基于MEMS技術(shù)的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸藥試驗研究

李可為，褚恩義，薛 艷，解瑞珍，任小明，任 西，張玉若

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

基于MEMS技術(shù)的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸藥試驗研究

李可為，褚恩義，薛 艷，解瑞珍，任小明，任 西，張玉若

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

采用MEMS技術(shù)制備了一體化集成的EFI芯片，研究了EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸藥的能力，試驗結(jié)果表明在起爆電壓高于2 400V下EFI芯片能夠成功起爆HNS-Ⅳ炸藥，并且可靠地剪切出飛片。設(shè)計了3種橋箔和加速膛尺寸匹配關(guān)系的EFI芯片，用蘭利法測試其發(fā)火感度。結(jié)果表明橋箔尺寸為0.3mm×0.4mm、加速膛直徑為0.3mm時，EFI試驗件的發(fā)火感度最高，50％發(fā)火電壓為1 928V，全發(fā)火電壓為2 013V。

EFI；MEMS；橋箔；飛片；加速膛；起爆

爆炸箔起爆器（Exploding Foil Initiator，簡稱EFI）是目前最為安全鈍感的火工品[1-2]。近年來，隨著MEMS技術(shù)在火工品領(lǐng)域的深入發(fā)展，集成化、批量化制備已經(jīng)成為EFI的發(fā)展方向。2005年以來，中國工程物理研究院和北京理工大學(xué)等單位[3-5]先后制備出基于MEMS技術(shù)的EFI芯片，但是關(guān)于采用新工藝制備的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸藥的報道很少，基于MEMS技術(shù)的EFI芯片還停留在設(shè)計層面。為此，本課題組制備了一種新型的基于MEMS技術(shù)的EFI芯片，并開展相關(guān)研究。

1 試驗

1.1 樣品制備

制備的EFI芯片如圖1所示?；镜闹苽涔に嚵鞒虨椋菏紫仍谝r底層上濺射銅膜，然后進(jìn)行圖形化制備橋箔，在橋箔上面進(jìn)行勻膠顯影等工藝操作制備PMMA光刻膠飛片，在飛片層上利用相同的工藝制備SU8光刻膠加速膛，最后進(jìn)行劃片分割。

圖1 EFI芯片(放大100倍)Fig.1 EFI Chip（×100）

試驗的樣品從整版芯片中隨機(jī)抽取。采用HNS-Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)炸藥柱，其直徑（帶管殼）和高度均為3mm，壓藥密度為1.6g/cm3。為了便于裝配藥柱，先將芯片用雙面膠固定在亞克力玻璃片上；然后將錫線焊接在芯片焊盤兩側(cè)，以減少引線的電阻，使引線與焊盤之間有良好的歐姆接觸；最后將藥柱的中心對準(zhǔn)加速膛，同時用膠帶固定，完成試驗件的制備。制備好的EFI試驗件如圖2所示。

圖2 EFI試驗件Fig.2 EFI sample

1.2 試驗裝置

試驗的起爆回路裝置主要包括高壓電源和脈沖功率源，脈沖功率源又包括薄膜電容、高壓開關(guān)、升壓器和電路等，起爆回路如圖3所示。為了盡量減少起爆回路參數(shù)對爆炸箔起爆器試驗件發(fā)火感度的影響，試驗采用文獻(xiàn)[6]優(yōu)化的起爆回路等效參數(shù)，即儲能電容容量為0.2μF，放電回路等效電感為57nH，等效電阻為68m?。

圖3 EFI試驗件起爆回路Fig.3 Initiation circuit of EFI

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 起爆HNS-IV試驗

根據(jù)研究經(jīng)驗，在不同的電容充電電壓下進(jìn)行了起爆HNS-IV試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同起爆電壓下EFI試驗件發(fā)火情況Tab.1 Firing test results of EFI with different initiation voltage

從表1可以看出在電容充電電壓高于2 400V時，EFI芯片可以成功起爆HNS-IV，低于2 200V時均未能起爆。說明利用PMMA光刻膠和SU-8光刻膠能夠用作飛片和加速膛，且采用表1所示的參數(shù)設(shè)計是合理的。試驗中未起爆的炸藥柱如圖4所示。

