電火工品電磁環(huán)境適應(yīng)性的研究進(jìn)展及展望

王 軍， 李 勇， 周 彬， 陳厚和， 杜偉強(qiáng)， 范曉巍

(1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621999)

1 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)武器系統(tǒng)中電子和電子系統(tǒng)的日益增多，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜性也隨之增強(qiáng)。電子系統(tǒng)工作過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的電磁波。一方面，電磁波會(huì)造成電子設(shè)備之間的電磁兼容性問題；另一方面，電磁輻射能量通過天線、孔縫和電纜等途徑耦合進(jìn)入武器系統(tǒng)內(nèi)部，輕則引起武器系統(tǒng)性能的退化，嚴(yán)重之時(shí)會(huì)導(dǎo)致火工品誤爆造成人員傷亡等事故。實(shí)驗(yàn)表明[1-2]，處于電磁輻射環(huán)境中的橋絲式火工品，其敏感頻率只與腳線長度有關(guān)，不受火工品開路或短路狀態(tài)的影響；在敏感頻率下，安全電流[3]為25 mA的橋絲式火工品耦合的最大感應(yīng)電流可達(dá)160 mA，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其安全電流規(guī)定值(25 mA)。此外，橋絲式火工品[4]在20 kV(500 pF，5 kΩ)以上的靜電沖擊作用下，橋絲會(huì)發(fā)生形變、電阻顯著下降、溫度上升并會(huì)影響與其接觸的藥劑。半導(dǎo)體橋火工品[5]在受到靜電沖擊后，橋區(qū)尖角處的硅材料會(huì)發(fā)生汽化，導(dǎo)致橋區(qū)變得鈍感并影響其發(fā)火性能。為解決電火工品在電磁環(huán)境下的安全性和可靠性問題，美國從20世紀(jì)60年代起就開始對(duì)武器系統(tǒng)及火工元件的抗電磁干擾能力制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，MIL-STD-461C[6]將電磁環(huán)境的內(nèi)涵定義為電磁輻射(EMR)、電磁干擾(EMI)、電磁脈沖(EMP)、靜電(ESD)、雷電(LE)和電源瞬變(PST)，規(guī)定引信、軍械系統(tǒng)和航天飛行器用火工裝置在上述六種電磁環(huán)境中均需保證安全。

電火工品種類繁多，依據(jù)所采用的電發(fā)火件，電火工品通?？煞譃闃蚪z、橋帶、半導(dǎo)體橋、爆炸橋絲和爆炸箔等。其中爆炸橋絲和爆炸箔是高壓電火工品，本身較為鈍感并具有良好的電磁防護(hù)性能。但是需要上千伏的高壓來激發(fā)以實(shí)現(xiàn)發(fā)火，受武器系統(tǒng)電源、彈上電爆系統(tǒng)可用空間和成本因素的限制，其大規(guī)模應(yīng)用仍存在一定的局限性。與爆炸橋絲和爆炸箔相比，橋絲、橋帶和半導(dǎo)體橋電火工品具有體積小、成本低和發(fā)火能量低等優(yōu)勢(shì)，并在武器系統(tǒng)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。但是低發(fā)火能量也導(dǎo)致它們對(duì)電磁環(huán)境更加敏感，尤其是面對(duì)靜電和電磁輻射(射頻)兩種電磁環(huán)境時(shí)。因此，如何提高橋絲、橋帶和半導(dǎo)體橋電火工品的抗靜電和抗射頻能力就是研究者所要面臨的問題。目前上述三種電火工品的抗靜電和抗射頻設(shè)計(jì)方法主要包括采用綜合防護(hù)加固技術(shù)(分立器件防護(hù)型設(shè)計(jì)和集成器件型防護(hù)設(shè)計(jì))和設(shè)計(jì)新型鈍感型電火工品。本文從上述兩個(gè)方面對(duì)國內(nèi)外電火工品的防靜電和防射頻技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和討論。

2 電火工品電磁兼容性設(shè)計(jì)方法

電火工品的電磁兼容性設(shè)計(jì)方法包括綜合防護(hù)加固技術(shù)(分立器件防護(hù)型設(shè)計(jì)和集成器件型防護(hù)設(shè)計(jì))和新型鈍感型電火工品的設(shè)計(jì)。綜合防護(hù)加固技術(shù)是通過在電火工品上增加衰減器等防護(hù)器件，來吸收或旁路電火工品從電磁場(chǎng)中耦合的能量，使換能元上耦合的能量低于臨界發(fā)火能量，從而保證電火工品的安全。由于射頻和靜電對(duì)電火工品造成的損傷機(jī)理不同，一般分別采用不同的防護(hù)型器件來進(jìn)行電磁防護(hù)。對(duì)于射頻環(huán)境，耦合入電火工品的能量一般是以熱積累的形式造成損傷[7]，常用加固器件有鐵氧體材料、陶瓷電容和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻等。而對(duì)于靜電環(huán)境，其一般是大電流短脈沖信號(hào)，瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)造成電火工品的局部擊穿，常用防護(hù)器件有齊納二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、壓敏電阻和肖特基二極管等。而新型鈍感型電火工品的設(shè)計(jì)是通過改變換能元的材料、形狀或設(shè)計(jì)新型換能元的方式來實(shí)現(xiàn)靜電和射頻加固的要求。

