PCB 基密封并聯(lián)平面觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)及性能

楊 智，朱 朋，初青蕓，簡(jiǎn)昊天，張 秋，汪 柯，沈瑞琪

（1. 南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 微納含能器件工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094）

1 引言

爆炸箔起爆系統(tǒng)（exploding foil initiator system，EFIs）是一種典型的小尺寸脈沖功率系統(tǒng)，主要包含脈沖功率源［1-2］和爆炸箔起爆器（exploding foil initiator，EFI）兩部分，適用于武器彈藥的鈍感點(diǎn)火和鈍感起爆技術(shù)領(lǐng)域。EFI又稱(chēng)作沖擊片雷管（slapper detonator），其不含敏感藥劑，并且橋箔與炸藥柱不直接接觸，只有在特定的脈沖大電流作用下，才能使橋箔發(fā)生電爆炸，進(jìn)而剪切驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火或者起爆功能。因此，EFI具有抗射頻、靜電、雜散電流和電磁干擾等極端環(huán)境的能力，具有很高的安全性。EFI 作用時(shí)間短，多點(diǎn)作用同步性高，并且具有可檢測(cè)特性，使其在軍事和民用方面都具有廣闊的應(yīng)用前景，因而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［3］。

脈沖功率源率先將能量?jī)?chǔ)存在高壓電容中，進(jìn)一步在高壓開(kāi)關(guān)控制下實(shí)現(xiàn)能量向EFI 的釋放。高壓開(kāi)關(guān)通過(guò)控制能量的釋放過(guò)程，直接決定著EFIs 的輸出特性（脈沖電流的上升時(shí)間及其峰值），從而影響起爆系統(tǒng)的性能，因此成為EFIs 的核心器件［4-5］。高壓開(kāi)關(guān)種類(lèi)繁多，主要包括半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)［6］、平面介質(zhì)開(kāi)關(guān)［7-9］、觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)［10］和觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)。觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)一般設(shè)計(jì)成三電極結(jié)構(gòu)，即陰、陽(yáng)主電極，和位于兩者之間的觸發(fā)電極。開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通過(guò)程是在短間隙觸發(fā)導(dǎo)通后，通過(guò)粒子碰撞電離和空間光電離等形式產(chǎn)生電子雪崩效應(yīng)，形成連接主電極的流注，實(shí)現(xiàn)完全導(dǎo)通［11］。觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和電氣性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前最為常用的高壓開(kāi)關(guān)之一。之前的研究者主要開(kāi)展了電極結(jié)構(gòu)、電極材料和氣體氛圍對(duì)于電極燒蝕、使用壽命、自擊穿電壓（self-breakdown voltage，USB）和觸發(fā)工作特性的影響規(guī)律研究［12-18］。近年來(lái)，為了降低制作成本以及縮小體積，研究人員基于微機(jī)電系統(tǒng)工藝和低溫共燒陶瓷工藝分別研制了平面觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)（planar triggered spark-gap switch，PTS）［19-23］。但是由于工藝條件的限制，兩種類(lèi)型的PTS 都只是采用單個(gè)三電極的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有引入冗余設(shè)計(jì)，極有可能降低系統(tǒng)的可靠度。

印制電路板（printed circuit board，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 工藝尤其適用于多層板的制作，因此已經(jīng)有不少研究利用該工藝研制了各種機(jī)電相結(jié)合的芯片裝置（lab-on-PCB chips）［24-26］，加大了設(shè)計(jì)靈活性，縮小了裝置體積，提高了自動(dòng)化水平。

