汪 柯 唐 科 陳 楷 沈瑞琪 朱 朋

（1 南京理工大學化學與化工學院，南京 210094）

（2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

文 摘 爆炸箔起爆器作為新型高安全性和高可靠性火工品，可廣泛應用于武器系統(tǒng)的點火起爆、飛行器以及航天器的作動分離等諸多技術(shù)領域。從火工品的集成化、小型化以及低成本的發(fā)展趨勢出發(fā)，介紹了南京理工大學微納含能器件工信部重點實驗室基于薄膜集成工藝、低溫共燒陶瓷工藝以及印制電路板工藝開展的關(guān)于MEMS爆炸箔芯片和高壓開關(guān)的研究現(xiàn)狀。從設計、制備、發(fā)火性能、成本等方面分析和對比了各自的特點。最后介紹了爆炸箔芯片在超壓起爆以及爆電耦合等新技術(shù)領域的研究進展。

0 引言

爆炸箔起爆器（Exploding Foil Initiator，EFI），又稱沖擊片雷管，其發(fā)明源自金屬橋箔在脈沖大電流作用下發(fā)生的電爆炸現(xiàn)象。自從Stroud J.R.［1］利用金屬橋箔電爆炸產(chǎn)生的高溫等離子體驅(qū)動飛片沖擊起爆炸藥以來，EFI在武器彈藥以及航空航天等領域中已得到廣泛應用。EFI 的結(jié)構(gòu)包括基底、金屬橋箔、飛片層、加速膛和六硝基芪炸藥，如圖1所示。作為一種直列式起爆器，其起爆序列不包含敏感的起爆藥，且起爆電流閾值在千安倍量級，因此具有極高的抗靜電、雜散電流以及射頻的能力。

圖1 爆炸箔芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of EFI chip structure

引信的集成化、小型化和低成本的發(fā)展趨勢，對爆炸箔起爆系統(tǒng)的綜合性能提出了更高要求［2］。另一方面，由于傳統(tǒng)EFI 起爆系統(tǒng)較高的成本，也阻礙了其在常規(guī)武器中的大范圍應用。EFI 發(fā)火單元，即電容放電單元（Capacitor Discharge Unit，CDU），包括高壓電容、高壓開關(guān)以及EFI，高壓開關(guān)的電阻、電感以及EFI 的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計對發(fā)火性能具有重要影響，二者是當前研究的重點［3?4］。從早期采用手工組裝分立元件到采用硅半導體工藝實現(xiàn)元件的部分集成，再到當前采用微機電系統(tǒng)（MEMS，Micro?Electro?Mechanical System）設計理念和工藝方法集成制備高壓開關(guān)以及EFI，技術(shù)的進步對實現(xiàn)EFI 的集成化、微型化和低成本具有重要意義［5］。

本文重點介紹南京理工大學微納含能器件工信部重點實驗室在MEMS 爆炸箔芯片和高壓開關(guān)方面開展的相關(guān)工作。采用的MEMS 設計理念和工藝方法包括薄膜集成工藝、低溫共燒陶瓷工藝（LTCC，Low Temperature Co?fired Ceramic）以及印制電路板工藝（PCB，Printed Circuit Board），器件形式包含高壓開關(guān)、EFI芯片、開關(guān)集成爆炸箔芯片。

1 基于薄膜工藝的爆炸箔芯片、單次觸發(fā)高壓開關(guān)、開關(guān)集成爆炸箔芯片

薄膜工藝技術(shù)在半導體工藝技術(shù)上發(fā)展而來，包括磁控濺射、化學氣相沉積、真空蒸發(fā)、刻蝕、旋涂等工藝。采用薄膜工藝制備爆炸箔芯片能夠?qū)崿F(xiàn)爆炸箔芯片各組件尺寸、厚度以及對位精度的精確控制，提高電容能量利用率。

