半導(dǎo)體橋等離子體溫度的實(shí)驗(yàn)研究

吳蓉，朱順官，張琳，李燕，馮紅艷

(1.巢湖學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)系，安徽 巢湖238000;2.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京210094)

0 引言

半導(dǎo)體橋(SCB)等離子體點(diǎn)火技術(shù)是近20 多年來(lái)得到快速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)［1-7］。當(dāng)前普遍認(rèn)為其點(diǎn)火作用過(guò)程:SCB 通以脈沖電流時(shí)，硅橋材料因焦耳熱迅速汽化并在電場(chǎng)作用下形成等離子體放電，等離子體迅速擴(kuò)散到裝藥中，使裝藥受熱達(dá)到著火溫度而發(fā)火。因此了解SCB 作用過(guò)程中等離子體溫度的變化規(guī)律，對(duì)研究SCB 點(diǎn)火和起爆機(jī)理尤為重要。但是，由于SCB 等離子體本身空間尺寸小，存在時(shí)間短，瞬態(tài)溫度變化大，且點(diǎn)火在常壓下完成，對(duì)測(cè)溫的技術(shù)要求十分苛刻。

Benson 等［1］、Thomas 等［8］、Kim 等［5，9］對(duì)SCB等離子體溫度進(jìn)行了相關(guān)研究，但所用儀器設(shè)備昂貴，要獲得等離子體溫度的時(shí)間分辨比較困難?；跅顥澋龋?0］、劉大斌等［11］、周新利等［12］建立的原子發(fā)射光譜雙譜線法測(cè)溫系統(tǒng)，F(xiàn)eng 等［13］、Wu 等［14］、吳蓉［15］成功地將之應(yīng)用到SCB 等離子體溫度的測(cè)定上，并進(jìn)一步發(fā)展了這套系統(tǒng)，為獲得實(shí)時(shí)的SCB等離子體溫度建立了一種更為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且易操作的方法。本實(shí)驗(yàn)采用該系統(tǒng)對(duì)不同放電條件下SCB等離子體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)瞬態(tài)測(cè)定，研究其溫度變化規(guī)律，放電電壓、充電電容及脈沖能量對(duì)等離子體溫度的影響，這為揭示SCB 等離子體的作用機(jī)理，為點(diǎn)火電路的設(shè)計(jì)、裝藥條件的完善以及藥劑的選擇提供參考依據(jù)。

1 原子發(fā)射光譜雙譜線法測(cè)溫原理

式中:I1和I2為兩條波長(zhǎng)分別為λ1和λ2光譜線的發(fā)射光譜強(qiáng)度;A1和A2為兩譜線的躍遷幾率;g1和g2為兩譜線激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重;E1和E2為兩譜線上激發(fā)態(tài)能量;k 為Boltzmann 常數(shù);T 為等離子體溫度。

由(1)式得

對(duì)于已知的兩條譜線，λ1、λ2、A1、A2、g1、g2、E1、E2和k 均為已知的光譜常數(shù)，所以只要測(cè)得兩條譜線的譜線強(qiáng)度I1和I2，即可由(2)式求得等離子體溫度T.

根據(jù)原子發(fā)射光譜法的譜線選擇原則，實(shí)驗(yàn)首先獲得了350～650 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)SCB 等離子體的原子發(fā)射光譜。由于SCB 橋中含有微量Cu 元素，且在整個(gè)光譜范圍內(nèi)Cu 譜線比較簡(jiǎn)單、干擾較少，故本實(shí)驗(yàn)選擇Cu 元素的兩條原子譜線的靈敏線作為分析線，其光譜譜線的波長(zhǎng)、上能級(jí)能量、統(tǒng)計(jì)權(quán)重、躍遷幾率及其不確定度如表1所示。

表1 Cu 原子譜線的光譜參數(shù)值［17］Tab.1 Spectral parameters of Cu atomic line［17］

2 實(shí)驗(yàn)及裝置

本實(shí)驗(yàn)研究的SCB 為重?fù)诫s多晶硅SCB，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由夾在硅基片與金覆蓋層之間呈“H”形的重?fù)诫s多晶硅構(gòu)成，長(zhǎng)60 μm，寬350 μm，厚2 μm，橋體電阻1 Ω.當(dāng)在SCB 兩端施加電脈沖時(shí)，電流就會(huì)在電流梯度最大的橋區(qū)邊沿產(chǎn)生輝光放電并向橋中心激勵(lì)，加速橋區(qū)多晶硅材料的熔化，在半導(dǎo)體橋區(qū)上面生成灼熱的離子化蒸汽層，產(chǎn)生劇烈沖擊的多晶硅等離子體放電氣體。

