構原理示意圖

硅基平面微雷管的作用原理為：換能元在通電情況下產生一定的熱量，熱量經SiO2層和原位裝藥專用電極層作用于裝藥腔體內的起爆藥裝藥，起爆藥裝藥作用后起爆下一級裝藥。該結構中SiO2層用于支撐換能元，并起到換能元層與原位裝藥用電極層之間的絕緣作用。采用電化學沉積工藝進行裝藥時，裝藥專用電極層作為電化學沉積用陰極。裝藥腔體用于裝填起爆藥裝藥，以及對起爆藥裝藥燃爆進行一定的約束。硅基平面微雷管用換能元橋區(qū)材料為Ni-Cr，橋區(qū)尺寸0.15mm× 0.15mm，裝藥腔體尺寸Ф2.0mm×1.0mm。SiO2層厚度為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藝和深硅刻蝕工藝，工藝流程框圖如圖2所示。

圖2 硅基平面微雷管制作工藝流程框圖

在硅基平面微雷管的制作中，裝藥專用電極層厚度的確定是其工藝研究的關鍵及難點。在硅基平面微雷管裝藥腔體的制作過程中，在一定的應力作用下裝藥專用電極層不能出現破裂，并且應對換能元起到良好的支撐作用，同時在裝藥過程中也不應破損。經過反復的試驗與優(yōu)化研究，裝藥專用電極層厚度選擇15μm。制作好的硅基平面微雷管如圖3所示。采用回流焊工藝將含能芯片貼裝在電路板上，裝配好的照片如圖4所示。

圖3 硅基平面微雷管的照片

圖4 完成貼裝的硅基平面微雷管的照片

2 硅基平面微雷管的性能測試及結果

2.1 平面微雷管發(fā)火性能測試

對平面微雷管的發(fā)火性能進行測試，發(fā)火測試電路如圖5所示。

圖5 硅基平面微雷管發(fā)火電路原理圖

選用的發(fā)火電源的電壓分辨率為0.01V，試驗數據分布假設為正態(tài)分布。選擇的刺激下限為5V，刺激上限為20V，試驗結果的標準差不做修正。圖5中發(fā)火電路充電電阻為5 000Ω，發(fā)火電容為33 μF鉭電容，放電開關選用水銀開關。裝藥選擇了多孔疊氮化銅，測試結果如表1所示。

本文使用了一種火工品感度試驗用便攜式計算裝置個人數碼助理（PDA）對試驗數據進行處理[9]。

表1 硅基平面微雷管發(fā)火感度的測試結果

Tab.1 Testing result of micro-detonator firing

2.2 平面微雷管的輸出性能測試

硅基平面微雷管輸出性能測試試驗裝置如圖6所示，微雷管貼裝在控制電路板上，直接起爆CL-20基傳爆藥裝藥。微雷管裝藥為多孔疊氮化銅，裝藥量為4.5mg，CL-20基傳爆藥裝藥尺寸為Ф3.4mm×4mm。測試結果如表2所示。

圖6 微雷管輸出性能測試裝置示意圖

表2 硅基平面微雷管輸出性能測試結果

Tab.2 Output testing result of micro-detonator

由性能測試結果可知，設計的硅基平面微雷管實現了發(fā)火及正常起爆下一級裝藥的功能，說明設計方案是可行的。其與國內外典型的基于MEMS工藝的微雷管結構及參數對比如表3所示。

表3 典型平面微雷管的結構對比

Tab.3 Comparision of typical micro-detonators

3 結論

制作基于MEMS工藝的硅基平面微雷管，并對其發(fā)火、輸出性能進行測試，得出如下結論：

（1）基于MEMS工藝的硅基平面微雷管，實現了在一片硅基底上換能元與裝藥腔體的一體化集成，相對于多層疊加結構的微雷管，軸向尺寸減小了30%以上，有助于推動安全保險機構的平面化設計。

（2）硅基平面微雷管利用SOI片的外延硅作為原位裝藥專用電極，相對于多層疊加結構的微雷管，簡化了工藝流程，解決了微雷管結構與原位裝藥工藝兼容差的問題，也進一步提高了微雷管的作用可靠性。

（3）硅基平面微雷管的結構設計使得其可以采用回流焊工藝直接貼裝在引信控制電路上，易于與電路集成，工藝可實現性更強。

[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,劉蘭,任小明,等.硅基微雷管的原位裝藥及性能研究[J].兵工學報,2014,35(12):1 972-1 977.

[8] 郭俊峰,曾慶軒,李明愉,等.疊氮化銅驅動飛片起爆HNS-IV的研究[J].火工品, 2015(6):1-4.

[9] 張蕊,付東曉,白穎偉,等.火工品感度試驗用便攜式計算裝置[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，高級工程師，主要從事微小型火工品研究。

1003-1480（2018）01-0020-03