平面放電開關(guān)的導(dǎo)通特性研究

龐樹財，賀 佳，羅斌強，王 斌

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平面放電開關(guān)的導(dǎo)通特性研究

龐樹財1，賀 佳2，羅斌強2，王 斌1

（1. 中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽，621999；2. 中國工程物理研究院流體力學(xué)研究所，四川綿陽，621999）

基于分段連續(xù)仿真的方法，以計算得到的電爆炸時金屬氣體壓力作為輸入，將橋區(qū)的電爆炸等效成壓縮氣體對外膨脹做功，對一種微機電技術(shù)制造的由聚酰亞胺覆蓋的平面高壓開關(guān)的導(dǎo)通過程進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明：高壓電極出現(xiàn)電流的滯后時間是由觸發(fā)極橋區(qū)電爆炸過程決定的，高壓電極是由電爆炸金屬氣體膨脹直接連通的。最后制造了開關(guān)樣品，測試得到的電路波形與仿真符合地很好。

爆炸箔起爆系統(tǒng)；高壓開關(guān)；微機電制造技術(shù)；電爆炸；仿真

高壓開關(guān)是構(gòu)成爆炸箔起爆系統(tǒng)的核心器件之一[1-3]。目前一般采用分立的火花隙開關(guān)，這種開關(guān)具有結(jié)構(gòu)和應(yīng)用線路簡單，耐沖擊性強，工作溫度(-60～+200℃)和電壓范圍(1.0～10kV)寬，電流大小可控(2～30kA)且漏電流小(<1nA)，導(dǎo)通電阻小(一般為0.2～0.4mΩ)，開關(guān)電感小于10nH，延遲時間小于10 ns，工作壽命達幾千次等優(yōu)點[4-5]。但是為保證由分立器件構(gòu)成的電容放電單元（CDU）與沖擊片雷管之間可靠連接，通常采用高壓連接器連接，高壓連接器的有效接插長度一般不低于3mm。盡管高壓連接器的材料阻抗較小，但仍不可避免地在放電回路中引入一定的電感和電阻，由于回路的負載為阻抗很小的爆炸箔（阻抗為毫歐級），微小回路阻抗的引入，會造成對CDU中能量的重新分配。連接導(dǎo)線越長，損耗在回路上的能量越大，對CDU的要求越為苛刻。

采用微機電加工技術(shù)將高壓開關(guān)平面化可以有效解決上述問題[6-11]。平面化的開關(guān)不僅可以減少高壓接插件，而且可以實現(xiàn)高壓開關(guān)與爆炸箔的集成，極大地減少連接導(dǎo)線，降低系統(tǒng)的能量消耗，提高系統(tǒng)的集成度。

本文對一種采用表面微加工技術(shù)制造的平面高壓開的導(dǎo)通機理開展了研究，并通過加工、測試對開關(guān)的導(dǎo)通機理進行了驗證。

1 平面高壓開關(guān)結(jié)構(gòu)

開關(guān)由基片、高壓陽極、高壓陰極和觸發(fā)極，以及覆蓋在其上面的絕緣介質(zhì)層構(gòu)成，如圖1所示。高壓陰極與高壓陽極的尖端處對應(yīng)的是觸發(fā)極的橋箔區(qū)，在電極間隙處及電極上面覆蓋了一層聚酰亞胺對高壓放電回路進行隔離，這樣使高壓放電回路可以保持良好的斷開性能，從而提高了開關(guān)高壓回路的安全性。

圖1 平面開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

開關(guān)的工作原理可以描述為：電路接好后，首先對C1、C2充電，待電壓穩(wěn)定之后，閉合K使觸發(fā)回路導(dǎo)通，C1經(jīng)過觸發(fā)極放電，回路中形成脈沖大電流，使得觸發(fā)極的爆炸箔區(qū)域發(fā)生瞬態(tài)固、液、氣直至等離子體態(tài)相變，最終當(dāng)氣體壓強大于洛倫茲力和絕緣介質(zhì)的束縛力時發(fā)生爆炸。爆炸導(dǎo)致高壓回路導(dǎo)通， C2經(jīng)過開關(guān)在高壓回路釋放出脈沖大電流。

