基于MEMS工藝的微起爆器性能研究

薛 艷，劉 衛(wèi)，解瑞珍，任小明，劉 蘭，蘇 謙

基于MEMS工藝的微起爆器性能研究

薛 艷，劉 衛(wèi)，解瑞珍，任小明，劉 蘭，蘇 謙

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

針對(duì)MEMS火工品低能化、集成化技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于MEMS工藝的微起爆器，通過仿真計(jì)算獲得了基體材料、換能元材料、火工藥劑與微起爆器起爆性能的影響規(guī)律，確定了微起爆器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過MEMS工藝完成微起爆器一體化集成制作，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及起爆性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸誤差小于6%；微起爆器發(fā)火電壓小于3V，裝藥直徑1mm、裝藥量2.0mg時(shí)，可以可靠起爆CL-20炸藥，實(shí)現(xiàn)了低能化、集成化的要求，為MEMS火工品提供技術(shù)支撐。

微起爆器；MEMS技術(shù)；Ni-Cr換能元；仿真計(jì)算；性能測(cè)試

為適應(yīng)信息化武器裝備和各類微型武器的發(fā)展需要，火工品開始向功能多元化、換能元信息化、結(jié)構(gòu)微型化、序列集成化的MEMS火工品方向發(fā)展[1-4]。MEMS火工品的特點(diǎn)為換能結(jié)構(gòu)和藥劑結(jié)構(gòu)尺度為微米量級(jí)，核心器件尺度為亞毫米量級(jí)，系統(tǒng)尺度為毫米量級(jí)[5]。21世紀(jì)初，以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)MEMS火工品展開了廣泛研究，其中，2004年美國(guó)報(bào)導(dǎo)了一種用于MEMS引信安保裝置中的微型起爆器，制造工藝采用MEMS工藝，初始裝藥量約為3mg，器件尺寸為1mm×1mm×0.5mm[6]；2007年法國(guó)Carole Rossi研制了MEMS發(fā)火裝置，將換能元、MEMS開關(guān)及含能材料一體化集成，實(shí)現(xiàn)了保險(xiǎn)功能[7]；2008年美國(guó)采用MEMS技術(shù)，研制替代M100電雷管的微型平面雷管，全發(fā)火電壓3V，100μF，并應(yīng)用于手榴彈等常規(guī)彈藥[8]。2012~2018年國(guó)內(nèi)陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所開展了微結(jié)構(gòu)換能元、硅基微平面雷管[9-11]研究，獲得了微結(jié)構(gòu)換能元構(gòu)效關(guān)系以及發(fā)火電壓小于5V的微型雷管。然而實(shí)現(xiàn)火工品低能化、集成化仍是MEMS火工品技術(shù)發(fā)展的方向。

本文主要針對(duì)MEMS火工品低能化、集成化技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于MEMS工藝的微起爆器件，通過仿真計(jì)算優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用MEMS工藝完成一體化集成制作，并對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試分析。

1 微起爆器仿真計(jì)算

1.1 物理模型

微起爆器主要由微結(jié)構(gòu)換能元層、微結(jié)構(gòu)裝藥腔體層、初始起爆藥裝藥組成。采用ANSYS軟件對(duì)微起爆器的起爆性能進(jìn)行仿真計(jì)算，其中影響微起爆器起爆性能的主要有基體、換能元材料、裝藥等因素。

微起爆器起爆過程為瞬態(tài)過程，微起爆器件起爆性能受器件基體、微結(jié)構(gòu)換能元材料、裝藥等性能影響，因此選取與微結(jié)構(gòu)換能元接觸部分的裝藥、換能元材料和基體為研究對(duì)象，其物理模型如圖1所示。

圖1 微起爆器物理模型

1.2 仿真計(jì)算

1.2.1 基體材料對(duì)起爆性能的影響規(guī)律

基體材料應(yīng)與微起爆器結(jié)構(gòu)、制作工藝相兼容；并且需要考慮基底材料的熱傳導(dǎo)、電阻率物理性能參數(shù)，因此選擇Pyrex7740玻璃和硅作為微起爆器的基體材料，進(jìn)行仿真計(jì)算和發(fā)火性能驗(yàn)證，結(jié)果如表1、圖2所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和仿真計(jì)算結(jié)果吻合，微起爆器的基體材料為Pyrex7740玻璃時(shí)，平均發(fā)火電壓比硅基體微起爆器平均發(fā)火電壓降低50%。熱導(dǎo)率越低則導(dǎo)熱性能越差，熱量散失越小，換能元熱量積累越多越快；換能元的溫度越高，傳遞到初級(jí)裝藥的溫度越高，越有利于形成熱點(diǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)微起爆器低能化，基體選用低熱導(dǎo)率的Pyrex7740玻璃材料。