為了提高EFIs 的作用可靠性，減小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)成本，依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定了開(kāi)關(guān)三電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步采用PCB 工藝批量制備了密封并聯(lián)PTS，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)的冗余集成。為了確保并聯(lián)PCB-PTS 可靠工作，采用仿真軟件對(duì)觸發(fā)前后的開(kāi)關(guān)間隙靜電場(chǎng)進(jìn)行了模擬，獲得了與間隙相匹配的觸發(fā)條件。在設(shè)計(jì)與制備基礎(chǔ)上組建開(kāi)關(guān)性能測(cè)試裝置，獲得了并聯(lián)PCB-PTS 的電氣性能參數(shù)，其中脈沖電流滿足EFIs 的特性要求。最后，將并聯(lián)PCB-PTS 用于EFI 發(fā)火回路以驗(yàn)證該開(kāi)關(guān)的實(shí)用性。

2 開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與制備

2.1 開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了兩個(gè)三電極結(jié)構(gòu)并聯(lián)的PTS，其中單個(gè)三電極結(jié)構(gòu)及其相對(duì)位置如圖1 所示，關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)包括主電極半徑（r）、主間隙（陰陽(yáng)兩個(gè)主電極的間隙，d）、觸發(fā)間隙（觸發(fā)電極和陰極的間隙，a）和觸發(fā)電極寬度（b）。

圖1 并聯(lián)PCB-PTS 中三電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three electrodes located in the parallel PCB-PTS

陰陽(yáng)兩個(gè)主電極設(shè)計(jì)成r=2.0 mm 的半圓形結(jié)構(gòu)，目的是保證電極間隙之間盡可能存在均勻電場(chǎng)，以提高開(kāi)關(guān)的使用壽命。根據(jù)觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通過(guò)程，在施加觸發(fā)信號(hào)之后，開(kāi)關(guān)率先在觸發(fā)間隙實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，因此減小觸發(fā)間隙有利于提高觸發(fā)電極的使用壽命，結(jié)合加工精度a 設(shè)計(jì)為0.15 mm，b 取0.2 mm。所設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)氣體氛圍固定，可以視作在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（p=1.01×105Pa）工作，由此主間隙大小直接決定USB，進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)的工作電壓范圍，基于耐壓需求（1000～3000 V）設(shè)計(jì)d 為0.9 mm。

2.2 開(kāi)關(guān)的制備

2.2.1 PCB 工藝研制開(kāi)關(guān)

圖2 基于PCB 工藝制備并聯(lián)PTSFig.2 Preparation of parallel PTS based on PCB technology

多層線路板的PCB 工藝指的是采用層壓工藝將多塊PCB（基板、單面板或者雙面板），通過(guò)加熱半固化片（prepreg）而黏結(jié)的方式壓合成為一體。采用多層PCB 工藝批量制備并聯(lián)PTS，使得樣品的成本低并且一致性好。本研究的并聯(lián)PCB-PTS 通過(guò)層壓三塊PCB制備，如圖2a 所示。具體而言，首先通過(guò)光刻工藝分別在頂層芯板（PCB 1）和底層芯板（PCB 3）制備圖1所示的三電極結(jié)構(gòu)?？紤]到導(dǎo)通過(guò)程存在火花燒蝕效應(yīng)，所以對(duì)三電極做了加厚處理以延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的使用壽命，厚度約為70 μm。然后將含有PTS 的PCB 1、PCB 3 和中間FR-4 基材（PCB 2）層壓成為一體，其中上、下兩塊芯板的厚度都是0.5 mm，中間芯板厚1.5 mm。最后采用機(jī)械鉆孔和沉銅工藝（金屬化孔技術(shù)）制備多個(gè)通孔，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)三電極并聯(lián)，進(jìn)一步在PCB 1 的TOP層制備與三電極對(duì)應(yīng)的三個(gè)矩形焊盤(pán)，有利于通過(guò)表面貼裝技術(shù)（Surface Mounted Technology，SMT）的方式實(shí)現(xiàn)電氣連接。PCB 2 用于隔離兩個(gè)三電極結(jié)構(gòu)，同時(shí)壓合后的空腔（通過(guò)機(jī)械鉆孔或者激光切割的方式制備）為密封結(jié)構(gòu)，里面含有開(kāi)關(guān)導(dǎo)通過(guò)程所需要的空氣，密封空腔的尺寸為4.0 mm（l）×3.0 mm（w）×1.5 mm（h）。圖2b 為采用PCB 工藝批量制備得到的部分并聯(lián)PTS 的實(shí)物照片，單只開(kāi)關(guān)尺寸為13.5 mm（l）×7.5 mm（w）×2.5 mm（h），屬于扁平結(jié)構(gòu)，有利于縮小EFIs 的體積。

顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro computed tomography，μCT）技術(shù)通過(guò)利用物質(zhì)對(duì)射線（常用的是X 射線）的吸收率和透過(guò)率不同的成像原理，對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷層掃描，能夠獲得微米級(jí)結(jié)構(gòu)的立體和斷面圖像［27］。為了表征采用PCB 工藝制備并聯(lián)PTS 的工藝可行性，采用μCT 拍攝并重建了并聯(lián)PCB-PTS 的立體和斷面圖像，如圖3 所示。

圖3a為開(kāi)關(guān)的立體結(jié)構(gòu)掃描圖，表明整體上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)PCB-PTS的制備。圖3b-d為斷面圖像，其中圖3b為俯視圖，顯示三電極結(jié)構(gòu)的大小和相對(duì)位置符合設(shè)計(jì)參數(shù)，例如開(kāi)關(guān)外形的截面尺寸為13.5 mm（l）×7.5 mm（w），主電極半徑為2.0 mm，主間隙為0.9 mm。圖3c 和圖3d顯示了金屬過(guò)孔的大小，尺寸為0.5 mm，與設(shè)計(jì)值一致。μCT 結(jié)果表明采用PCB 工藝制備并聯(lián)PTS 滿足設(shè)計(jì)精度要求，是一種可行的加工方式。

圖3 μCT 拍攝并聯(lián)PCB-PTSFig.3 Photographs of parallel PCB-PTS taken by μCT

2.2.2 靜電場(chǎng)仿真

為了表征觸發(fā)前后開(kāi)關(guān)電極間隙的空氣電場(chǎng)強(qiáng)度和空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的大小關(guān)系，確保并聯(lián)PCB-PTS 能夠被可靠觸發(fā)導(dǎo)通，采用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics，對(duì)并聯(lián)PCB-PTS 的靜電場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并且根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算了開(kāi)關(guān)的理論自擊穿電壓。

（1）電極間隙靜電場(chǎng)分布［9，28］

對(duì)于并聯(lián)PCB-PTS 電極間的靜電場(chǎng)仿真，本質(zhì)上是通過(guò)求解下式以獲得場(chǎng)強(qiáng)分布：