2.1 綜合防護(hù)加固技術(shù)

2.1.1 分立器件防護(hù)型設(shè)計(jì)

2.1.1.1 鐵氧體材料和電容組合型

鐵氧體材料是一種燒結(jié)形成的金屬氧化物，常用于電源線和抑制信號(hào)線來吸收高頻信號(hào)和靜電放電脈沖等干擾信號(hào)，其特點(diǎn)為低頻電磁環(huán)境下呈低阻抗特性，而在高頻電磁環(huán)境下呈高阻抗特性。一般將其與換能元串聯(lián)使用，當(dāng)電火工品處于低頻電磁環(huán)境時(shí)，鐵氧體材料呈現(xiàn)低阻特性，發(fā)火信號(hào)正常流過腳線，不會(huì)對(duì)電火工品的正常發(fā)火造成影響。而隨著射頻頻率的升高，鐵氧體磁珠的阻抗也在不斷增加，高頻電流通過鐵氧體材料的渦流損耗以熱的形式耗散掉，極大地衰減了到達(dá)換能元上的能量，從而保證了電火工品在高頻電磁環(huán)境下的安全性。

1958年，Maurice等[8]首次將鐵氧體材料填充在腳線周圍(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，用來吸收和衰減腳線中感應(yīng)的高頻電流，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)腳橋絲式電火工的射頻加固。但是在加工過程中，發(fā)現(xiàn)鐵氧體材料的填充、接觸點(diǎn)的密封及焊接和體積等問題都大大增加了加工的難度和成本。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，逐漸出現(xiàn)了鐵氧體磁珠等標(biāo)準(zhǔn)化電子器件，這就大大簡化了鐵氧體材料的應(yīng)用。國內(nèi)于2009年[9]首次將鐵氧體磁珠用于低發(fā)火能量半導(dǎo)體橋火工品的射頻加固，在連續(xù)波注入條件下，發(fā)現(xiàn)片式磁珠能將半導(dǎo)體橋的全發(fā)火功率從13 W提高到17 W。隨后，任煒等[3]通過電磁輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)橋絲式火工品在敏感頻率附近的感應(yīng)電流(160 mA)極大的超過該火工品所允許的安全電流(25 mA)，在兩根腳線上分別串聯(lián)兩個(gè)層疊片式鐵氧體磁珠后，火工品上的感應(yīng)電流衰減了30%。上述研究表明，不管射頻能量是以輻射耦合還是傳導(dǎo)耦合的方式饋入電火工品中，鐵氧體磁珠均能夠有效衰減射頻環(huán)境下耦合的能量。

圖1 鐵氧體材料和電容防護(hù)型橋絲式火工品[8]

Fig.1 Bridge-wire initiator with integral ferrite materials and capacitive for attenuating RF[8]

電容作為濾波器中常用器件，具有體積小成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)于換能元兩端時(shí)，其容抗是頻率的函數(shù)(1/jωC)；設(shè)換能元電阻為R，換能元支路和電容支路的分電流之比則由它們的阻抗大小來決定。處于低頻電磁環(huán)境時(shí)，ω<<1/RC，電容支路的阻抗遠(yuǎn)大于換能元支路，此時(shí)電流大多流經(jīng)換能元支路，電容不會(huì)對(duì)正常發(fā)火信號(hào)造成影響。而處于高頻電磁環(huán)境時(shí)，ω>>1/RC，電容支路的阻抗遠(yuǎn)小于換能元支路，射頻產(chǎn)生的交流信號(hào)大多從電容支路流走，從而保證了換能元的安全。因此，通過選擇一定容值的電容，可以對(duì)特定頻段的射頻信號(hào)產(chǎn)生截止效應(yīng)。

1999年，Novotney等[10]將電容用于半導(dǎo)體橋的射頻加固，測(cè)試了不同頻率的連續(xù)波(低于1 GHz/18 W)和脈沖波(2.7、5.4、16 GHz/6 W和33 GHz/6 W)注入條件下半導(dǎo)體橋火工品的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)所有樣品在電容的保護(hù)下均未發(fā)火。2002年，King等[11]將電容用于半導(dǎo)體橋的靜電加固，基于Fisher靜電放電模型，測(cè)試了1 μF陶瓷電容的靜電防護(hù)效果，實(shí)驗(yàn)表明電容有效抵抗了靜電的沖擊且保證了靜電沖擊后半導(dǎo)體橋臨界發(fā)火電壓的一致性。2012年，南京理工大學(xué)任鋼[12]采用貼片電容(101電容和104電容)對(duì)半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行射頻加固，射頻注入實(shí)驗(yàn)表明電容可以將半導(dǎo)體橋的抗射頻功率從14.15 W提升到20 W，且并聯(lián)的電容不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體橋的電爆性能造成影響。