圖4 未發(fā)火藥柱照片F(xiàn)ig.4 Photo of non-explosive grain

由圖4可見，所有的未起爆炸藥柱上均出現(xiàn)了凹痕，隨著起爆電壓的增加，凹痕深度越來越明顯，且凹痕顏色逐漸變黑，說明炸藥柱在飛片的作用下，先由普通壓痕逐漸轉(zhuǎn)為爆燃的過程。試驗結(jié)果證明了EFI芯片能夠可靠地剪切出飛片。

2.2 橋箔參數(shù)匹配試驗

楊振英、張玉若[7-8]等人的研究結(jié)果表明，橋箔和加速膛的尺寸匹配能夠顯著影響EFI的發(fā)火感度，為了優(yōu)化EFI的設(shè)計參數(shù)，降低EFI的發(fā)火電壓，固定其他參數(shù)不變，設(shè)計了3種不同橋箔尺寸匹配不同直徑加速膛的EFI芯片，具體設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 3種EFI芯片設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of three kinds of EFI chip

根據(jù)金屬薄膜電阻的計算公式：

式（1）中：r為電阻；ρ為金屬電阻率；l為金屬長度；S為金屬薄膜截面的面積。S=ab，則：

式（2）中：a、b分別為薄膜厚度和寬度。

對于方形橋箔來說，l=b，則 r=ρ/a。對于銅爆炸箔來說，ρ為固定值，因此電阻r與橋箔的厚度a成反比。可見橋箔電阻的一致性與橋箔形狀的一致性具有密切的聯(lián)系，而根據(jù)爆炸箔起爆器作用原理，橋箔厚度的一致性又與爆炸箔起爆器的起爆標(biāo)準(zhǔn)偏差密切相關(guān)；另外測量橋箔的電阻還可以便于識別試驗件裝配過程中出現(xiàn)的焊點松動等異常試驗件，因此測量橋箔電阻很有必要。在制備的3種試驗件中隨機(jī)抽取試驗件，利用低電阻測試儀測量了橋箔的電阻。3種試驗件測試的電阻數(shù)值如表3所示。

由表3可以看出，本文制備的橋箔電阻一致性良好。利用蘭利法測試3種試驗件的發(fā)火感度。鑒于蘭利法能夠在較小的樣本數(shù)量下快速收斂到平均值的特點[9]。1#和3#試驗件的感度下限設(shè)置為1 000V，感度上限設(shè)置為3 000V，2#試驗件的感度下限設(shè)置為1 600V，感度上限設(shè)置為2 400V。利用前述的試驗裝置，按照蘭利法要求的起爆電壓得到3種EFI試驗件的發(fā)火情況，如表4所示，計算得到的發(fā)火感度數(shù)值如表5所示。

表3 EFI試驗件橋箔電阻 （mΩ）Tab.3 Resistance of EFI sample

表4 EFI試驗件發(fā)火情況Tab.4 Firing test results of the EFI sample

表5 3種EFI試驗件發(fā)火感度數(shù)據(jù)Tab.5 The firing sensitivity of three kinds of EFI sample

3種EFI試驗件50％發(fā)火電壓隨橋箔截面積的變化如圖5所示。

圖5 EFI試驗件50％發(fā)火電壓隨橋箔截面積變化Fig.5 The change curve of average firing voltage with the sectional area

從表5可以看出，1#試驗件的50％發(fā)火電壓最低，達(dá)到1 928V，3#試驗件50％發(fā)火電壓最高，為2 530V。可見隨著橋箔和加速膛匹配尺寸的增大，發(fā)火電壓呈逐漸增高的趨勢。全發(fā)火電壓和不發(fā)火電壓也有類似的變化規(guī)律。此外，3種尺寸的EFI試驗件發(fā)火標(biāo)準(zhǔn)偏差也有明顯區(qū)別，鑒于蘭利法試驗數(shù)量小，對于預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)偏差精度不夠高，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)偏差在合理的變化區(qū)間。分析50％發(fā)火電壓的變化規(guī)律。根據(jù)飛片速度的電格尼能模型[10]，飛片的最大速度為：