式中，E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，V·m-1；φ 為電勢(shì)，V。

結(jié)合Maxwell 方程（2）和本構(gòu)關(guān)系（3）：

可以得到Poisson 方程：

式中，D 為電位移矢量，C·m-2；ρ 為體電荷密度，C·m-3；ε 為介電常數(shù)。

基于待求解方程（4），第一步，通過(guò)開(kāi)關(guān)模型設(shè)置陰極電勢(shì)為0 V，陽(yáng)極電勢(shì)為1000 V，即主電壓UC=1000 V，獲得觸發(fā)前場(chǎng)強(qiáng)分布云圖如圖4a 所示。第二步，保持主電壓1000 V 不變，并且通過(guò)觸發(fā)極施加1500 V 觸發(fā)電壓（UT=1500 V），獲得觸發(fā)后場(chǎng)強(qiáng)分布云圖如圖4b 所示。由圖4a 和4b 可知，并聯(lián)PCB-PTS上下兩個(gè)主間隙的電場(chǎng)分布類(lèi)似。觸發(fā)前后位于電極間隙的電場(chǎng)發(fā)生了本質(zhì)變化，特別是觸發(fā)間隙的場(chǎng)強(qiáng)有了明顯增大。為了定量描述場(chǎng)強(qiáng)隨間隙距離的變化情況，采用從陰極到陽(yáng)極等間距取點(diǎn)的方式，獲得導(dǎo)通前后各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值分別如圖4c和圖4d，其中紅色曲線表示上部開(kāi)關(guān)的場(chǎng)強(qiáng)，藍(lán)色曲線表示下部開(kāi)關(guān)的場(chǎng)強(qiáng)。由圖4c可知，觸發(fā)前主間隙的場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)多次起伏的趨勢(shì)，為不均勻電場(chǎng)，最大場(chǎng)強(qiáng)位于觸發(fā)電極附近（d=0.36 mm），其中上部開(kāi)關(guān)的最大場(chǎng)強(qiáng)Emax1=2.59×106V·m-1（距離陽(yáng)極0.045 mm 區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)略大于該值），下部開(kāi)關(guān)的最大場(chǎng)強(qiáng)Emax2=2.39×106V·m-1。由于各處場(chǎng)強(qiáng)都小于空氣的自擊穿場(chǎng)強(qiáng)（Ebreakdown=3.0×106V·m-1），表明開(kāi)關(guān)在UC=1000 V 的主電壓條件下，不會(huì)發(fā)生自擊穿導(dǎo)通現(xiàn)象。由圖4d 可知，觸發(fā)后主間隙場(chǎng)強(qiáng)明顯增大，在靠近陰極一半的主間隙（d＜0.45 mm）場(chǎng)強(qiáng)均大于空氣的自擊穿場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致這些區(qū)域率先導(dǎo)通放電。在電場(chǎng)的作用下，通過(guò)碰撞電離和空間光電離等效應(yīng)形成連接主電極的流柱，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的完全導(dǎo)通［11］。另一方面，仿真結(jié)果表明并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)都能夠可靠觸發(fā)工作，并聯(lián)的設(shè)計(jì)形式增添了冗余結(jié)構(gòu)，提高了開(kāi)關(guān)的可靠度，這將有利于保證EFIs 的可靠輸出。

圖4 并聯(lián)PCB-PTS 主間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.4 Electric field intensity between cathode and anode of parallel PCB-PTS

（2）主間隙自擊穿電壓

觸發(fā)火花隙開(kāi)關(guān)和其它脈沖高壓開(kāi)關(guān)類(lèi)似，需要具有特定的工作電壓范圍，為此要求位于開(kāi)關(guān)電極間隙的氣體能夠耐受一定高壓而不發(fā)生自擊穿，即具有特定的靜態(tài)USB。在氣體放電理論中，氣體的USB是氣壓p 和極間距離d 的乘積p·d 的函數(shù)，該關(guān)系可以用巴申（Paschen）定律描述［29］：

式中，USB為間隙的自擊穿電壓，kV；A，B 和γ 均為常數(shù)；p 為氣體壓力，bar；d 為極間距離，cm。

對(duì)于空氣間隙，有如下關(guān)系［20］：

式中，δ 為電場(chǎng)增強(qiáng)因子，即間隙中最大場(chǎng)強(qiáng)與平均場(chǎng)強(qiáng)的比值。

假設(shè)δ 不隨主電壓變化，依據(jù)UC=1000 V（UT=0 V）條件下的場(chǎng)強(qiáng)模擬結(jié)果，得到電場(chǎng)增強(qiáng)因子約為1.74。結(jié)合開(kāi)關(guān)主間隙d=0.09 cm 和氣壓p=1.01 Pa，由（6）式可得所設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)的理論USB為2437 V，滿足EFIs 對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)的耐壓需求。