除分別使用上述兩種將防護(hù)器件外，還可將兩者進(jìn)行組合，使其既具有良好的射頻防護(hù)性能又具有一定的靜電防護(hù)性能。Shores等[13]利用鐵氧體磁珠和電容構(gòu)造了π型濾波器，并將其引入到橋絲式電火工品中，其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖2所示，構(gòu)成的π型濾波器能濾除特定波段的射頻。Henderson等[14]基于印刷電路板工藝，將換能元、鐵氧體磁珠和電容進(jìn)行了板上集成設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖3所示。在10～100 MHz的射頻注入條件下，測(cè)試結(jié)果表明防護(hù)前后芯片表面溫度明顯降低。上述研究結(jié)果均表明了鐵氧體磁珠和電容組合使用的有效性。

a. cross-sectional view of the squib device

b. schematic diagram of the equivalent circuit of the device

圖2 低通濾波器防護(hù)型橋絲式火工品[13]

Fig.2 Low-pass filter for Bridge-wire initiator[13]

a. layout design and assemble device

b. schematic diagram for hybird filter and electroexplosive circuit

圖3 集成鐵氧體磁珠和貼片電容防護(hù)型火工品[14]

Fig.3 An RF-insensitive hybrid electroexplosive device incrporating an integral filter[14]

目前所采用的鐵氧體磁珠主要為層疊片式鐵氧體磁珠和線圈式鐵氧體磁珠，前者需要設(shè)計(jì)一定的封裝結(jié)構(gòu)將其封裝于電火工品內(nèi)部，后者只需將其串在電火工品腳線上即可，因此實(shí)際使用過程中一般根據(jù)電火工品的結(jié)構(gòu)來選擇不同類型的磁珠。由于鐵氧體磁珠的射頻抑制效果與其體積呈正比，所以當(dāng)需要對(duì)高頻射頻進(jìn)行防護(hù)時(shí)，其體積成為制約其使用的關(guān)鍵因素。此時(shí)，將貼片電容與其組合使用，恰能彌補(bǔ)磁珠高頻防護(hù)效果不佳的缺點(diǎn)，已有研究結(jié)果表明鐵氧體磁珠和電容組合防護(hù)的方法能夠有效提高橋絲式或半導(dǎo)體橋電火工品的抗射頻能力，但是其抗靜電能力還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.1.1.2 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一類對(duì)熱敏感的電子器件，常溫時(shí)呈高阻特性，且阻值隨著外界溫度的升高而呈躍階式減小，一般將其并聯(lián)在換能元兩端且與陶瓷塞底座緊密相連。電火工品處于射頻環(huán)境中時(shí)，腳線耦合的能量在換能元上產(chǎn)生熱積累效應(yīng)，熱量不斷向四周傳播，此時(shí)緊貼陶瓷基底的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻吸收熱量阻值迅速降低，分走電流的比例與熱敏電阻和換能元之間的電阻變化呈一定關(guān)系，當(dāng)陶瓷基底溫度不再上升時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)換能元支路的能量大大衰減，從而保證了換能元的安全。而對(duì)于正常的發(fā)火信號(hào)而言，一般為短脈沖(幾十毫秒內(nèi))信號(hào)，火工品的爆發(fā)過程可以當(dāng)作絕熱狀態(tài)，此時(shí)熱敏電阻的阻值還來不及發(fā)生變化，因此不會(huì)對(duì)電火工品的發(fā)火性能造成影響。

CHEN[15]和李勇[16]等首次將熱敏電阻用于半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行射頻加固，射頻注入實(shí)驗(yàn)表明并聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻之前，半導(dǎo)體橋的全發(fā)火射頻功率為17.1 W，并聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻后，同等條件下的半導(dǎo)體橋均不發(fā)火；安全電流實(shí)驗(yàn)表明[15]，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻能有效分走59%的回路電流，大大降低了換能元上的能量，防護(hù)效果顯著，其熱成像圖和芯片橋區(qū)溫度變化如圖4所示。

試驗(yàn)表明負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的使用能夠有效提高電熱火工品的抗射頻能力，同時(shí)其具有體積小、可重復(fù)使用和易于封裝等優(yōu)點(diǎn)。但是由于該器件為溫度敏感型器件，受環(huán)境溫度影響較大，因此無法適應(yīng)極端氣候條件。在常溫條件下使用時(shí)，僅適用于具有較好傳熱效果的基座(如陶瓷基座等)，且在封裝過程中需要使用導(dǎo)熱性良好的固化膠進(jìn)行粘結(jié)，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。

a. thermal image of SCB

b. temperature-time variation of SCB film

圖4 NTC熱敏電阻用于半導(dǎo)體橋射頻防護(hù)[15]

Fig.4 EMC protection of SCB igniter by using SMD-based NTC thermistors[15]

2.1.1.3 齊納二極管

齊納二極管又稱穩(wěn)壓二極管，其常用于電子電路中，用來保護(hù)電子線路中的精密元器件。將齊納二極管并聯(lián)在換能元兩端，利用PN結(jié)的反向擊穿原理來實(shí)現(xiàn)靜電的防護(hù)，當(dāng)靜電脈沖通過腳線傳至電火工品上時(shí)，齊納二極管很快響應(yīng)并被擊穿形成低阻抗通路。該支路的阻抗遠(yuǎn)低于換能元支路阻抗，因此大量的靜電能量從二極管支路流走，起到保護(hù)換能元的目的；當(dāng)靜電脈沖消失后，齊納二極管又能迅速恢復(fù)到初始高阻狀態(tài)，不對(duì)發(fā)火信號(hào)造成影響。利用這種能對(duì)靜電多次響應(yīng)的防護(hù)器件，可有效提高電火工品的抗靜電能力。