2 觸發(fā)極橋區(qū)電爆炸過程仿真

一維反應(yīng)流體動力學(xué)程序SSS可處理炸藥爆轟、激光燒蝕、熱傳導(dǎo)、沖擊波傳播等物理問題。在SSS程序基礎(chǔ)上，引進包含固-液-氣-等離子體4個狀態(tài)的 SESAME狀態(tài)方程庫以及含固-液-氣-等離子體4個狀態(tài)的Burgess 電阻率模型和放電回路方程，以實現(xiàn)微型金屬箔電爆炸過程的計算。其中SESAME數(shù)據(jù)庫是一個列表式數(shù)據(jù)庫，具有相當(dāng)廣的溫度和密度應(yīng)用范圍（≈0～105K，/0≈10-2～104），可以準確地表示物質(zhì)的相變，以溫度和密度為自變量，可給出壓力和內(nèi)能。含外電路的一維動力學(xué)程序的控制方程組為：

式（1）中：為比容；為單位面積的質(zhì)量；為拉氏坐標；為速度；em為單位體積的洛侖茲力；為溫度；為熱傳導(dǎo)系數(shù)；為比內(nèi)能；為金屬箔上焦耳熱的沉積功率；，為總壓力，為壓力，為人工粘性；，為總比能。其中，洛侖茲力em和能量沉積功率僅在金屬箔區(qū)域參與計算。

外電路方程為：

式（2）中：為回路電容；為回路總電感；為回路總電阻；0為電容器初始充電電壓；()為放電回路電流。

沉積在金屬箔上的焦耳熱計算公式：

假定電爆炸過程中放電電流流經(jīng)爆炸箔整個橫截面。放電初始階段，沿厚度方向電阻率基本為常數(shù)，電流在金屬箔截面均勻分布，電爆炸之后，不同位置處等離子體密度與溫度的差異，使得沿厚度方向電阻率不再保持為常數(shù)，爆炸箔截面的電流分布亦不再均勻。

爆炸箔厚度方向的線電流分布見式（4）：

式（4）中：()為爆炸箔兩端電壓；(,) 為爆炸箔電阻率；為爆炸箔長度。

將金屬箔看作沿其厚度方向多個電阻的并聯(lián)，金屬箔的電阻可由式（5）給出：

式（5）中：()為金屬箔厚度。

電感增量L主要是膨脹的金屬箔自感的變化導(dǎo)致，高頻電流下矩形截面直導(dǎo)線電感*見式（6）：

爆炸箔膨脹導(dǎo)致的電感變化為：

對Burgess電阻率模型，不同相的電阻率表達式為：

（8）

式（8）~（9）中：1、2、3、4為擬合參數(shù)；為格林愛森系數(shù)。

式（10）中：為參數(shù)；L為融化潛熱；θ為熔點溫度。

氣相區(qū)的電阻由兩部分組成：電子與離子的碰撞以及電子和質(zhì)子的碰撞。電阻率表述為：

因此，氣態(tài)區(qū)電阻率為：

（12）

改進后的一維動力學(xué)程序，只需輸入電容、電感、電阻、充電電壓、橋箔尺寸、橋箔材料等參數(shù)，即可得到計算模型區(qū)域的多個物理量，以及放電回路的各物理參數(shù)，如圖2所示。為了提高觸發(fā)回路的能量利用率，希望在觸發(fā)電流波形的1/4周期電流峰值處發(fā)生電爆炸。計算得到在外電路參數(shù)為=0.33μH，=0.3Ω，觸發(fā)極橋區(qū)材料為銅，結(jié)構(gòu)尺寸為85μm× 85μm×4μm，外電路電壓500V時，電爆炸在觸發(fā)電流的1/4周期峰值處發(fā)生。根據(jù)對爆炸產(chǎn)物的內(nèi)能計算知道此時為臨界爆炸狀態(tài)（金屬氣體恰好發(fā)生等離子體化），如圖3所示。