圖1 SCB 結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of SCB

圖2為SCB 等離子體瞬態(tài)溫度的原子發(fā)射光譜雙譜線法測(cè)試系統(tǒng)。其中左邊為SCB 等離子體的發(fā)生裝置，首先由電源對(duì)電容器充電，當(dāng)電容器充電至一定電壓時(shí)，將開(kāi)關(guān)K1轉(zhuǎn)換到K2，進(jìn)入放電回路，接通K3對(duì)SCB 兩端施加電脈沖，產(chǎn)生等離子體。右邊為光譜測(cè)溫系統(tǒng)，包括:測(cè)溫探頭、一進(jìn)二出的光導(dǎo)纖維、干涉濾波片、光電倍增管，負(fù)高壓穩(wěn)壓供電電源、高速響應(yīng)電路的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)顯示處理系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集裝置為L(zhǎng)eCroyLT374 型示波器，該示波器有4 個(gè)通道，可分別同時(shí)采集加在SCB 上的電壓、電流信號(hào)以及等離子體產(chǎn)生的光譜信號(hào)。

圖2 SCB 等離子體的測(cè)溫系統(tǒng)Fig.2 Temperature measuring system for SCB plasma

通過(guò)以上測(cè)試系統(tǒng)，在不同放電脈沖條件下，對(duì)SCB 生成等離子體進(jìn)行光譜測(cè)試，得到隨時(shí)間變化的等離子體光譜強(qiáng)度信號(hào)與同一時(shí)間下的放電脈沖信號(hào)，每種放電條件下平行測(cè)定3 次。

3 結(jié)果與討論

圖3為22 μF、57 V 實(shí)驗(yàn)條件下得到的一組典型實(shí)驗(yàn)曲線。

一切都太美妙了。這個(gè)夜晚，簡(jiǎn)直毫無(wú)缺憾。無(wú)論如何，我又能吃什么虧呢？我說(shuō)過(guò)我不是一個(gè)世俗得拒絕美麗的人。我再也無(wú)法抑制自己渴望浪漫的心，我為什么要抑制呢？事實(shí)上，我根本來(lái)不及對(duì)自己說(shuō)什么，就把她抱了起來(lái)。她的身體很輕盈。她的嘴唇微微上翹，她的曲線緊貼著我，她的手輕巧地解開(kāi)我襯衫的鈕扣。

圖3 作用于SCB 上電壓、電流以及產(chǎn)生的等離子體光譜強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.3 Voltage，current and spectrum intensity vs time

圖3(a)為加在SCB 兩端的電壓隨時(shí)間的變化，通過(guò)測(cè)量電壓曲線發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)電壓峰值。正如Benson 等［1］在研究SCB 點(diǎn)燃煙火劑的實(shí)驗(yàn)中所描述的，第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)SCB 汽化前的硅橋加熱，從SCB 開(kāi)始汽化直到汽化完成，橋區(qū)一直維持低阻抗;在電流的持續(xù)加熱下硅氣開(kāi)始電離，橋區(qū)阻抗急劇上升，直到電壓曲線出現(xiàn)第二個(gè)峰值，這對(duì)應(yīng)于硅等離子體加熱階段開(kāi)始。他們認(rèn)為只有當(dāng)?shù)入x子體加熱階段形成時(shí)，SCB 才能點(diǎn)燃炸藥。也稱此等離子體加熱階段開(kāi)始，為等離子體后期放電開(kāi)始，如圖3(a)中t1所示。

圖3(b)為回路感應(yīng)電流隨時(shí)間的變化，t2為放電電流降至0 的時(shí)刻。

圖3(c)為兩條譜線光譜輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，因系統(tǒng)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，且兩者之間成正比關(guān)系，在此將光輻射強(qiáng)度用電壓表示。圖中t3時(shí)刻，光譜信號(hào)強(qiáng)度基本接近為0，可認(rèn)為此時(shí)光輻射結(jié)束，t1→t3為等離子體后期放電時(shí)間。

由圖3可以看出光輸出急劇增加和電壓峰值在同一時(shí)間發(fā)生，它與SCB 等離子體的形成相對(duì)應(yīng)，這與Kim 等［2］進(jìn)行的SCB 發(fā)火的光電測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是一致的。

3.1 等離子體溫度與放電電壓的關(guān)系

根據(jù)原子發(fā)射光譜雙譜線測(cè)溫法原理，由實(shí)驗(yàn)所得兩條Cu 原子光譜譜線強(qiáng)度值，通過(guò)(2)式計(jì)算，可得SCB 等離子體的溫度。充電電容為22 μF，實(shí)驗(yàn)測(cè)得放電電壓分別為21 V、27 V、33 V、39 V、45 V、51 V、57 V、63 V 條件下等離子體溫度隨時(shí)間的變化，其變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 不同初始放電電壓下等離子體溫度隨時(shí)間的變化(電容為22 μF)Fig.4 Plasma temperature vs time and initial voltage (capacitance:C=22 μF)

從圖4可以看出，SCB 等離子體溫度的變化與時(shí)間是相關(guān)的，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);放電電壓越高，等離子體溫度隨時(shí)間的變化曲線波動(dòng)越大，且放電電壓由21 V 上升到63 V 時(shí)，等離子體峰值溫度由2 000 K 增大到6 200 K.

