基于MEMS技术的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药试验研究

火工品

INITIATORS & PYROTECHNICS

文章编号：1003-1480（2016）06-0001-04

基于MEMS技术的EFI芯片起爆

HNS-Ⅳ炸药试验研究

李可为，褚恩义，薛 艳，解瑞珍，任小明，任 西，张玉若 （陕西应用物理化学研究所应用物理化学国家级重点实验室，陕西西安，710061）

摘 要：采用MEMS技术制备了一体化集成的EFI芯片，研究了EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的能力，试验结果表明在起爆电压高于2 400V下EFI芯片能够成功起爆HNS-Ⅳ炸药，并且可靠地剪切出飞片。设计了3种桥箔和加速膛尺寸匹配关系的EFI芯片，用兰利法测试其发火感度。结果表明桥箔尺寸为0.3mm×0.4mm、加速膛直径为0.3mm时，EFI 试验件的发火感度最高，50%发火电压为1 928V，全发火电压为2 013V。

关键词：EFI；MEMS；桥箔；飞片；加速膛；起爆

中图分类号：TJ45+3 文献标识码：A

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）

Abstract：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.

Key words：EFI；MEMS；Exploding foil；Flyer；Barrel；Initiation

爆炸箔起爆器（Exploding Foil Initiator，简称EFI）是目前最为安全钝感的火工品[1-2]。近年来，随着MEMS技术在火工品领域的深入发展，集成化、批量化制备已经成为EFI的发展方向。2005年以来，中国工程物理研究院和北京理工大学等单位[3-5]先后制备出基于MEMS技术的EFI芯片，但是关于采用新工艺制备的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的报道很少，基于MEMS技术的EFI芯片还停留在设计层面。为此，本课题组制备了一种新型的基于MEMS技术的EFI芯片，并开展相关研究。

1 试验

1.1 样品制备

制备的EFI芯片如图1所示。基本的制备工艺流程为：首先在衬底层上溅射铜膜，然后进行图形化制备桥箔，在桥箔上面进行匀胶显影等工艺操作制备PMMA光刻胶飞片，在飞片层上利用相同的工艺制备

2016年12月2016年第6期收稿日期：2016-10-17

作者简介：李可为（1992-），男，在读硕士研究生，主要从事MEMS爆炸箔起爆器研究。

2

2016年第6期

SU8光刻胶加速膛，最后进行划片分割。

图1 EFI 芯片(放大100倍) Fig.1 EFI Chip （×100）

试验的样品从整版芯片中随机抽取。采用HNS-Ⅳ标准炸药柱，其直径（带管壳）和高度均为3mm ，压药密度为1.6g/cm 3。为了便于装配药柱，先将芯片用双面胶固定在亚克力玻璃片上；然后将锡线焊接在芯片焊盘两侧，以减少引线的电阻，使引线与焊盘之间有良好的欧姆接触；最后将药柱的中心对准加速膛，同时用胶带固定，完成试验件的制备。制备好的EFI 试验件如图2所示。

图2 EFI 试验件

Fig.2 EFI sample

1.2 试验装置

试验的起爆回路装置主要包括高压电源和脉冲功率源，脉冲功率源又包括薄膜电容、高压开关、升压器和电路等，起爆回路如图3所示。为了尽量减少起爆回路参数对爆炸箔起爆器试验件发火感度的影响，试验采用文献[6]优化的起爆回路等效参数，即储能电容容量为0.2μF ，放电回路等效电感为57nH ，等效电阻为68m Ω。

图3 EFI 试验件起爆回路

Fig.3 Initiation circuit of EFI

2 试验结果与分析

2.1 起爆HNS -IV 试验

根据研究经验，在不同的电容充电电压下进行了

起爆HNS-IV 试验，试验结果如表1所示。

表1 不同起爆电压下EFI 试验件发火情况

Tab.1 Firing test results of EFI with different initiation voltage

编号桥箔尺寸/mm

桥箔厚度

/μm

桥箔电阻/mΩ

加速膛直径 /mm 起爆

电压

/V 起爆

情况1 0.4×0.4 4 28.61

0.4 3 000 1 2 0.4×0.4 4 27.44 0.4 2 800 1 3 0.4×0.4 4 28.88 0.4 2 600 1 4 0.4×0.4 4 27.12 0.4 2 400 1 5 0.4×0.4 4 26.54 0.4 2 200 0 6 0.4×0.4 4 27.15 0.4 2 000 0 7 0.4×0.4 4 27.45 0.4 1 800 0 8 0.4×0.4 4 27.69

0.4

1 600 0

注：1表示起爆，0表示未起爆。

从表1可以看出在电容充电电压高于2 400V 时，EFI 芯片可以成功起爆HNS-IV ，低于2 200V 时均未能起爆。说明利用PMMA 光刻胶和SU-8光刻胶能够用作飞片和加速膛，且采用表1所示的参数设计是合理的。试验中未起爆的炸药柱如图4所示。

图4 未发火药柱照片

Fig.4 Photo of non-explosive grain

由图4可见，所有的未起爆炸药柱上均出现了凹痕，随着起爆电压的增加，凹痕深度越来越明显，且凹痕颜色逐渐变黑，说明炸药柱在飞片的作用下，先由普通压痕逐渐转为爆燃的过程。试验结果证明了EFI 芯片能够可靠地剪切出飞片。 2.2 桥箔参数匹配试验

杨振英、张玉若[7-8]等人的研究结果表明，桥箔和加速膛的尺寸匹配能够显著影响EFI 的发火感度，为了优化EFI 的设计参数，降低EFI 的发火电压，固定其他参数不变，设计了3种不同桥箔尺寸匹配不同直径加速膛的EFI 芯片，具体设计参数如表2所示。

表2 3种EFI 芯片设计参数

Tab.2 Design parameters of three kinds of EFI chip

组别

桥箔尺寸 /mm 加速膛直径/mm 桥箔厚 度/μm 加速膛长度/mm 飞片厚度/μm

1＃

0.3×0.4 0.3 4 0.35 25 2＃

0.4×0.4 0.4 4 0.35 25 3＃

0.4×0.5 0.5 4 0.35 25

根据金属薄膜电阻的计算公式：

r =ρ

l

/S （1）

薄膜电容

高压开关

EFI 试验件

高压电源

触发线路 (a) 5#

(b) 6# (c) 7

#(d) 8#