1.1 Al2O3陶瓷基MEMS-EFI

陳楷等［6?7］基于薄膜工藝制備了Al2O3陶瓷基MEMS?EFI，其結(jié)構(gòu)包括陶瓷基底、金屬橋箔、聚合物飛片、SU?8加速膛。利用磁控濺射工藝在經(jīng)化學清洗過的陶瓷基板上濺射沉積100 nm Wu?Ti薄膜，在Wu?Ti層上沉積3.4μm銅，利用濕法刻蝕將濺射的銅膜圖形化制成爆炸箔。飛片層采用化學氣相沉積工藝在爆炸箔上沉積Parylene C（PC）薄膜，再利用圖形反轉(zhuǎn)剝離工藝于PC薄膜上沉積Wu?Ti/Cu薄膜，以此制備復合飛片。在復合飛片上旋涂SU?8光刻膠，再利用紫外光刻技術(shù)制備具有良好側(cè)壁和高深寬比的SU?8加速膛。制備的爆炸箔芯片實物圖如圖2所示［7］。

圖2 爆炸箔芯片實物圖和SU?8加速膛三維圖Fig.2 Physical image of EFI chip and 3D image of SU?8 barrel

利用該EFI 研究了加速膛和復合飛片對EFI 起爆性能的影響。結(jié)論認為，復合飛片的速度隨著發(fā)火電壓的升高逐漸增大，而在相同發(fā)火電壓條件下，適當減小加速膛直徑可增大飛片的速度，但減小直徑的同時需要適當?shù)靥岣呒铀偬诺母叨?，確保飛片能以其最大速度撞擊炸藥。

1.2 單次觸發(fā)高壓開關(guān)

高壓開關(guān)是CDU 中影響電路性能進而影響EFI起爆性能的重要元件。徐聰?shù)龋??12］通過多物理場仿真軟件，分析了開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對開關(guān)耐壓性能的影響，先后針對基于Schottky 二極管、p?n 結(jié)高壓二極管、微箔觸發(fā)的單次觸發(fā)高壓開關(guān)，研究了三者的電氣特性和規(guī)律?；谖⒉ǖ膯未斡|發(fā)高壓開關(guān)工作原理示意圖如圖3所示［9］。開關(guān)工作前，電容C1、C2充電到相應電壓，由于介電層PC 的存在，電容C2不會放電；開關(guān)工作時，閉合觸發(fā)回路的開關(guān)S，電容C1放電使微箔發(fā)生電爆炸；在電爆炸沖擊波作用下，介電層PC 失效，開關(guān)導通；電容C2放電，在主放電回路中形成脈沖大電流。試驗證明，相比基于Schottky 二極管和p?n 結(jié)二極管的單次觸發(fā)高壓開關(guān)，該開關(guān)在較低的工作電壓下，能夠獲得較高的峰值電流、較短的上升時間，輸出功率更高。

圖3 基于微箔爆炸的單次觸發(fā)高壓開關(guān)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of planar medium high voltage switch based on micro?foil explosion

1.3 開關(guān)集成爆炸箔芯片

為了縮小放電回路的電感和電阻等參數(shù)以及發(fā)火單元體積，徐聰?shù)龋?，13?14］一體化集成制備了基于Schottky二極管、p?n結(jié)高壓二極管和微箔觸發(fā)的三種開關(guān)集成爆炸箔芯片。微箔觸發(fā)的開關(guān)集成爆炸箔芯片的制備流程示意圖如圖4所示［14］。微箔觸發(fā)的開關(guān)集成爆炸箔芯片作用原理圖如圖5所示［14］。如1.2節(jié)所述，當微箔發(fā)生電爆炸后，介質(zhì)層PC被擊穿，開關(guān)導通，即主放電回路導通。電容C2通過主橋箔進行放電，橋箔發(fā)生電爆炸并驅(qū)動PC?Cu復合飛片。