3 開(kāi)關(guān)的電氣性能

3.1 測(cè)試裝置

電氣性能是評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)最為關(guān)鍵的指標(biāo)，在開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與制備的基礎(chǔ)上，組建測(cè)試裝置對(duì)開(kāi)關(guān)的電氣性能進(jìn)行表征。為了確定開(kāi)關(guān)的工作電壓范圍，首先采用高壓直流源給開(kāi)關(guān)緩慢升壓，對(duì)并聯(lián)PCB-PTS 的自擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試。在小于自擊穿電壓的范圍內(nèi)進(jìn)一步研究開(kāi)關(guān)的觸發(fā)工作特性，獲得并聯(lián)PCB-PTS 脈沖電流的上升時(shí)間及其峰值。最后將開(kāi)關(guān)用于EFI 發(fā)火回路，通過(guò)起爆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證開(kāi)關(guān)的實(shí)用性。

圖5 為開(kāi)關(guān)電氣性能測(cè)試的電路原理圖［23］，包含高壓電源、高壓電容、脈沖觸發(fā)源和并聯(lián)PCB-PTS。R0和L0分別表示回路的電阻和電感。高壓電源并聯(lián)在電容的兩端，用于緩慢升壓充電，高壓加載在主電極之間；在脈沖電壓信號(hào)作用于觸發(fā)電極上之后，并聯(lián)PCB-PTS 導(dǎo)通，回路中出現(xiàn)脈沖電流。通過(guò)兩個(gè)高壓差分探頭（Teledyne LeCroy HVD3605A），分別測(cè)試陰極和觸發(fā)電極之間的觸發(fā)電壓（UT）以及陰陽(yáng)主電極間的主電壓（UC），采用Rogowski 電流環(huán)（CWTUM/30/R，測(cè)試靈敏度為1 V/kA）記錄回路電流（I），電壓和電流信號(hào)通過(guò)多通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器（LeCroy WR 104Xi-A）采集。

圖5 開(kāi)關(guān)電氣性能測(cè)試原理圖Fig.5 Schematic diagram for the electrical performance of parallel PCB-PTS

3.2 自擊穿電壓

開(kāi)關(guān)的USB，即其最大可工作電壓，直接決定了開(kāi)關(guān)的工作范圍。通過(guò)高壓直流電源對(duì)3000 V 耐壓的電容（C=0.15 μF）以20 V·S-1的速率緩慢升壓，由于開(kāi)關(guān)和電容在電路上為并聯(lián)形式，高壓得以作用在主間隙，直至空氣間隙發(fā)生自擊穿。圖6 為典型的并聯(lián)PCB-PTS 的自擊穿特性曲線，由圖6 可知，開(kāi)關(guān)的USB=2115 V，對(duì)應(yīng)的Ipeak=3818 A，tdi/dt=104 ns。

圖6 并聯(lián)PCB-PTS 的自擊穿特性曲線（C=0.15 μF）Fig.6 Self-breakdown curve of parallel PCB-PTS（C=0.15 μF）

為了獲得開(kāi)關(guān)的實(shí)際耐壓偏差，測(cè)試了多發(fā)開(kāi)關(guān)的USB，其中連續(xù)的5 發(fā)數(shù)據(jù)分別為1980、2120、2115、1920 和2337 V。5 發(fā)自擊穿電壓的平均值為2094 V（標(biāo)準(zhǔn)偏差為144 V），小于2.2 節(jié)計(jì)算理論值2437 V，相對(duì)偏差為14.1%。我們認(rèn)為實(shí)測(cè)USB較小的原因是在開(kāi)關(guān)電極間隙存在的電場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致實(shí)際電場(chǎng)增強(qiáng)因子大于1.74。根據(jù)實(shí)測(cè)自擊穿電壓，有助于準(zhǔn)確預(yù)估并聯(lián)PCB-PTS 的工作電壓范圍，研制的開(kāi)關(guān)能夠在小于2000 V 的條件下工作，滿足EFIs 對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)的耐壓特性需求。