式（3）中：vf為飛片的最大速度，m/s；Eeg為銅的電格尼能；ρf為飛片的密度，g·cm-3；df為飛片的厚度，m；ρe為橋箔的密度，g·cm-3；de為橋箔的厚度，m。銅的電格尼能又可以表示為：

式（4）中：Jb為橋箔爆發(fā)電流密度，A/m2；k,n為常數(shù)。簡化Jb的計算方法為：

式（5）中：I為爆發(fā)電流，A；S為橋箔橋區(qū)的截面積，m2。

所以：

在橋箔材料、厚度、飛片材料和厚度確定的情況下，飛片的最大速度僅由Eeg決定，對于銅橋箔，k=4.2×10-2，n=0.85。當(dāng)橋箔的電阻變化不大、爆發(fā)電流變化不大時，可以近似認(rèn)為是常數(shù)，飛片的最大速度可以表示為：

式（7）中：A為正常數(shù)。由式（7）可見飛片的最大速度隨著橋箔截面積的增加而減小。1#試驗件橋箔的截面積S1=1.2×10-9m2，2#試驗件橋箔的截面積S2=1.6×10-9m2，3#試驗件橋箔的截面積S3=2.0×10-9m2，S3＞S2＞S1，因此vf1＞vf2＞vf3。根據(jù)單質(zhì)炸藥沖擊起爆機(jī)理，飛片與炸藥的沖擊過程中壓力與時間的量只有超過常數(shù)pnτ才能將炸藥起爆，其中τ代表飛片與炸藥柱表面的作用時間，取決于飛片的厚度；p為飛片在撞擊炸藥過程中激起的沖擊波壓力，取決于飛片的速度v。因此，試驗件的50％發(fā)火感度隨著橋箔截面積的增加而增加（圖5）。試驗結(jié)果與理論分析符合的較好。

從試驗結(jié)果來看，在橋箔爆發(fā)能量滿足起爆要求的情況下，小尺寸橋箔配備小尺寸的加速膛可以顯著降低EFI的發(fā)火電壓。基于MEMS技術(shù)的EFI芯片不存在裝配困難的問題，可以考慮嘗試0.3mm以下的橋箔配備直徑0.3mm以下的加速膛。

3 結(jié)論

本研究開展了基于MEMS技術(shù)的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸藥的試驗，主要結(jié)論如下：

（1）基于MEMS技術(shù)的EFI芯片可以可靠地剪切出飛片，且在一定的電壓下可以成功起爆HNS-Ⅳ炸藥。

（2）采用蘭利法測試了3種橋箔加速膛尺寸匹配下試驗件的發(fā)火感度，橋箔0.3mm×0.4mm、加速膛刀口直徑為0.3mm時爆炸箔起爆器試驗件的發(fā)火電壓最低，此時全發(fā)火電壓為2 013V，50％發(fā)火電壓為1 928V，標(biāo)準(zhǔn)差為28V。

（3）飛片速度的電格尼能公式和單質(zhì)炸藥的沖擊起爆理論能夠很好地解釋不同橋箔加速膛尺寸匹配關(guān)系下新型EFI試驗件發(fā)火感度存在偏差的原因。

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Experimental Study on HNS Initiated by EFI Chip Based on MEMS Technology

LI Ke-wei，CHU En-yi，XUE Yan，XIE Rui-zhen，REN Xiao-ming，REN Xi，ZHANG Yu-ruo
（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi′an,710061）

The MEMS technology was used to prepare an integrated EFI chip, and the ability of EFI chip initiating HNS- IV explosive was studied. The test results showed that the EFI chip can successfully initiate HNS- IV explosives, and can shear a flyer reliably under 2 400V voltage. Three kinds of EFI chip with different foil and barrel size matching was designed, and their firing sensitivity was tested with the Langlie method. It showed that when the size of the bridge foil is 0.3mm×0.4mm, and the barrel diameter is 0.3mm, the firing sensitivity of the EFI is the highest, the average firing voltage is 1 928V, the full firing voltage is 2 013V.

EFI；MEMS；Exploding foil；Flyer；Barrel；Initiation

TJ45+3

A

1003-1480（2016）06-0001-04

2016-10-17

李可為（1992-），男，在讀碩士研究生，主要從事MEMS爆炸箔起爆器研究。