圖4 微箔觸發(fā)的開關(guān)集成爆炸箔芯片制備流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of preparation process of the switch integrated EFI chip triggered by the micro?foil

圖5 微箔觸發(fā)的開關(guān)集成爆炸箔芯片作用原理圖Fig.5 Schematic diagram of the function of the switch integrated EFI triggered by the micro?foil

利用三種集成芯片進行點火和起爆試驗，結(jié)果表明，三種集成芯片均能實現(xiàn)硼硝酸鉀（BPN）點火和六硝基芪（HNS）起爆，最低起爆能量分別為1 400 V/0.22 μF、1 250 V/0.22 μF 和1 100 V/0.22μF?；谖⒉|發(fā)的開關(guān)集成芯片的性能最佳，具有更低的觸發(fā)能量，結(jié)構(gòu)更加緊湊，制備工藝更加簡化，樣品的一致性和成品率更高。

2 基于LTCC 工藝的爆炸箔芯片、平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)、開關(guān)集成爆炸箔芯片

低溫共燒陶瓷技術(shù)，采用新型陶瓷材料實現(xiàn)電子元器件高性能和高集成度的封裝，在電子設備的小型化、輕量化及多功能化中得到廣泛應用。對于加工小尺度、微結(jié)構(gòu)和定位精度方面也具有明顯的優(yōu)勢，為實現(xiàn)高壓脈沖功率開關(guān)的“平面化”提供了嶄新的技術(shù)途徑。近年來，隨著LTCC 工藝的不斷革新，爆炸箔點火與起爆系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件的設計理念和制造工藝得到不斷革新，使其逐漸向微型化、集成化和低成本方向發(fā)展。

2.1 LTCC-EFI

陳楷等［6，15?16］利用LTCC 工藝制備爆炸箔芯片，芯片基底、飛片、加速膛以及裝藥槽結(jié)構(gòu)均設計采用一層或多層陶瓷材料堆疊燒制而成。橋箔材料采用Au 或Ag。圖6為LTCC?EFI 的疊層工藝示意圖和實物圖［6］。將該爆炸箔芯片與HNS 組裝成起爆序列，HNS 藥柱密度為1.60 g·cm3，尺寸為Φ4 mm×4 mm，HNS 炸藥的粒度D50=1 196.6 nm，純度為99.46%。起爆試驗結(jié)果表明Au?EFI 的最低起爆電壓為2.5 kV，Ag?EFI的最低起爆電壓為2.8 kV。

圖6 LTCC?EFI的疊層工藝示意圖和LTCC?EFI實物圖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，這是由于陶瓷材料自身的抗拉能力較弱，導致飛片在抵抗電爆炸沖擊的過程中發(fā)生破碎；另一方面，由于LTCC?EFI 芯片在900 ℃下燒結(jié)而成，具有優(yōu)異的耐熱性能，這是LTCC?EFI可能的應用方向之一。

2.2 平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)

張秋等［17］基于LTCC 工藝開展了平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)（Planar Triggered Spark?Gap，PTS）的設計研究，該開關(guān)具有體積小、易集成、低成本、電感小且結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示［17］。具體設計參數(shù)見表1。對該開關(guān)進行基本性能參數(shù)測試和發(fā)火性能驗證，結(jié)果顯示利用該開關(guān)使得發(fā)火回路電感降低近60 nH，電流上升時間縮短近1/2，峰值電路增加約30%。

圖7 LTCC平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)的實物圖和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Physical photograph and structure diagrams of LTCC?PTS

表1 平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)的電極參數(shù)Tab.1 Electrode parameters of LTCC-PTS μm

2.3 開關(guān)集成爆炸箔芯片

張 秋 等［17］利 用LTCC 工 藝 進 行LTCC?PTS 和LTCC?EFI 的集成設計，制備了開關(guān)集成爆炸箔芯片，如圖8所示。結(jié)果表明該芯片開關(guān)的延遲時間為29 ns，電流輸入到EFI 中的速率可達到11.7 A/ns。通過光子多普勒測速系統(tǒng)分析了爆炸箔飛片的速度特征，在2.25 kV/0.22μF 條件下，50μm 厚的陶瓷飛片速度達到2.2 km/s。最后，使用該芯片成功實現(xiàn)BPN點火和HNS起爆。

