不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)MEMS爆炸換能元電爆性能研究

王 鋒，侯新鵬，彭志凌

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

爆炸換能元是指應(yīng)用在爆炸箔起爆系統(tǒng)中的薄膜換能元，薄膜換能元作為微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro-mechanical systems, MEMS)火工品的核心部件,采用薄膜工藝制備成型，是MEMS火工品安全性和可靠性的重要影響因素?；鸸て纷鳛槠鸨c點(diǎn)火的始發(fā)元件，其性能直接影響整個(gè)武器系統(tǒng)的安全性和可靠性。薄膜換能元作為MEMS火工品的核心部件,一般采用金屬薄膜材料或半導(dǎo)體材料制作的平面電阻，作用時(shí)通過輸入電流產(chǎn)生熱量，并以焦耳熱的形式傳遞，最終實(shí)現(xiàn)與含能藥劑發(fā)生效應(yīng)，完成起爆作用。

如今隨著MEMS微型化技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于薄膜換能元也提出了更高的要求，新一代薄膜換能元朝著微型化、尺度化發(fā)展，同時(shí)要求其電爆時(shí)具有較高的輸出能量以及較快的響應(yīng)速度。在電爆系統(tǒng)中，換能元橋箔充當(dāng)著十分重要的作用，它既是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的載體，也是換能元起爆序列傳送的樞紐。

為優(yōu)化薄膜換能元性能，大量的學(xué)者對(duì)基底材料、橋箔材料與橋區(qū)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究，但對(duì)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究較少。因此，通過對(duì)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)薄膜換能元進(jìn)行仿真分析，并搭建樣機(jī)進(jìn)行換能元電爆性能測(cè)試，揭示薄膜換能元電爆特性受橋區(qū)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 薄膜換能元橋區(qū)結(jié)構(gòu)仿真研究

1.1 薄膜換能元橋區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以方形、六邊形、曲線形以及倒V形這4種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu)，來探究不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆發(fā)火性能的影響。設(shè)計(jì)的薄膜換能元以Pyrex7740玻璃作為基底材料，選用銅作為橋箔材料，橋箔整體長(zhǎng)5 mm，寬3 mm。設(shè)計(jì)4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示，橋區(qū)結(jié)構(gòu)位于橋箔中心區(qū)域，橋區(qū)兩側(cè)為橋翼，以方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)(邊長(zhǎng)0.3 mm)作為整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)橋形，進(jìn)而在基礎(chǔ)橋形進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的變換。基礎(chǔ)橋區(qū)的中心寬度距離保持不變，將橋區(qū)兩邊長(zhǎng)度縮短至0.1 mm，得到六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)橋區(qū)兩側(cè)距離保持不變，將橋區(qū)上下中心的長(zhǎng)度縮短至0.2 mm，做圓弧半徑為0.125 mm的弧，得到曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)橋區(qū)兩邊長(zhǎng)度保持不變，將橋區(qū)中心的距離縮短至0.1 mm，得到倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖1 橋區(qū)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

1.2 橋區(qū)結(jié)構(gòu)電熱仿真

薄膜換能元起爆機(jī)理過程包含了橋區(qū)由固態(tài)經(jīng)過液態(tài)、液態(tài)經(jīng)過氣態(tài)、最后氣態(tài)向等離子態(tài)轉(zhuǎn)化的復(fù)雜物理形態(tài)變化，其中換能元橋箔橋區(qū)是其發(fā)火部位，影響整體的發(fā)火特性。由于橋區(qū)部位占比整個(gè)橋箔尺寸非常小，為了更好的探究不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)換能元發(fā)火的差異性，去除橋區(qū)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橋翼，在COMSOL軟件進(jìn)行電爆過程初期階段固體狀態(tài)下的焦耳熱仿真，細(xì)致觀察不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電后的熱量分布以及橋區(qū)最高溫度，分析不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆性能的影響。