表1 不同基體材料微起爆器件發(fā)火電壓參數(shù)

Tab.1 Ignition voltage of micro-detonator with different material type of substrates

圖2 不同基體材料的起爆性能規(guī)律和驗(yàn)證

1.2.2 換能元材料對(duì)起爆性能的影響規(guī)律

微結(jié)構(gòu)換能元材料常選用包括Ni-Cr、Pt、Wu、Cu、Al等金屬材料，因此對(duì)常用金屬換能元材料的發(fā)火性能的變化規(guī)律進(jìn)行了仿真計(jì)算，同時(shí)結(jié)合MEMS工藝、微起爆器等兼容性要求，選擇Ni-Cr、Pt、Al金屬換能元進(jìn)行發(fā)火性能驗(yàn)證，結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 不同換能元材料微起爆器件發(fā)火電壓參數(shù)

Tab.2 Ignition parameters of micro-detonator with different material type of micro-heaters

圖3 不同換能元材料的起爆性能規(guī)律和驗(yàn)證

由圖3可見實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和仿真計(jì)算結(jié)果吻合，隨著換能元電阻的增加，換能元的臨界發(fā)火電壓呈冪函數(shù)形式增加；比較發(fā)現(xiàn)，在換能元電阻相同時(shí)，Ni-Cr、Pt、Cr 3種材料的發(fā)火電壓較低，同時(shí)采用換能元發(fā)火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。綜合工藝難度、材料造價(jià)、性能等問題，在微起爆器的設(shè)計(jì)和集成制作中，選擇Ni-Cr金屬薄膜作為微起爆器的換能元材料。

1.2.3 火工藥劑對(duì)起爆性能的影響規(guī)律

不同藥劑需要的發(fā)火能量不同，針對(duì)微起爆器含能材料的需求，以Ni-Cr換能元引發(fā)斯蒂芬酸鉛、疊氮化鉛和疊氮化銅藥劑，計(jì)算相同換能元下，不同藥劑與臨界發(fā)火電壓的關(guān)系，結(jié)合火工藥劑的特性，選擇斯蒂芬酸鉛和疊氮化銅進(jìn)行起爆性能驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同藥劑時(shí)發(fā)火電壓隨換能元電阻的變化規(guī)律

由圖4可見，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和仿真計(jì)算規(guī)律趨勢(shì)吻合。仿真計(jì)算表明，隨著換能元電阻值的增加，發(fā)火電壓呈冪函數(shù)的形式不斷增加。比較不同藥劑的發(fā)火電壓變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)換能元初始電阻值相同，采用斯蒂芬酸鉛作為藥劑時(shí)，換能元的臨界發(fā)火電壓最低，疊氮化鉛的臨界發(fā)火電壓最高，疊氮化銅的臨界發(fā)火電壓居于二者之間。起爆性能驗(yàn)證試驗(yàn)中，Ni-Cr換能元不能直接起爆疊氮化鉛，起爆斯蒂芬酸鉛的發(fā)火電壓低于起爆疊氮化銅的發(fā)火電壓，為滿足微起爆器起爆能力的要求，選擇原位疊氮化銅裝藥，可以降低微起爆器的起爆電壓。綜合微起爆器工藝兼容性和性能要求，確定了微起爆器件結(jié)構(gòu)材料：Pyrex 7740玻璃作為基體材料，Ni-Cr為換能元材料，疊氮化銅為火工藥劑材料。

2 微起爆器集成及表征分析

2.1 一體化集成制作

分析微起爆器件一體化集成及與MEMS工藝兼容性要求，裝藥腔體不同于傳統(tǒng)裝藥殼體（金屬殼體）的加工，采用深硅刻蝕（ICP）工藝在硅基體材料加工而成，形成微型平面結(jié)構(gòu)裝藥腔體；同時(shí)采用MEMS工藝完成微結(jié)構(gòu)換能元的制作，通過鍵合工藝在硅玻界面上加壓，使玻璃/硅界面形成了良好的封接；通過劃片工藝形成小的單元結(jié)構(gòu)。

在微起爆器件裝藥腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)疊氮化銅的原位制備，完成了微起爆器件一體化集成，形成的微起爆器件如圖5所示。

圖5 微起爆器一體化集成及單個(gè)器件結(jié)構(gòu)

2.2 性能表征

通過奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡5100、安捷倫5500原理力顯微鏡、DEKTAK150臺(tái)階儀對(duì)微起爆器件關(guān)鍵原件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6~7所示。