圖2 一維動力學(xué)程序的計算流程

圖3 500V時的臨界爆炸

3 DYNA仿真平面高壓開關(guān)導(dǎo)通過程

觸發(fā)極橋區(qū)在能量快速注入時，會產(chǎn)生四態(tài)相變并形成高溫、高壓的金屬氣體，當(dāng)氣體壓強大于洛侖茲力和絕緣介質(zhì)的束縛力時發(fā)生爆炸?？梢詫⒈〞r的觸發(fā)極橋區(qū)等效成壓縮氣體，并假設(shè)其在電爆炸點處才開始對外膨脹做功，來仿真開關(guān)從電爆炸到導(dǎo)通時的物理過程。圖4為500V時觸發(fā)極橋區(qū)金屬氣體的比內(nèi)能和壓力，以此作為DYNA計算的狀態(tài)方程的輸入?yún)?shù)。

圖4 500V時的臨界爆炸的比內(nèi)能和壓力

由圖4可知，在500V的臨界爆炸情況下，壓力在12ns內(nèi)由0升至1.3GPa，維持約4ns，再經(jīng)33ns下降至460MPa；金屬箔厚度4μm，銅的體波聲速 3.9km/s，擾動增長臨界時間4 /3.9 =1ns。

這里與真實情況的差別在于，實際中金屬氣體在大于一定的壓力時就開始膨脹，而這里假設(shè)在壓力達到最大值1.3GPa時才開始膨脹。由前述可知，金屬氣體的壓力在12ns內(nèi)由0升至1.3GPa，由于存在洛侖茲力和絕緣介質(zhì)的束縛力，并且這個束縛力很大，因此從金屬氣體膨脹到爆炸的時間間隔很小，估計僅有幾納秒，而從爆炸到絕緣層被剪切需要20ns的時間，因此這個差別對整個過程的影響很小，基本可以忽略。

圖5為仿真時的三維模型。爆炸箔結(jié)構(gòu)尺寸85μm×85μm×4μm；聚酰亞胺的拉伸強度為120 MPa。圖6的仿真過程分析：=0ns時，紅色區(qū)域為壓力為1.3GPa壓縮的金屬氣體，藍色的為高壓電極，綠色的為聚酰亞胺；=15ns時，金屬氣體對外膨脹做功，將觸發(fā)極與高壓極間隙處的聚酰亞胺拉裂擠出；=20ns時，金屬氣體將間隙處的聚酰亞胺完全擠出，膨脹的金屬氣體將高壓電極直接連通。這時對外的表現(xiàn)是將覆蓋在觸發(fā)電極和高壓電極上的聚酰亞胺剪切炸飛。

圖5 平面高壓開關(guān)DYNA三維模型

圖6 500V臨界爆炸開關(guān)導(dǎo)通過程DYNA仿真

由膨脹的金屬氣體將高壓電極直接連通的導(dǎo)通機理可以直接推出開關(guān)的電流波形情況：高壓電極出現(xiàn)電流的滯后時間是由觸發(fā)極橋區(qū)電爆炸過程決定的，也就是從金屬氣體膨脹到將聚酰亞胺剪切的時間，此過程時間長則滯后的時間長，此過程時間短則滯后的時間短。在本文500V的條件下，時間差在十幾納秒，因此觸發(fā)電流波形的爆炸點與高壓電極電流出現(xiàn)的時間差時幾乎是同時出現(xiàn)的；由于高壓電極是由金屬氣體直接連通的，因此可以等效認為，觸發(fā)極電爆炸時刻，將一個電阻接入高壓電極的間隙處。

4 平面高壓開關(guān)的制作和測試

4.1 平面高壓開關(guān)的制作

開關(guān)采用微機電技術(shù)加工制造。開關(guān)的基片材料是一塊55mm×55mm×0.5mm厚（±25μm）、單面拋光、最大光潔度為25.4nm的99.6%的純氧化鋁陶瓷基片。

首先是清洗工藝。用丙酮將基片擦拭干凈，丙酮、乙醇和DI各超聲10min； DI煮沸10min兩遍，高壓純凈氮氣槍吹干，放入100℃烘箱中烘2h以上。然后進行3層金屬薄膜的沉積，其中500?的Ti作為粘接輔助層，4μm的銅作為導(dǎo)體層，3 000?的Au作為抑制氧化層。