對(duì)于在極短電爆時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變的橋箔，不考慮橋箔表面發(fā)生的趨膚效應(yīng)，忽略不穩(wěn)定因素，壓力環(huán)境設(shè)定為常壓，考慮與周邊空氣的散熱作用，取熱通量對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m·K)，使用瞬態(tài)求解器進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定仿真初始溫度為300 K，在橋箔一端施加接地約束，橋箔另一端施加800 V的交流電進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，橋箔材料Cu與基底材料Pyrex7740玻璃的參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

表1 兩種材料的物理參數(shù)

圖2 橋區(qū)電熱仿真結(jié)果(t=0.05 μs)

根據(jù)仿真結(jié)果可得，方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)流固熱交換位置發(fā)生在橋區(qū)中心，由于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)未作局部處理且橋區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通電時(shí)熱量發(fā)生疊加導(dǎo)致橋區(qū)中心溫度最高，熱量聚集在橋區(qū)中心向四周擴(kuò)散，故中心位置最先發(fā)生流固熱交換，同時(shí)整個(gè)橋區(qū)熱量分布均勻。六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電后流固熱交換部位發(fā)生在橋區(qū)兩側(cè)，不在橋區(qū)中心。曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)流固熱交換部位既不發(fā)生在橋區(qū)中心，也不發(fā)生在橋區(qū)兩側(cè)，而在橋區(qū)曲線圓弧處，分析是由于該橋形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的，曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電后先在橋區(qū)中心上下兩側(cè)發(fā)生流固熱交換，隨著通電時(shí)間的增加，熱量累積從而導(dǎo)致橋區(qū)圓弧處溫度最高。倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)在橋區(qū)中心拐角處發(fā)生熱量聚集，因?yàn)闃騾^(qū)中心距離最窄，通電過程中經(jīng)過橋區(qū)結(jié)構(gòu)拐角處的電流密度最大，在該部位產(chǎn)生的熱量最多且熱量集中，最容易發(fā)生斷橋。

六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)與倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)通電時(shí)的熱量明顯高于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)與曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)，倒V形結(jié)構(gòu)橋區(qū)中心距離最短，中心拐角位置產(chǎn)生的熱量最多并且集中，故與方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)相比，倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆響應(yīng)時(shí)間短，升溫速率快，電爆前期階段產(chǎn)生的熱量多。仿真過程中4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)升溫曲線如圖3所示。

圖3 不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)升溫曲線

通過仿真結(jié)果以及升溫曲線分析，在4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)中，倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)的電爆發(fā)火性能最好，爆發(fā)時(shí)輸出能量高，響應(yīng)速度快；方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能穩(wěn)定，電爆前期階段產(chǎn)生的熱量分布均勻，響應(yīng)速度較慢；六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)升溫從兩側(cè)拐角開始，向四周擴(kuò)散到整個(gè)橋區(qū)，其電爆前期階段產(chǎn)生的最高溫度大于方形橋區(qū)最高溫度，升溫速率也快于方形橋區(qū)升溫速率，故六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆發(fā)火性能比方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)好；曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)在圓弧處發(fā)生熱量聚集，通電后生成能量較低，電爆性能最差。

2 電爆試驗(yàn)測(cè)試

2.1 橋區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

電爆試驗(yàn)系統(tǒng)由高壓電容、控制芯片、高壓觸發(fā)開關(guān)、脈沖功率源以及高壓探頭示波器等組成，薄膜換能元電爆測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電爆測(cè)試系統(tǒng)

理想狀態(tài)下的電爆試驗(yàn)系統(tǒng)整個(gè)回路中除了薄膜換能元這一負(fù)載，電路中再無其它電阻以及電感，高壓電容提供的脈沖能量全部作用于薄膜換能元上，使電爆系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。但在實(shí)際系統(tǒng)中，脈沖功率源、高壓電容等都存在一定的電阻和電感。所以，當(dāng)高壓電容將充電儲(chǔ)存的能量對(duì)薄膜換能元負(fù)載進(jìn)行放電時(shí)，可以把整個(gè)電路等效簡(jiǎn)化成一個(gè)RLC串聯(lián)電路，如圖5所示。此測(cè)試系統(tǒng)采用12 VDC輸入、對(duì)高壓電容的充電電壓范圍500～2 500 V、回路等效電阻183 μF、等效電感230 nH，測(cè)試系統(tǒng)滿足薄膜換能元電爆性能設(shè)計(jì)要求。