1999年，Novotney等[10]將齊納二極管并聯(lián)至低發(fā)火能量半導(dǎo)體橋(全發(fā)火能量低于0.3 mJ)兩端，靜電放電測(cè)試結(jié)果表明并聯(lián)齊納二極管后的半導(dǎo)體橋能夠承受25 kV(500 pF電容串聯(lián)150 Ω電阻放電)的靜電沖擊而不發(fā)火，驗(yàn)證了齊納二極管靜電防護(hù)的有效性。為進(jìn)一步探究不同擊穿電壓齊納二極管的靜電防護(hù)效果，King等[11]測(cè)試了擊穿電壓為6,8,14,51 V的齊納二極管的靜電加固效果，基于Fisher靜電放電模型，結(jié)果表明擊穿電壓為6,8,14 V的齊納二極管能夠有效防護(hù)靜電能量的沖擊，而擊穿電壓為51 V的齊納二極管保護(hù)不能起到防護(hù)效果。同時(shí)，電容放電發(fā)火試驗(yàn)表明擊穿電壓為6 V和8 V的齊納二極管會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體橋不發(fā)火或發(fā)火時(shí)間延遲；擊穿電壓為14 V的齊納二極管則不會(huì)影響半導(dǎo)體橋的發(fā)火。上述研究一方面表明齊納二極管抗靜電能量沖擊的有效性，另一方面表明齊納二極管的器件參數(shù)也會(huì)對(duì)靜電防護(hù)效果產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為當(dāng)齊納二極管擊穿電壓太低時(shí)，正常發(fā)火條件下，齊納二極管很容易被擊穿并分走能量，從而造成換能元的激發(fā)能量不足，爆發(fā)失?。欢?dāng)齊納二極管擊穿電壓太高時(shí)，在靜電條件下又無法起到防護(hù)效果。因此在齊納二極管的具體使用過程中時(shí)，需要根據(jù)電火工品的臨界發(fā)火能量來選擇合適的器件參數(shù)進(jìn)行靜電加固。

2.1.1.4 瞬態(tài)電壓抑制二極管

瞬態(tài)電壓抑制二極管又稱Transient Voltage Suppressor(TVS)二極管，其防護(hù)原理與齊納二極管類似，也是利用其擊穿特性進(jìn)行靜電防護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)為更快的響應(yīng)速度(亞納秒級(jí))和能承受更大的浪涌電壓。2003年，Sandia實(shí)驗(yàn)室的Weinlein等[17]將TVS二極管和場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行了集成，用于激光火工品的靜電防護(hù)，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。以Fisher[18]靜電模型為測(cè)試條件，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)的TVS二極管可以將激光點(diǎn)火器上的峰值電流從120 A降至3.5 A以下。而場(chǎng)效應(yīng)管可以進(jìn)一步阻止電磁輻射引起的低壓直流電對(duì)激光點(diǎn)火器造成的損傷。

a. equivalent circuit of laser initiator with an integrated circuit b. laser diode

圖5 激光火工品的靜電防護(hù)[17]

Fig.5 Electrostatic discharge (ESD) protection for a laser diode ignited actuator[17]

國內(nèi)對(duì)于TVS二極管最早報(bào)道出現(xiàn)于2012年，任鋼[12]采用TVS二極管對(duì)半導(dǎo)體橋進(jìn)行射頻和靜電加固。射頻注入實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過TVS二極管防護(hù)后，全發(fā)火功率為14.15 W的半導(dǎo)體橋火工品在20 W功率注入下其發(fā)火百分?jǐn)?shù)為16.7%，抗射頻能力得到明顯提高；靜電實(shí)驗(yàn)表明并聯(lián)TVS二極管后的半導(dǎo)體橋能夠經(jīng)受25 kV(500 pF電容串聯(lián)500 Ω電阻放電)的靜電沖擊；為進(jìn)一步研究TVS二極管的靜電防護(hù)能力，左成林[19]采用了更為苛刻的靜電放電條件(回路不串聯(lián)放電電阻)進(jìn)行研究，結(jié)果表明未并聯(lián)TVS二極管前，SCB在8 kV(10000 pF電容不串電阻放電)條件下全發(fā)火；并聯(lián)TVS二極管后，即使電壓升高到9 kV，SCB也未出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象。褚恩義[20-21]測(cè)試了脈沖電磁環(huán)境和連續(xù)電磁環(huán)境下TVS二極管對(duì)電熱火工品的電磁加固效果，結(jié)果表明TVS二極管能夠?qū)㈦姛峄鸸て返目姑}沖電磁波能力從35 kV提升到65 kV，對(duì)感應(yīng)電流(敏感頻率處)的衰減達(dá)50%。

由此可見，TVS二極管能夠有效提高半導(dǎo)體橋的抗靜電能力，具有的容抗特性也使得其具有優(yōu)良的射頻防護(hù)效果。但是同樣，在具體使用過程中也需要考慮器件參數(shù)和電火工品臨界發(fā)火能量的匹配問題。