從沉積室里取出基片后，立即以2 000rpm/40s旋涂牌號為RZG 304正光刻膠層，光刻膠覆蓋的基片采用接觸光刻（Suss MA6）曝光8s，用RZX 3038顯影后，在去離子水中漂洗后用氮氣吹干。用KI∶I∶DI=40(g)∶10g∶100（mL）配比的溶液腐蝕掉裸露的Au，用配比為FeCl3∶DI=1∶2溶液腐蝕裸露出的Cu。用HF∶CH3COOH∶DI=1∶100∶100配比的溶液腐蝕裸露出的Ti。然后在去離子水中漂洗干凈，用氮氣槍吹干。用丙酮、乙醇去光刻膠，接著在去離子水中漂洗，用氮氣吹干。

檢測之后，以1 500rpm/40s旋涂兩層聚酰亞胺（ZKPI-305ⅡD），兩遍之間水平放置150℃烘30min。隨后1 500rpm/40s旋涂BN303-60負膠，經(jīng)光刻顯影后，在45%的NaOH溶液中腐蝕裸露出的聚酰亞胺，漏出金屬電極后，在去離子水中漂洗干凈，用氮氣槍吹干。在300℃可編程高烘箱里烘烤基片1h完成亞胺化。劃片后的裸芯片的尺寸是10mm×10mm。

4.2 平面開關(guān)的電流波形測試

對制得的芯片進行電學(xué)參數(shù)測試。測試電路圖如圖7所示。主回路電容為0.39μF，觸發(fā)回路電容為0.13μF，DW-P202-3D36為升壓模塊，實現(xiàn)15~1 250V的電壓變換，對主回路電容充電。觸發(fā)回路采用直流電壓源PS350/5 000V-25W為觸發(fā)電容充電。采用兩個帶衰減頭（衰減1 000倍）的電流線圈，經(jīng)4通道示波器TDS7404B采集回路中的電壓波形。對觸發(fā)極回路加載500V測試，得到的電流波形如圖8所示。由圖8可以看出，觸發(fā)極橋區(qū)在電流波形最高點發(fā)生爆炸，幾乎同時高壓電極開始出現(xiàn)脈沖電流，這與前面的仿真結(jié)果是一致的。

圖8 平面高壓開關(guān)電流波形圖

5 結(jié)論

通過對電爆炸與金屬氣體膨脹的分段連續(xù)仿真，得到了高壓電極出現(xiàn)電流的滯后時間是由觸發(fā)極橋區(qū)電爆炸過程決定的，高壓電極是由電爆炸金屬氣體膨脹直接連通的結(jié)論，并得到了實驗驗證。由結(jié)論可以知道，這種開關(guān)從加電到高壓電流出現(xiàn)的時間分散性是由電爆炸過程控制的，如果對觸發(fā)極橋區(qū)的加工尺寸的一致性進行有效控制，或者提高觸發(fā)電極的起爆電壓，那么開關(guān)導(dǎo)通時間的分散性，也即是電流波形的一致性將會很好，這種特性使得開關(guān)不僅可以用于單一的高壓起爆系統(tǒng)，還可以很好地應(yīng)用在分布式起爆系統(tǒng)中。

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Study on the Conduction Characteristics of Planar Discharge Switch

PANG Shu-cai1，HE Jia2，LUO Bin-qiang2，WANG Bin1

(1.Institute of Electronic Engineering, CAEP, Mianyang，621999；2. Institute of Fluid Physics, CAEP, Mianyang，621999)

Based on piecewise constant simulation, a research on the conduction characteristics of planar discharge switch (PDS) covered by polyimide, which was manufactured by micro electric mechanical techniques was carried out,taking the metal vapor pressure calculated in electric exploding as input, and the electric exploding of the bridge area is considered as doing work by compressed gas expanding. The simulation showed that the lagging time of current in high voltage electrodes is determined by the exploding progress of triggers, the exploding metal gas expands and conducts the high voltage poles directly. At last, a PDS sample is fabricated and the tested circuit waveform coincides with the simulator very well.

Exploding foil initiator systems；High voltage switch；Micro electric mechanical techniques；Electric explode；Simulation

1003-1480（2015）03-0014-05

TJ450.1

A

2014-12-26

龐樹財（1973-），男，工程師，主要從事高壓開關(guān)方面的研究。

中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金重點項目（2012A0203009）。