橋區(qū)參數(shù)對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火性能的影響

解瑞珍，薛 艷，任小明，劉 蘭，盧 斌，姚小寧

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

利用磁控濺射技術(shù)制備的Ni-Cr薄膜換能元作為電火工品的關(guān)鍵器件[1]，其結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成多層復(fù)合式結(jié)構(gòu)或特殊形式以滿足不同的需求，在低能化與微型化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2-4]?；?MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的成熟工藝，可滿足MEMS引信安保裝置中硅起爆器芯片技術(shù)的需求，實(shí)現(xiàn)與探測(cè)電路的二次集成，提高M(jìn)EMS引信安全保險(xiǎn)裝置的智能化程度[5-7]。

發(fā)火感度是火工品的重要技術(shù)參數(shù)，與火工品的安全性和可靠性密切相關(guān)，開展橋區(qū)參數(shù)對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火感度影響的研究，為換能元的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)，是Ni-Cr薄膜換能元研究的重點(diǎn)。本文選擇7740玻璃作為基底材料，設(shè)計(jì)制作了不同橋膜參數(shù)的換能元，并對(duì)其發(fā)火感度進(jìn)行了測(cè)試，獲得了橋區(qū)參數(shù)對(duì)換能元發(fā)火感度的影響結(jié)果。

1 試驗(yàn)樣品

采用非平衡磁控濺射儀、勻膠機(jī)、光刻機(jī)等設(shè)備制作Ni-Cr薄膜換能元。橋區(qū)材料為鎳鉻合金，鎳鉻合金的成分為鎳80%、鉻20%。換能元的顯微鏡照片如圖1所示。

圖1 Ni-Cr薄膜換能元橋區(qū)照片F(xiàn)ig.1 The bridge photo of Ni-Cr alloy thin film

2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GJB/z 377A-94感度試驗(yàn)用蘭利法對(duì)換能元的發(fā)火感度進(jìn)行了測(cè)試，選用的儀器分辨率為0.1V，采用火工品感度試驗(yàn)便攜式計(jì)算裝置 PDA[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布假設(shè)為正態(tài)分布，不同的試驗(yàn)樣品根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用了不同的刺激下限和刺激上限，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差不做修正。測(cè)試用起爆電路如圖2所示，發(fā)火電容47μF，含能材料為斯蒂芬酸鉛。

圖2 Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火電路Fig.2 The firing circuit of Ni-Cr alloy thin film transducer element

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 橋膜厚度對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火感度的影響

對(duì)橋膜厚度分別為0.3μm、0.6μm、0.9μm、1.2μm的換能元進(jìn)行發(fā)火感度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，發(fā)火后換能元橋區(qū)的顯微鏡照片如圖3所示。

從表1中可以看出，當(dāng)橋區(qū)尺寸一定時(shí)，隨著橋膜厚度的增加，換能元的發(fā)火電壓減小，當(dāng)橋膜的厚度增加到一定的程度，換能元發(fā)火電壓又有增大的趨勢(shì)，0.9μm厚的換能元較為敏感，發(fā)火電壓較低。

3.2 橋區(qū)寬度對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火感度的影響

對(duì)橋區(qū)寬度分別為0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm的換能元進(jìn)行發(fā)火感度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 不同橋膜厚度的換能元發(fā)火感度測(cè)試結(jié)果Tab.1 The firing sensitivity test result of transducer element with different film thickness

圖3 Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火后的顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 The microscopical photograph of Ni-Cr transducer element after fire

表2 不同橋區(qū)寬度的換能元發(fā)火感度測(cè)試結(jié)果Tab.2 The firing sensitivity test result of transducer element with different bridge width

表2結(jié)果顯示，當(dāng)橋膜厚度一定時(shí)，隨著橋區(qū)寬度增加，發(fā)火電壓增大；被測(cè)樣品中橋區(qū)寬度為 0.1 mm的換能元的平均發(fā)火電壓較低。

由于表2的測(cè)試結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn)，采用同樣的測(cè)試方法，對(duì)橋區(qū)長(zhǎng)度相同，橋區(qū)寬度分別為 0.10 mm、0.05mm的換能元的發(fā)火感度進(jìn)一步進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