圖8 基于LTCC工藝的開關(guān)集成爆炸箔芯片F(xiàn)ig.8 Switch integrated EFI chip based on LTCC process

3 基于PCB工藝的爆炸箔芯片、平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)、開關(guān)集成爆炸箔芯片

PCB工藝是一種能夠以低成本批量制備電子線路的成熟技術(shù)，既是電子元器件，又是電氣連接的提供者，支持組件和功能的模塊化集成。PCB工藝尤其適合多層板的制作，加大了設計靈活性，縮小裝置體積，適合用于批量研制各種機電結(jié)合的芯片裝置。采用PCB工藝研制了平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)、EFI芯片以及PTS集成EFI芯片，極大促進爆炸箔技術(shù)的應用和發(fā)展。

3.1 PCB-EFI

楊智等［18］基于橋箔電爆?飛片加速?沖擊炸藥的界面能量耦合關(guān)系，確定了EFI的組件結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎上采用PCB工藝批量制備EFI，其層壓工藝如圖9（a）所示。在厚2 mm覆銅箔層壓板的Top層，采用光刻工藝制備Cu橋箔，橋區(qū)尺寸為400μm×400μm×5μm；在PCB?1和PCB?2之間放置半固化片，對位后通過加壓熱壓的層壓工藝將兩塊基板牢牢壓合；壓合后的基板，采用光刻工藝制備底部焊盤；依次采用機械鉆孔和沉銅工藝制備過孔；采用鉆孔工藝制備加速膛和藥柱室，并且預留出一定厚度的飛片層，其中FR?4飛片和FR?4 加速膛的尺寸分別為Ф600μm×75μm 和Ф600μm×400μm。制備的PCB?EFI芯片實物如圖9（b）所示，單個芯片尺寸為7.0 mm×4.5 mm×4.0 mm。Cu橋箔以及PCB?EFI的形貌如圖10所示［18］，結(jié)果表明PCB工藝滿足精度要求。

圖9 PCB?EFI的層壓工藝示意圖和PCB?EFI實物圖Fig.9 Schematic of PCB?EFI lamination process and physical photograph of PCB?EFI

圖10 PCB?EFI的橋箔和芯片形貌圖Fig.10 Bridge foil and chip topography of PCB?EFI

3.2 平面觸發(fā)火花隙高壓開關(guān)

楊智等［19?20］借助PCB工藝加厚PTS的電極厚度，保證制備的PTS 具有較高的耐燒蝕能力，可以重復使用。采用PCB 工藝設計的開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖11所示［19］。圖12為開關(guān)的層壓工藝示意圖和壓合后的開關(guān)實物圖。壓合后的空腔為密封結(jié)構(gòu)，從而保證開關(guān)芯片在不同環(huán)境工作時導通性能的一致性［19］。

圖11 開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖和電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Diagrams of switch structure and electrode structure

圖12 PCB?PTS的層壓工藝示意圖和PCB?PTS實物圖Fig.12 Schematic diagram of PCB?PTS lamination process and physical photograph of PCB?PTS

對于主間隙為0.9 mm 的開關(guān)，在0.22 μF/1.25 kV 短路放電條件下，回路電流上升時間為155.1 ns，峰值電流為2.10 kA，滿足爆炸箔技術(shù)的使用要求。