2.1.1.5 壓敏電阻

壓敏電阻作為靜電防護(hù)器件，其防護(hù)原理與齊納二極管和TVS二極管類似。南京理工大學(xué)的陳飛[5]和杜培康[22-23]首次采用壓敏電阻對(duì)半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行靜電和射頻加固，靜電實(shí)驗(yàn)表明壓敏電阻能夠使半導(dǎo)體橋的抗靜電能力從國軍標(biāo)(即25 kV放電電壓通過500 pF電容串聯(lián)5000 Ω電阻放電)提高到美軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(即25 kV放電電壓通過500 pF電容串聯(lián)500 Ω電阻放電)。射頻注入實(shí)驗(yàn)表明，全發(fā)火射頻功率為14.15 W的半導(dǎo)體橋火工品在并聯(lián)壓敏電阻后，即使注入20 W的射頻能量也不發(fā)火。試驗(yàn)表明，壓敏電阻具有良好的靜電和射頻防護(hù)性能；但是在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)壓敏電阻的非線性特性較差，動(dòng)態(tài)電阻變化較大，低電壓時(shí)漏電流較大，因此容易出現(xiàn)老化和防護(hù)失效的問題。

由上述五種分立器件防護(hù)型設(shè)計(jì)方法的介紹可以看出國內(nèi)外均對(duì)電火工品的電磁兼容性設(shè)計(jì)做出了一定的探索和研究。研究了各類防護(hù)器件的防護(hù)效果和防護(hù)器件參數(shù)對(duì)防護(hù)效果的影響規(guī)律，均表明了防護(hù)器件的有效性。對(duì)于分立型器件而言，其具有易于組合、選擇種類多和選擇參數(shù)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；但受限于體積等因素，往往需要對(duì)火工品的結(jié)構(gòu)做出一定改變才能進(jìn)行一體化封裝，這增加了加工的復(fù)雜程度。目前來看，針對(duì)射頻環(huán)境可采用鐵氧體磁珠、電容、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、TVS二極管和壓敏電阻來進(jìn)行射頻加固；針對(duì)靜電環(huán)境可采用電容、齊納二極管、TVS二極管和壓敏電阻來進(jìn)行靜電加固。發(fā)現(xiàn)電容、TVS二級(jí)管和壓敏電阻既具有抗靜電能力又具有抗射頻能力，可優(yōu)先作為防護(hù)器件的優(yōu)選方案，但是器件參數(shù)的選擇需要與電火工品的臨界發(fā)火能量進(jìn)行匹配。在實(shí)際使用過程中，也可根據(jù)火工品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行選擇性組合上述器件以實(shí)現(xiàn)電火工品的電磁加固目的。

2.1.2 集成器件型防護(hù)設(shè)計(jì)

上述電火工品的電磁兼容性設(shè)計(jì)均采用了在火工品內(nèi)部外置防護(hù)器件來對(duì)橋絲式或半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行靜電或射頻加固，隨著加工工藝和技術(shù)水平的提高，國外研究者提出了將防護(hù)器件與換能元進(jìn)行芯片級(jí)集成式設(shè)計(jì)的思路，并主要針對(duì)金屬橋式和半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行了一系列集成型防護(hù)設(shè)計(jì)，其防護(hù)原理與分立型器件型防護(hù)設(shè)計(jì)基本一致，利用微納加工工藝實(shí)現(xiàn)了防護(hù)器件和換能元的有效集成，具有體積小、一致性高、成本低和易于大規(guī)模制備等優(yōu)勢(shì)。

1990年，Baginski等[24]制備了一種具有MOS電容結(jié)構(gòu)的鎳橋絲點(diǎn)火芯片。該芯片由N型硅基底層、二氧化硅氧化層、MOS電容(1250 pF)層和金屬換能元組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。連續(xù)波注入條件下發(fā)現(xiàn)MOS電容對(duì)高頻(大于90MHz)的衰減率達(dá)99%，防護(hù)效果顯著；該設(shè)計(jì)是最早將電容集成在芯片上的電火工品，由于采用硅作為加工材料，大大減少了換能元芯片的體積和制作過程的復(fù)雜性，提高了點(diǎn)火性能的一致性。但是，由于點(diǎn)火芯片體積有限，其MOS電容的容值很難做到1 μF及以上的級(jí)別，所以無法對(duì)低頻電磁波產(chǎn)生有效濾波。

a. across-section view of the chip

Fig.6 Schematic representation of MOS structure nickel bridge-wire initiator[24]

隨后，SCB公司的Hartman等[25]首次將齊納二極管集成到了半導(dǎo)體橋芯片上，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。采用微電子制作工藝，在半導(dǎo)體橋芯片的基礎(chǔ)上，加工一個(gè)與橋區(qū)形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)的齊納二極管用來提高半導(dǎo)體橋的抗靜電性能。該專利首次將齊納二極管與半導(dǎo)體橋火工品進(jìn)行了集成式設(shè)計(jì)，提高了火工品的集成度和抗靜電能力，但是該設(shè)計(jì)只集成了一個(gè)單向齊納二極管，因此只能對(duì)回路中一個(gè)方向的靜電脈沖起到防護(hù)效果，且該專利中并未披露其實(shí)際抗靜電效果。