從表 3中可以看出，當(dāng)橋區(qū)寬度小到一定程度時(shí)，相同膜厚的換能元的發(fā)火電壓不再繼續(xù)減小，而是有所升高。

表3 橋區(qū)寬度為0.1mm和0.05mm的換能元發(fā)火感度測(cè)試結(jié)果Tab.3 The firing sensitivity of transducer element with 0.1mm and 0.05mm bridge width

3.3 橋區(qū)長(zhǎng)度對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火感度的影響

對(duì)橋區(qū)長(zhǎng)度分別為0.1mm、0.3mm的換能元進(jìn)行發(fā)火感度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同橋區(qū)長(zhǎng)度的換能元發(fā)火感度測(cè)試結(jié)果Tab.4 The firing sensitivity test result of transducer element with different bridge length

從表4中可以看出，當(dāng)橋膜厚度、橋區(qū)寬度一定時(shí)，橋區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，換能元發(fā)火電壓越高，感度越低。

3.4 橋區(qū)形狀對(duì)Ni-Cr薄膜換能元發(fā)火感度的影響

采用同樣的方法對(duì)橋區(qū)尺寸、橋膜厚度相同，橋區(qū)形狀不同的換能元進(jìn)行了發(fā)火感度測(cè)試，兩種不同的橋區(qū)形狀如圖4所示，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

圖4 橋區(qū)形狀Fig.4 The shape of bridge area

表5 不同橋區(qū)形狀的換能元發(fā)火感度的測(cè)試結(jié)果Tab.5 The firing sensitivity test result of transducer element with different bridge shape

由表5可見(jiàn)，樣品2的發(fā)火電壓較樣品1低，說(shuō)明橋區(qū)形狀對(duì)換能元發(fā)火電壓有明顯的影響。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)橋區(qū)尺寸一定時(shí)，隨著橋膜厚度的增加，換能元的發(fā)火電壓減小，當(dāng)橋膜的厚度增加到一定的程度，換能元發(fā)火電壓又有增大的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)橋膜厚度、橋區(qū)長(zhǎng)度一定，橋區(qū)寬度大于 0.1mm時(shí)，隨著橋區(qū)寬度增加，發(fā)火電壓增大；但當(dāng)橋區(qū)寬度小于 0.1mm時(shí)，隨著橋區(qū)寬度減小，換能元發(fā)火電壓也有增大的趨勢(shì)。

（3）當(dāng)橋膜厚度、橋區(qū)寬度一定時(shí)，隨著橋區(qū)長(zhǎng)度的增加，換能元發(fā)火電壓增大。

（4）橋區(qū)的形狀對(duì)換能元的發(fā)火電壓也有顯著的影響。

[1]王廣海,李國(guó)新,焦清介.陶瓷基體表面粗糙度對(duì)Ni-Cr薄膜換能元性能的影響[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(5):548-553.

[2]解瑞珍,任小明,王可暄,等.Ni-Cr薄膜換能元刻蝕工藝研究[J].火工品,2010(6):20-22.

[3]Toshiyuki Tsuchiys.Mechanical reliability evatuation and its standandzation of thin films used in MEMS[D].Kyoto:Kyoto University,2004.

[4]K.L.Zhang,S.K.Chou S.S.Ang.Fabrication,modeling and testing of a thin film Au/Ti microheat international[J].Journal of Thermal Sciences,2007 (46):580-588.

[5]Hélène pezous,Carole Rossi Marjorie Sanchez etal.Integration of a MEMS base safe arm and fire device[J].Sensors and Actuators A, 2010 (159):157-167.

[6]David H.Lewish Jr.，Siegfried W.Janson，Ronald B.Cohen,et.al.Digital micropropulsion[J].Sensors and Actuators, 2000(80):143-154.

[7]Larangot B,Rossi C,Camps T,etal.Solid propellant microrockets towards a new type of power MEMS[R].AIAA 2002-5758, 2002.

[8]張蕊,付東曉,白穎偉,等.火工品感度試驗(yàn)用便攜式計(jì)算裝置[J].火工品,2009(1):35-39.