3.3 開關(guān)集成爆炸箔芯片

為測試PCB?PTS 和PTS?EFI 芯片的實際工作性能，將兩者聯(lián)合用于發(fā)火試驗。在0.22μF/1.50 kV發(fā)火條件下，成功點燃BPN。在0.40μF/1.80 kV 發(fā)火條件下，實現(xiàn)了HNS 的起爆。圖13（a）所示為采用分立的PCB?EFI和PCB?PTS的電容放電單元。利用PCB 工藝進行PTS 和EFI的集成制備，可以進一步提高發(fā)火系統(tǒng)集成度，縮短發(fā)火回路。基于PCB 工藝的開關(guān)集成爆炸箔芯片如圖13（b）所示，高壓開關(guān)和爆炸箔芯片集成在PCB 板內(nèi)部，進一步縮小了發(fā)火單元尺寸。

圖13 基于PCB?EFI＆PCB?PTS 的電容放電單元Fig.13 Capacitor discharge unit based on PCB?EFI＆PCB?PTS

4 集成芯片發(fā)火數(shù)理模型

爆炸箔發(fā)火回路的等效電路圖如圖14所示［9］，L、R為集成芯片的電感、電阻，Lpara、Rpara為發(fā)火回路的寄生電感、電阻。

圖14 爆炸箔發(fā)火回路的等效電路圖Fig.14 Equivalent circuit diagram of CDU

令L0=Lpara+Lc，R0=Rpara+Rc，根據(jù)基爾霍夫定律可得：

集成芯片的電感和電阻分別為橋箔、開關(guān)的電阻和電感之和。

開關(guān)導通過程中的動態(tài)電阻如式（4）～（5）所示。橋箔在電爆過程中經(jīng)歷固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以及等離子體的相態(tài)變化，其計算式如（6）～（10）所示。

通過基爾霍夫方程的差分格式，可以獲得任意時刻的電流值。

利用式（11）獲得的電流曲線和電壓曲線進行積分，得到橋箔能量沉積曲線。結(jié)合式（13）即可得飛片速度曲線。利用式（14）計算飛片動能，與臨界起爆能量Ekin，cr比較，即可判斷炸藥能否被起爆。

5 MEMS-EFI的新技術(shù)

5.1 超壓起爆

為滿足鈍感彈藥的發(fā)展要求，同時為提高爆炸箔起爆系統(tǒng)能量利用效率、實現(xiàn)起爆系統(tǒng)的小型化和集成化。張秋等［21］開展了爆炸箔超壓芯片集成設計研究，采用串聯(lián)和串?并聯(lián)這兩種方式將多個爆炸箔集成在一起形成爆炸箔超壓芯片，兩種類型的芯片結(jié)構(gòu)設計流程圖如圖15所示［21］。

圖15 串?并聯(lián)爆炸箔超壓芯片和串聯(lián)爆炸箔超壓芯片F(xiàn)ig.15 Serial?parallel type and serial type EFI overpressure chip

利用多個爆炸箔驅(qū)動多個飛片沖擊起爆多個HNS 藥柱，使其產(chǎn)生的爆轟波相互碰撞形成馬赫反射，并在中心區(qū)域形成超壓，使得局部爆轟波壓力超過鈍感炸藥的起爆閾值，從而達到起爆鈍感炸藥的目的。其作用過程原理圖如圖16所示［21］。

圖16 爆炸箔超壓芯片作用過程原理圖Fig.16 Schematic diagram of the action process of the EFI overpressure chip

試驗結(jié)果表明，在相同電路參數(shù)條件下，串?并聯(lián)型超壓芯片的總爆發(fā)能量和能量利用率都要比串聯(lián)型超壓芯片高近1/2，串?并聯(lián)型超壓芯片飛片的出口速度比串聯(lián)型要高約1 000 m/s，串?并聯(lián)型超壓芯片飛片速度的一致性和飛片沖擊起爆的同步性更好。利用該超壓芯片起爆4 個Φ4 mm×2 mm 的HNS藥柱，并在藥柱輸出端面放置Al鑒定塊，通過凹坑深度判斷沖擊波的碰撞和匯聚。如圖17所示，為超壓起爆CDU以及超壓起爆輸出結(jié)果表征［21］。