圖6 微結(jié)構(gòu)換能元形貌分析

圖7 微結(jié)構(gòu)裝藥腔體形貌分析

圖6~7表明：微結(jié)構(gòu)換能元圖形清晰，邊緣規(guī)整，致密性高；表面粗糙度最小幾個(gè)納米，最大小于35nm，具有較好的表面粗糙度特性；平均厚度為0.954μm，裝藥腔體厚度988.5μm，直徑990.5μm，結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸吻合，誤差小于6%。

3 微起爆器性能測(cè)試

3.1 臨界發(fā)火電壓測(cè)試

采用蘭利法測(cè)試微起爆器的發(fā)火性能。理論上，在某一確定的儲(chǔ)能電容條件下，能使器件發(fā)火的最小初始激勵(lì)電壓為臨界發(fā)火電壓。由于微起爆器制作、裝藥等工藝偏差，導(dǎo)致了臨界發(fā)火電壓存在一個(gè)分布區(qū)間，綜合微起爆器的產(chǎn)品狀態(tài)和性能，臨界發(fā)火電壓的中值應(yīng)該接近或者等于臨界發(fā)火電壓的理論值，所以在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)定微起爆器50%的發(fā)火電壓為其臨界發(fā)火電壓。采用蘭利法對(duì)微起爆器發(fā)火性能進(jìn)行測(cè)試，1#、2#樣品裝藥疊氮化銅（2.0mg，2.32g/cm3），3#、4#樣品裝藥斯蒂芬酸鉛（1.0mg，1.18g/cm3）。發(fā)火性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得1#、2#的臨界發(fā)火電壓均值分別為2.57V、2.33V，高于3#、4#的臨界發(fā)火電壓均值2.05V、2.12V，表明微起爆器的臨界發(fā)火電壓與藥劑有關(guān)。

表3 微起爆器件發(fā)火性能測(cè)試結(jié)果

Tab.3 Ignition property test results of micro-detonator

3.2 輸出性能測(cè)試

對(duì)微起爆器不同厚度、不同直徑、不同裝藥量進(jìn)行了輸出性能測(cè)試，發(fā)火電壓：5V，起爆1mm松裝層CL-20，藥量：3.7～4.2mg，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 微起爆器輸出性能測(cè)試結(jié)果

Tab.4 Output property test results of micro-detontor

從表4測(cè)試結(jié)果可以看出，對(duì)于1mm裝藥高度的微起爆器，直徑1mm、藥量1.8mg條件下，100%起爆CL-20裝藥，直徑0.8mm、裝藥量1.4mg條件下，起爆成功率只有80%；對(duì)于1.5mm裝藥高度的微起爆器，直徑0.8mm、裝藥量2.0mg條件下，100%起爆CL-20裝藥，因此，微起爆器的起爆CL-20的臨界裝藥直徑范圍為0.8~1.0mm之間，裝藥直經(jīng)大于等于1mm，裝藥量大于等于1.8mg，可以可靠起爆CL-20裝藥。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種基于MEMS的微起爆器，通過仿真計(jì)算獲得了基體材料、換能元材料、火工藥劑對(duì)微起爆器起爆性能的影響規(guī)律，確定了微起爆器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（2）通過MEMS工藝一體化集成制作了微起爆器，結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相吻合，誤差小于6%。（3）微起爆器臨界發(fā)火電壓2.57V，99%發(fā)火電壓小于3V，裝藥直徑大于等于1mm、裝藥量大于等于1.8mg時(shí)，可靠起爆CL-20，本研究實(shí)現(xiàn)了低能化、集成化的要求，為MEMS火工品提供技術(shù)支撐。

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Research on Performance of Micro-detonator Based on MEMS Technology

XUE Yan, LIU Wei, XIE Rui-zhen, REN Xiao-ming, LIU Lan, SU Qian

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

Aiming at the requirements of low energy and integrated technology of MEMS pyrotechnics, a micro-detonator was designed. The influence of matrix materials, transducer materials and pyrotechnics on the detonation performance of micro-detonator was obtained through simulation, and the structural parameters of the micro-detonator were determined. The micro-detonator was integrated by MEMS process and the performance test was carried out. The results show the structure size is consistent with the design size, and the error is less than 6%. The critical ignition voltage of the micro-detonator is less than 3V, under the critical charge diameter of 1mm and charge mass of 2.0mg, the micro-detonator can initiate CL-20 reliably. It provides technical support for MEMS pyrotechnics to achieve the requirements of low energy and integration.

Micro-detonator；MEMS technology；Ni-Cr transducer element；Simulation；Performance testing

TJ45+2.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.004

1003-1480（2020）01-0014-04

2019-10-10

薛艷（1981 -），女，高級(jí)工程師，主要從事微小型火工品技術(shù)研究。