3.3 工作特性

在大約50%～95%USB的電壓范圍內(nèi)，從1000 V至2000 V（C=0.22 μF）等間距選取5 個(gè)工作電壓，對(duì)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)工作特性進(jìn)行測(cè)試。所用觸發(fā)源的電壓上升時(shí)間小于500 ns，量程為0～5000 V。獲得各電壓下的典型工作曲線如圖7a～圖7e 所示，其中紅色曲線表示工作電壓和脈沖電流，藍(lán)色曲線為觸發(fā)電壓。由圖7a～圖7e 可知：（1）由于導(dǎo)通率先發(fā)生在觸發(fā)間隙，隨后擴(kuò)展至主間隙，因此在0.22 μF/1000 V 工作條件下開(kāi)關(guān)所需的觸發(fā)電壓為1349 V，略高于其它條件下所需脈沖；（2）在工作電壓范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)所需觸發(fā)電壓小于1500 V，并且觸發(fā)后電流立即流經(jīng)開(kāi)關(guān)和回路；（3）電流上升時(shí)間（tdi/dt）恒定，平均tdi/dt=121.8 ns；（4）峰值電流（Ipeak）＞1500 A，并且當(dāng)UC=2000 V 時(shí)，Ipeak超過(guò)了4000 A。經(jīng)線性擬合，Ipeak=2.28UC-509（可決系數(shù)R2=0.99983），如圖7f 所示。 并聯(lián)PCB-PTS 的電氣性能測(cè)試結(jié)果表明：該開(kāi)關(guān)需要的觸發(fā)裝置簡(jiǎn)單，并且能夠在一定電容電壓范圍內(nèi)可靠工作，輸出的脈沖電流能夠滿足EFIs 的使用特性要求。

圖7 1000～2000 V 工作電壓條件下開(kāi)關(guān)的工作特性（C=0.22 μF）Fig.7 Operation characteristics of parallel PCB-PTS under 1000-2000 V（C=0.22 μF）

3.4 發(fā)火性能驗(yàn)證

設(shè)計(jì)制備并聯(lián)PCB-PTS的最終目的是能夠在EFIs中實(shí)現(xiàn)炸藥的起爆輸出。為了直接驗(yàn)證開(kāi)關(guān)的實(shí)用性，通常將發(fā)火回路設(shè)計(jì)成電容放電單元（capacitor discharging unit，CDU）的形式［30］，本研究的CDU主要包括高壓電容、并聯(lián)PCB-PTS高壓開(kāi)關(guān)和EFI三個(gè)組件，以及必要的測(cè)試電路板和連接線。EFI芯片為集成結(jié)構(gòu)，由陶瓷基底、Cu橋箔、Parylene C（PC）飛片層和SU-8光刻膠加速膛構(gòu)成，通過(guò)采用磁控濺射鍍膜、光刻和化學(xué)氣相沉積等微機(jī)電系統(tǒng)工藝（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）批量制備。單只EFI芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：陶瓷基底4.2 mm（l）×3.0 mm（w）×0.6 mm（h）；Cu 橋箔400 μm（l）×400 μm（w）×3.6 μm（h）；PC 飛片層600 μm（Ф）×25 μm（h）；SU-8加速膛600 μm（Ф）×400 μm（h）［31］。

EFI 芯片中的飛片速度與沖擊壓力和動(dòng)能密切相關(guān)，是沖擊起爆炸藥的一個(gè)重要影響因素。光子多普勒測(cè)速（photonic doppler velocimetry，PDV）技術(shù)是一種根據(jù)激光多普勒效應(yīng)測(cè)試小尺寸目標(biāo)實(shí)時(shí)速度歷程的精密測(cè)速技術(shù)，具有非接觸測(cè)試、量程大和精度高等優(yōu)點(diǎn)［32］。通過(guò)PDV 測(cè)試了PC 飛片在0.22 μF/1400 V的實(shí)時(shí)速度和加速歷程，如圖8a 所示。由圖8a 可知，飛片的峰值速度為3118 m·s-1。采用激光共聚焦顯微鏡（OLS31-SU，Olympus Corporation）拍攝到的SU-8加速膛形貌如圖8b，可以看出加速膛側(cè)壁與底部垂直，長(zhǎng)徑比形貌好。經(jīng)過(guò)后處理獲得的加速膛直徑和高度分別為553 μm 和455 μm，與設(shè)計(jì)值基本一致。通過(guò)對(duì)PDV 速度曲線積分，獲得飛片加速到峰值所需的距離為469 μm，表明PC 飛片在出加速膛口后已經(jīng)基本達(dá)到峰值速度，從而有利于飛片以最大速度沖擊炸藥柱實(shí)現(xiàn)起爆目的。