圖7 齊納二極管防護(hù)型半導(dǎo)體橋火工品[25]

Fig.7 Zener diode for protection of semiconductor bridge initiator[25]

2001年，Baginski[26]首次將肖特基二極管和金屬橋進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，利用肖特基二極管的擊穿特性來進(jìn)行靜電加固，其芯片橫截面和實(shí)物俯視圖如圖8所示。該點(diǎn)火芯片最上層為金屬層，用于形成金屬橋區(qū)和接觸電極；對(duì)電極下的二氧化硅層進(jìn)行刻蝕，形成兩個(gè)三角形窗口并覆蓋金屬鋁，此時(shí)金屬-硅接觸形成肖特基二極管，兩個(gè)肖特基二極管與金屬鈀橋形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。測(cè)試表明該芯片除了具有低發(fā)火能量的特性(2 μF/30 V)外，還具有優(yōu)良的抗靜電性能。靜電放電實(shí)驗(yàn)表明點(diǎn)火芯片能夠經(jīng)受25 kV(充電電容150 pF，放電電阻150 Ω)的靜電放電沖擊而不發(fā)火。

a. schematic side view representation of the chip

Fig.8 Schottky diodes for protection of Pa-bridge igniter[26]

隨著加工工藝的進(jìn)步，2008年，Martinez-Tovar等[27]設(shè)計(jì)了另外一種基于齊納二極管的點(diǎn)火芯片，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。該點(diǎn)火芯片的結(jié)構(gòu)與常見芯片差異較大，起始材料為P型硅，經(jīng)過一系列加工形成了一個(gè)中間帶有通孔的三維結(jié)構(gòu)。中心通孔用于填充起爆藥，圓孔內(nèi)壁為多晶硅組成的圓形橋區(qū)，電極處于上下兩個(gè)表面，并用于形成背靠背結(jié)構(gòu)的齊納二極管，齊納二極管與多晶硅橋區(qū)呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)有靜電沖擊時(shí)，齊納二極管響應(yīng)起到防護(hù)作用。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于將中心通孔式橋型設(shè)計(jì)和防護(hù)器件進(jìn)行了結(jié)合，由于中心橋區(qū)的體積比平面結(jié)構(gòu)有更多可控參量，使得芯片的電阻能夠得到更加精確的控制；此外，與平面壓藥結(jié)構(gòu)相比較，該結(jié)構(gòu)在裝藥過程中可以觀察到橋區(qū)和藥劑的接觸情況并更好的控制裝藥。

a. without zener diode

b. with zener diode

圖9 齊納二極管防護(hù)型火工品[27]

Fig.9 Zener diode for protection of integrated initiator[27]

2010年，Maeda等[28]設(shè)計(jì)了另外一種帶有齊納二極管的多層復(fù)合含能薄膜點(diǎn)火芯片，其結(jié)構(gòu)圖10所示，以硅襯底為基底并氧化一薄層二氧化硅，通過在二氧化硅薄層上進(jìn)行選擇性刻蝕，并注入一定濃度雜質(zhì)形成p型半導(dǎo)體，構(gòu)成PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，最后用金屬封閉兩個(gè)刻蝕出的窗戶，形成兩個(gè)串聯(lián)齊納二極管，并和橋區(qū)形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使該點(diǎn)火芯片具有抗靜電的能力。此外，橋區(qū)上表面增加的含能復(fù)合薄膜也大大提高了點(diǎn)火芯片的點(diǎn)火輸出能力。

與國外研究相比，目前國內(nèi)關(guān)于點(diǎn)火芯片集成防護(hù)式設(shè)計(jì)研究較少，只有上海交通大學(xué)[29]在2008年提出了一種基于硅CMOS工藝的半導(dǎo)體橋芯片系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。該設(shè)計(jì)利用CMOS工藝，將半導(dǎo)體橋、CMOS開關(guān)、肖特基二極管以及MOS電容集成到一個(gè)芯片，并接入到發(fā)火控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的信息化控制功能；但在該設(shè)計(jì)中的肖特基二極管為單向防護(hù)器件，對(duì)靜電的防護(hù)有方向的選擇性，在實(shí)際使用中會(huì)造成諸多不便。此外，與一般換能元芯片比較，該芯片體積過大(1 cm2)，無法與現(xiàn)有火工器件的尺寸進(jìn)行匹配，因此只停留在了版圖設(shè)計(jì)層面。

a. aplan view of the chip

b. section view of the chip

圖10 齊納二極管防護(hù)性多層復(fù)合膜點(diǎn)火器[28]

Fig.10 Multi-layer composite films semiconductor bridge devive including zener diode for ESD protection[28]

圖11 肖特基二極管防護(hù)型半導(dǎo)體橋火工品[29]

Fig.11 Schottky diodes for protection of semiconductor bridge igniter[29]