圖17 超壓起爆CDU以及輸出結(jié)果表征圖Fig.17 The overpressure initiation CDU and the characterization of the output results

利用激光共聚焦顯微鏡測量中心點的凹坑值為0.57 mm，而單個HNS 藥柱起爆的凹坑值為0.32 mm。由此可知，四點起爆時，沖擊波在中心處發(fā)生碰撞形成反射，使得中心處壓力達到炸藥穩(wěn)定爆轟壓力的數(shù)倍。從而證明了爆炸箔超壓芯片能實現(xiàn)多個爆轟波的相互碰撞，為后期馬赫反射壓力的研究奠定了基礎。

5.2 爆電耦合

為了進一步提高爆炸箔芯片的飛片發(fā)射能力，擴展其在沖擊動力學領域中的應用。汪柯等［22］利用金屬電爆炸和電爆炸等離子體放電耦合的原理實現(xiàn)飛片的二次加速。利用MEMS 工藝制備芯片的基底、橋箔和飛片，利用PCB 工藝制備內(nèi)嵌電極的加速膛，將二者進行精確對位鍵合，制備的飛片發(fā)射器如圖18所示［22］。圖19所示為爆電耦合加速飛片的原理示意圖［22］。高壓開關(guān)作用前，電容C1和C2被充電到指定電壓。當高壓開關(guān)被觸發(fā)，回路產(chǎn)生脈沖大電流I1，金屬橋箔發(fā)生電爆炸，電爆炸產(chǎn)生的等離子體射流驅(qū)動飛片沿加速膛運動，同時電容C2通過等離子體進行放電，二次回路產(chǎn)生脈沖大電流I2，等離子體發(fā)生類似“爆炸”現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的沖擊波再次加速飛片。

圖18 飛片發(fā)射器實物圖以及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 Physical photograph and schematic diagram of the mini flyer launcher

圖19 金屬電爆炸和等離子體放電耦合加速飛片原理圖Fig.19 Schematic diagram of metal electric explosion and plasma discharge coupling accelerating flyer

在C1和C2分別為0.22 μF/1 200 V 和0.4 μF/1 000 V 條件下，飛片速度曲線如圖20所示［22］。爆電耦合條件下，飛片速度增加了16.39%，飛片動能增加了35.20%。

圖20 爆電耦合條件下的飛片速度曲線Fig.20 Flyer velocity curve under electric explosion and plasma discharge coupling

6 結(jié)語

介紹了基于3 種工藝的爆炸箔芯片及高壓開關(guān)的制備流程以及性能表征。Al2O3基MEMS?EFI 及其開關(guān)，發(fā)火能量穩(wěn)定，價格適中；LTCC?MEMS?EFI 及其開關(guān)適用于高溫工作環(huán)境；PCB?MEMS?EFI 及其開關(guān)起爆能量相對較高，但由于可以采用PCB 工藝一體化制備，抗高過載能力強，而且價格十分低廉，適合大規(guī)模應用。

基于薄膜工藝、低溫共燒陶瓷工藝以及印制電路板工藝的MEMS?EFI 及高壓開關(guān)的制備工藝已經(jīng)日臻完善，試驗結(jié)果表明爆炸箔芯片以及高壓開關(guān)的性能均能滿足點火起爆系統(tǒng)的要求，金屬電爆炸、飛片沖擊起爆以及介質(zhì)放電等基礎理論逐漸成熟?？偟膩碚f，這三類爆炸箔芯片及高壓開關(guān)均實現(xiàn)了爆炸箔起爆系統(tǒng)小型化、集成化、平面化以及低成本的發(fā)展目標。目前，MEMS?EFI亟待大范圍的推廣應用，相關(guān)工作包括爆炸箔起爆系統(tǒng)與上級系統(tǒng)的匹配、環(huán)境和可靠性試驗等內(nèi)容正在開展。