圖5 電爆等效回路

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

將4種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu)換能元分別接入測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電爆試驗(yàn)，設(shè)定充電電壓為1 000 V，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 橋區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：電爆系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，高壓電容瞬間釋放能量輸出到換能元橋箔，進(jìn)入電爆過程初期階段，隨著溫度上升，橋箔兩端的電阻不斷增加，兩端電壓也不斷增加，電流也開始逐漸增加；當(dāng)橋箔進(jìn)入汽化階段，電阻急劇增大，電壓也急劇增大，定義電壓最大時(shí)刻為爆炸時(shí)刻，因此電壓曲線有十分明顯的突起，此時(shí)電流曲線會(huì)出現(xiàn)短暫的凹陷，隨著氣體電離產(chǎn)生等離子體，等離子體具有導(dǎo)電性，故電壓又逐漸下降。電流曲線由于等離子體的產(chǎn)生從凹坑處數(shù)值上升恢復(fù)正常，隨著電爆結(jié)束逐漸下降為零。

電壓曲線零納秒出現(xiàn)峰值與電爆機(jī)理不相符，分析原因是由于測(cè)試系統(tǒng)放電前期，回路系統(tǒng)振蕩波動(dòng)，過幾納秒之后曲線趨于穩(wěn)定，平整無毛刺。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果曲線數(shù)據(jù)，選取換能元充電電壓、爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流、爆發(fā)時(shí)刻等參數(shù)進(jìn)行研究，其不同結(jié)構(gòu)換能元電爆炸參數(shù)如表2所示。

表2 不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能參數(shù)

由表2可知，倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆過程中的爆發(fā)電壓、電流最大，同時(shí)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間最短，其電爆性能最好。曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆過程中的爆發(fā)電壓、電流最小，爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間也最長(zhǎng)，其電爆性能最差。方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)電壓與六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)電壓相差不大，由于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通電時(shí)熱量發(fā)生疊加向四周擴(kuò)散，電爆過程中整個(gè)橋區(qū)熱量分布均勻，故方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)的爆發(fā)電流小于六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)，爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間比六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)滯后。六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能好于方形結(jié)構(gòu)，二者性能差距不大，與電熱仿真結(jié)果一致。

定義曲線圖電壓峰值為換能元爆炸時(shí)刻，當(dāng)爆炸時(shí)間與電流曲線峰值時(shí)間差值Δ越小，說明換能元電爆過程中的能量損耗越小，能量利用率越高。故這4種橋區(qū)結(jié)構(gòu)中，倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆時(shí)能量利用率最高，六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)能量利用率比方形橋區(qū)橋結(jié)構(gòu)高一些，曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)的能量利用率最低。

3 結(jié)論

對(duì)于微結(jié)構(gòu)薄膜換能元來說，其橋區(qū)尺寸在微米量級(jí)，其結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆性能有重大影響。貼合實(shí)際設(shè)計(jì)4種典型橋區(qū)結(jié)構(gòu)，來探究橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元電爆性能的影響。經(jīng)過仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)最先發(fā)生流固熱交換的位置不同，即橋區(qū)熱量集中的位置不同，其中方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)中心，六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)兩側(cè)，曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)曲線圓弧處，倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)熱量集中在橋區(qū)中心拐角處。

2)不同橋區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜換能元的電爆性能具有顯著影響，倒V形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間最短，電爆性能最好；曲線形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，電爆性能最差；方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆發(fā)響應(yīng)時(shí)間比六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)滯后，六邊形橋區(qū)結(jié)構(gòu)電爆性能優(yōu)于方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)。