由此可見，國外對(duì)金屬橋和半導(dǎo)體橋型電火工品的集成器件型防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較多研究。研究內(nèi)容包括不同防護(hù)器件的加工工藝、版圖設(shè)計(jì)和實(shí)際防護(hù)效果驗(yàn)證等。通過借鑒分立器件防護(hù)性設(shè)計(jì)中所使用的半導(dǎo)體器件和參數(shù)，采用微電子加工工藝制備出MOS電容、齊納二極管和肖特基二極管等基于半導(dǎo)體材料構(gòu)成的器件來進(jìn)行抗電磁加固。與分立器件型防護(hù)設(shè)計(jì)相比，集成式設(shè)計(jì)具有體積小、點(diǎn)火可靠性高、加工簡便、點(diǎn)火一致性高和能夠大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，是未來電火工品電磁兼容性設(shè)計(jì)發(fā)展的思路與方向。但是受加工工藝的限制，有些分立型器件(如TVS二極管)還不能做到片上集成，因此集成芯片式設(shè)計(jì)所能選擇的防護(hù)器件類型較少，目前可見的報(bào)道只有齊納二極管、電容和肖特基二極管。此外，在微加工過程中，半導(dǎo)體材料的寄生效應(yīng)無可避免，因此在電磁環(huán)境中，耦合的能量并不是百分百地被旁路，也會(huì)有部分被吸收并轉(zhuǎn)化為熱量從而降低火工品的安全性。與國外相比較，國內(nèi)還需進(jìn)一步研究和探索電火工品的集成式設(shè)計(jì)，包括制備工藝、參數(shù)設(shè)計(jì)、理論基礎(chǔ)、防護(hù)機(jī)理及其應(yīng)用等方面。

2.2 新型鈍感型電火工品設(shè)計(jì)

除了采用上述綜合防護(hù)加固技術(shù)外，通過改變橋區(qū)形狀、設(shè)計(jì)新型鈍感電火工品也是電火工品電磁兼容性設(shè)計(jì)的方法之一。

Baginski等[30]通過改變橋區(qū)的形狀設(shè)計(jì)了一種對(duì)射頻鈍感的非線性電阻電火工品，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。通過改變電極和橋區(qū)形狀來控制電阻分配的比例，當(dāng)射頻或靜電能量耦合入火工品時(shí)，大部分能量會(huì)被兩邊高阻值的電阻吸收和耗散掉，從而保證了橋區(qū)處于相對(duì)較低溫度。雖然該設(shè)計(jì)提高了金屬薄膜式火工品的射頻靜電防護(hù)能力，但是在實(shí)際使用過程中，點(diǎn)火信號(hào)的周期必須足夠長才能實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火，這限制了其的應(yīng)用。

圖12 蛇形電阻防護(hù)型橋絲式火工品[30]

Fig.12 Bridge-wire initiator with protection of non-linear resistances[30]

除了采用改變橋區(qū)形狀外，國外研究者還設(shè)計(jì)了不同發(fā)火原理和電磁加固原理的新型鈍感電火工品。Baginski等[31-32]于1993年和2008設(shè)計(jì)了兩種PN結(jié)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火芯片，結(jié)構(gòu)分別如圖13和14所示。其點(diǎn)火原理與常規(guī)火工品不同，主要依靠PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿產(chǎn)生的熱高溫等離子體進(jìn)行點(diǎn)火。圖13芯片由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成，電極分別在上下表面，呈平面結(jié)構(gòu)；芯片處于射頻環(huán)境時(shí)，PN結(jié)展現(xiàn)出的容抗特性使得耦合入芯片的電壓和電流總存在90°的相位差，芯片不產(chǎn)生熱耗散；當(dāng)有靜電沖擊芯片時(shí)，PN結(jié)發(fā)生齊納擊穿，能量迅速通過芯片不造成損傷，且擊穿后很快恢復(fù)初始狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的靜電射頻防護(hù)效果。實(shí)驗(yàn)表明，PN結(jié)結(jié)電容為420 pF的點(diǎn)火芯片，在10～450 MHz的射頻信號(hào)注入下，芯片表面最高溫升僅為6.2 ℃；在32 kV(500 pF電容串聯(lián)5000 Ω電阻放電)的靜電沖擊下保證安全。

a. section view of the chip b. plan view of the chip圖13 PN結(jié)型半導(dǎo)體火工品[31]

Fig.13 Schematic representation of PN junction igniter[31]

另外一種PN結(jié)型的芯片如圖14所示。通過在硅襯底上重?fù)诫s形成兩個(gè)串聯(lián)PN結(jié)來進(jìn)行射頻和靜電加固，其防護(hù)原理和發(fā)火原理與上面PN結(jié)型半導(dǎo)體火工品一致。靜電實(shí)驗(yàn)表明，擊穿電壓為500 V的點(diǎn)火芯片，在施加500 V的直流電壓并保持30 min的條件下，點(diǎn)火芯片未出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象。

a. section and plan view of the chip

圖14 PN結(jié)型半導(dǎo)體火工品[32]

Fig.14 Schematic representation of PN junction igniter[32]