3.2 等離子體溫度與充電電容的關(guān)系

圖5為初始放電電壓為39 V，充電電容分別為6.8 μF、15 μF、22 μF、47 μF、68 μF、100 μF 下的等離子體溫度隨時(shí)間的變化?？梢钥闯龅入x子體溫度隨時(shí)間的變化基本上也是呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢(shì)，等離子體峰值溫度隨充電電容增大而逐漸升高，其變化范圍約2 200 K～3 800 K.

圖5 不同充電電容下等離子體溫度隨時(shí)間的變化曲線(初始放電電壓為39 V)Fig.5 Plasma temperature vs time and capacitance(initial voltage:U=39 V)

3.3 等離子體溫度與脈沖能量的關(guān)系

等離子體后期放電開(kāi)始時(shí)，SCB 所消耗的能量，稱之為臨界發(fā)火能量，用Ec表示;而通過(guò)電脈沖放電，作用于SCB 上總的脈沖能量，稱之為脈沖能量，用Etot表示。電壓與電流的乘積為功率，通過(guò)對(duì)功率的時(shí)間積分，可獲得相應(yīng)的脈沖能量。實(shí)驗(yàn)獲得了不同放電條件下Ec和Etot值，并研究了這兩種能量條件下等離子體溫度的變化規(guī)律。

結(jié)果顯示，在改變放電電壓或改變充電電容等不同的放電條件下，等離子體后期放電開(kāi)始時(shí)，Ec值基本恒定，且等離子體溫度值變化不大，基本上均維持在1 700 K～2 200 K.由此可以看出，對(duì)于某種特定的SCB，通過(guò)脈沖放電激發(fā)產(chǎn)生等離子體，不同的放電條件下，所需要的臨界發(fā)火能量基本上是恒定的，這些能量作用于SCB 后，使橋體熔化，產(chǎn)生等離子體放電，即只要達(dá)到一定的臨界能量，等離子體后期放電便開(kāi)始形成，而等離子體放電開(kāi)始的溫度受放電條件的改變影響很小。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步比較了固定電容、改變電壓，及固定電壓、改變電容這兩種放電條件下，等離子體峰值溫度隨脈沖能量Etot的變化關(guān)系，如圖6所示。從圖6可以看出，等離子體溫度隨脈沖能量的增大均呈逐漸上升的態(tài)勢(shì)，在能量較低的條件下兩者的改變對(duì)溫度的影響不大，在能量較高時(shí)，該實(shí)驗(yàn)中能量約在12.7 mJ 以上時(shí)，改變電壓對(duì)等離子體溫度的影響比改變電容更加顯著。因此要獲得較高的等離子體溫度可通過(guò)增加放電電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 等離子體溫度隨脈沖能量的變化Fig.6 Plasma temperature vs pulse energy

4 結(jié)論

根據(jù)原子發(fā)射光譜雙譜線法測(cè)溫原理，使用SCB 等離子體溫度實(shí)時(shí)瞬態(tài)測(cè)量的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)將作用于SCB 上的能量與等離子體的產(chǎn)生對(duì)應(yīng)起來(lái)，研究了不同放電脈沖條件下，作用于SCB 上的電信號(hào)及同時(shí)產(chǎn)生的等離子體光譜信號(hào)，得出以下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了固定電容、常用電壓范圍內(nèi)的等離子體發(fā)射光譜強(qiáng)度，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上用理論公式計(jì)算了等離子體溫度的變化范圍。SCB 等離子體溫度是隨時(shí)間高速瞬變的，在充電電容為22 μF，放電初始電壓由21 V 增大到63 V，等離子體峰值溫度由2 000 K 上升至6 200 K;而在放電電壓為39 V，充電電容由6.8 μF 改變至100 μF 時(shí)，等離子體峰值溫度隨充電電容的增大而升高，由2 200 K 變化為3 800 K.

2)不同放電脈沖條件下，等離子體后期放電開(kāi)始時(shí)，SCB 上所消耗的能量基本恒定，該能量取決于所選用的SCB，只要達(dá)到一定的閾值能量后是不隨外界條件的變化而改變的，且等離子體溫度也基本恒定，均維持在1 700 K～2 200 K.

3)隨著作用于SCB 上的脈沖能量的增加，等離子體溫度逐漸升高，改變放電電壓，脈沖能量值的變化對(duì)溫度的影響要明顯高于充電電容變化對(duì)其的影響。

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