圖8 PC 飛片的實(shí)時(shí)歷程和激光共聚焦顯微鏡拍攝的SU-8 加速膛形貌Fig.8 Real-time process of PC flyer and 3D image of SU-8 taken by confocal laser scanning microscope

在EFI 芯片結(jié)構(gòu)的頂端貼上HNS-IV 炸藥柱就組成了EFI?；诓⒙?lián)PCB-PTS 的CDU 及其核心組件如圖9 所示。并聯(lián)PCB-PTS 導(dǎo)通后，EFI 的作用歷程如下［33］：（1）率先儲(chǔ)存在高壓電容中的電能經(jīng)由開(kāi)關(guān)流入EFI，其中的Cu 橋箔在短脈沖大電流的作用下發(fā)生電爆炸，產(chǎn)生大量氣體和等離子體；（2）在加速膛的約束下，氣體和等離子體剪切并且驅(qū)動(dòng)表面的PC 飛片，出加速膛口后達(dá)到數(shù)km·s-1；（3）高速飛片沖擊起爆HNS-IV 藥柱（2.3 mm（Ф）×2 mm（h），1.60 g·cm-3）。在0.22 μF/1400 V（電容儲(chǔ)能215.6 mJ）發(fā)火條件下，在安全防爆罐內(nèi)完成了多發(fā)HNS-IV 藥柱的起爆。綜上，并聯(lián)PCB-PTS 通過(guò)控制高壓電容的放電過(guò)程，輸出短脈沖大電流滿足EFI 的特性需求，成功實(shí)現(xiàn)了起爆目的，驗(yàn)證了該開(kāi)關(guān)的實(shí)用性，同時(shí)研制的開(kāi)關(guān)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有利于提升EFIs 的作用可靠性。

圖9 基于并聯(lián)PCB-PTS 的CDU 及其組件（高壓電容位于測(cè)試板的背面）Fig.9 CDU and its components based on parallel PCB-PTS（capacitor is located on the back of testing PCB）

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了兩個(gè)三電極并聯(lián)的密封PTS，并采用PCB 工藝是實(shí)現(xiàn)了該開(kāi)關(guān)的批量制備，單只開(kāi)關(guān)的尺寸為13.5 mm（l）×7.5 mm（w）×2.5 mm（h）。

（2）組建了并聯(lián)PCB-PTS 的電氣性能測(cè)試裝置，獲得了該開(kāi)關(guān)的自擊穿電壓和工作特性：USB的測(cè)試平均值為2094 V；在50%～95% USB的工作電壓范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)可以被小于1500 V 的脈沖電壓觸發(fā)導(dǎo)通，電流上升時(shí)間穩(wěn)定在約120 ns，峰值電流大于1500 A，滿足EFIs 的使用需求。

（3）基于并聯(lián)PCB-PTS 的CDU，測(cè)試了EFI 結(jié)構(gòu)中PC 飛片的實(shí)時(shí)歷程；在0.22 μF/1400 V 發(fā)火條件下，成功起爆了HNS-IV 藥柱，驗(yàn)證了該開(kāi)關(guān)的實(shí)用性。

（4）未來(lái)考慮將并聯(lián)PTS 內(nèi)置在測(cè)試PCB 中，進(jìn)一步縮小EFIs 的體積以及降低回路的阻抗，最終實(shí)現(xiàn)EFI 低能發(fā)火的目的。