借鑒上述結(jié)構(gòu)，2016年，王軍[33]等研究了摻雜濃度對(duì)結(jié)型半導(dǎo)體橋換能元電爆性能、靜電防護(hù)性能和射頻防護(hù)性能的影響規(guī)律。GTEM電磁輻照實(shí)驗(yàn)和射頻注入實(shí)驗(yàn)表明兩種摻雜濃度的結(jié)型半導(dǎo)體橋換能元在敏感頻率和500 V/m的場(chǎng)強(qiáng)條件下均能保證安全；靜電實(shí)驗(yàn)表明低摻雜濃度結(jié)型半導(dǎo)體換能元能承受25 kV(10000 pF電容串聯(lián)5000 Ω電阻放電)靜電放電的沖擊。

除上述PN結(jié)結(jié)構(gòu)外，Martinez-Tovar等[34]設(shè)計(jì)了一種利用介電層來保護(hù)半導(dǎo)體橋的點(diǎn)火芯片。結(jié)構(gòu)如圖15所示，從下到上分別為硅襯底層、氧化硅層、多晶硅層、介電層和金屬電極層；由于在金屬電極層和多晶硅層中間增加了介電層，當(dāng)外界電壓低于介電層的擊穿電壓時(shí)，介電層呈高阻特性，電流無法流過橋區(qū)；只有外界能量高于介電層的擊穿電壓時(shí)，介電層才會(huì)被擊穿，左右兩個(gè)電極之間才會(huì)形成回路。通過控制介電層的厚度和介電常數(shù)等參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出具有一定擊穿電壓值的介電層，有效的屏蔽低于擊穿電壓信號(hào)產(chǎn)生的干擾。同時(shí)，為滿足防止靜電能量對(duì)芯片造成破壞，介電層的擊穿電壓需要設(shè)計(jì)的很高，那么就需要更高的發(fā)火能量才能引起橋的爆發(fā)，這對(duì)實(shí)際使用造成了一定限制。

圖15 介電層防護(hù)型火工品[34]

Fig.15 Voltage-protected semiconductor bridge with dielectric layer[34]

上述幾種設(shè)計(jì)方法在一定程度上拓展了電火工品的抗電磁環(huán)境設(shè)計(jì)思路，但是關(guān)于其進(jìn)一步的研究及應(yīng)用還鮮有報(bào)道。而國內(nèi)對(duì)于上述提到的新型鈍感型電火工品設(shè)計(jì)還尚未見到公開報(bào)道，還需經(jīng)過實(shí)際研究來探索其應(yīng)用的可行性。

3 總結(jié)及展望

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國外在電火工品的抗電磁兼容性設(shè)計(jì)上已經(jīng)取得了較多成果，不管是分立器件型防護(hù)設(shè)計(jì)還是集成器件型防護(hù)設(shè)計(jì)，都已經(jīng)設(shè)計(jì)并制備出了一系列電火工品，且部分已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了防護(hù)方法的有效性。而國內(nèi)對(duì)于火工裝置的電磁兼容性設(shè)計(jì)研究只有南理工、兵器213所和軍械工程學(xué)院有相關(guān)報(bào)道，且研究內(nèi)容集中在電火工品的分立器件防護(hù)型設(shè)計(jì)、電磁環(huán)境下的測(cè)試方法和損傷及耦合機(jī)理的研究，關(guān)于集成型防護(hù)設(shè)計(jì)的電火工品研究開展還較少。對(duì)比國內(nèi)外在電火工品電磁兼容設(shè)計(jì)方面的研究，可以得出以下結(jié)論:

(1)隨著艦載武器的發(fā)展，受彈上電源、電爆裝置可用空間和成本等因素的限制，鈍感電火工品(如爆炸箔等)還不能完全替代傳統(tǒng)的敏感型低發(fā)火能量電火工品(如橋絲式火工品)；因此，如何提高敏感型電火工品的抗電磁干擾能力或研究具有低發(fā)火能量、高安全性和可靠性的電火工品是解決電火工品電磁兼容性問題的主要途徑。

(2)將電路仿真軟件(如PSpice)引入電火工品的電磁兼容性設(shè)計(jì)是提高研發(fā)效率的有效辦法，基于仿真軟件強(qiáng)大的器件模型庫和計(jì)算能力，通過建立電火工品的模型可以快速仿真不同防護(hù)器件和防護(hù)器件參數(shù)變化對(duì)防護(hù)效果產(chǎn)生的影響及規(guī)律。

(3)隨著對(duì)電火工品尺寸、安全性和可靠性等要求的提出，集成器件型防護(hù)設(shè)計(jì)將是電火工品電磁兼容性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向。利用微納加工工藝將分立的防護(hù)器件(如TVS二極管)集成到以硅基為材料的電火工品換能元(如半導(dǎo)體橋火工品)上是實(shí)現(xiàn)抗電磁電火工品小型化、集成化、多功能化和低成本化的有效辦法。未來應(yīng)進(jìn)一步研究換能元和防護(hù)器件之間加工工藝的兼容性、版圖的設(shè)計(jì)和理論基礎(chǔ)研究等方面。

(4)對(duì)于新型鈍感型電火工品的設(shè)計(jì)，其點(diǎn)火機(jī)理與傳統(tǒng)電火工品存在一定差異，要求設(shè)計(jì)者重視跨學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通，積極探索新材料、新工藝在電火工品電磁兼容性設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

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