Al/CuO-半導(dǎo)體橋微型化換能元

王羅凱，郝永平，劉雙杰，柳 泉

(沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159)

0 引言

半導(dǎo)體(SCB)火工品的發(fā)火性能以及安全性都要優(yōu)于傳統(tǒng)橋絲式火工品，隨著時(shí)代發(fā)展，SCB火工品的安全性以及發(fā)火性能都存在不足，納米級(jí)可反應(yīng)含能薄膜的應(yīng)用，可以提高SCB火工品的安全性以及發(fā)火性能。目前納米級(jí)可反應(yīng)含能薄膜[1]有金屬與金屬復(fù)合材料以及金屬與非金屬復(fù)合材料，且可以通過靜電放電[2]、機(jī)械沖擊[3]、激光輻照[4]、通電激勵(lì)[5]、加熱升高溫度[6]使得可反應(yīng)含能薄膜發(fā)生反應(yīng)釋放熱量。利用Al/CuO薄膜[7]反應(yīng)釋放的能量可以提高SCB火工品的發(fā)火能量，且Al與CuO的薄膜厚度越薄[8]，反應(yīng)速率越快。目前用以提高SCB火工品的發(fā)火性能的Al/CuO薄膜厚度基本為3 μm左右，對(duì)于微型化換能元的目標(biāo)還有進(jìn)一步研究的空間。本文針對(duì)目前換能元尺寸較大，提出Al/CuO-半導(dǎo)體橋微型化換能元。

1 基于Al/CuO含能薄膜提高SCB火 工品性能

用可反應(yīng)的復(fù)合薄膜可以提高SCB火工品的發(fā)火性能，降低SCB火工品的發(fā)火需要能量，且發(fā)火時(shí)間更短，發(fā)火后輸出能量更大，安全性更好。文獻(xiàn)[9]把Al作為電極，CuO作為電介質(zhì)層，制備出介電式Al/CuO薄膜；用60 V以上的恒壓激勵(lì)薄膜橋全爆。文獻(xiàn)[10]制備了Al∶CuO厚度為1∶2的Al/CuO復(fù)合薄膜并集成在半導(dǎo)體橋區(qū)表面得到復(fù)合半導(dǎo)體橋；用電容放電的方式激勵(lì)半導(dǎo)體橋，電壓為20 V時(shí)Al/CuO含能薄膜無法提高半導(dǎo)體橋區(qū)為矩形時(shí)的電爆溫度，電壓值在25～35 V時(shí)，能明顯提高其輸出的電爆溫度。文獻(xiàn)[11]研究發(fā)現(xiàn)橋區(qū)的形狀為V字形時(shí)發(fā)火時(shí)間更快并且能夠有效降低輸入能量，并且輸入能量較低時(shí)Al/CuO薄膜降低了復(fù)合換能元的感度，點(diǎn)火的時(shí)間也相應(yīng)降低。文獻(xiàn)[12]通過磁控濺射技術(shù)將Al/CuOx復(fù)合含能薄膜集成到半導(dǎo)體橋區(qū)表面，以提高半導(dǎo)體橋的發(fā)火能力。通過蘭利法測試其發(fā)火電壓感度，電容的容量值選用100 μF，當(dāng)充電電壓值為8.45 V時(shí)50%的換能元發(fā)火；當(dāng)充電電壓值為12.39 V時(shí)99.9%換能元發(fā)火。文獻(xiàn)[13]將Al/CuO薄膜應(yīng)用至可調(diào)點(diǎn)火與驅(qū)動(dòng)器，Al/CuO薄膜的能量密度與傳統(tǒng)大部分的二次炸藥相比更大，并且安全性要高于傳統(tǒng)的二次炸藥。

2 低能化輸入以及微型化的SCB-Al/ CuO換能元

現(xiàn)代火工品的研究趨勢(shì)朝著低能化輸入、高能化輸出以及微型化發(fā)展，因此在保證火工品的發(fā)火性能的前提下，前人設(shè)計(jì)制備的SCB-Al/CuO換能元的發(fā)火電壓基本都在10 V及以上，并且Al/CuO的薄膜厚度都在3 μm以上。本文設(shè)計(jì)并制備Al/CuO含能薄膜的總厚度為900 nm的SCB-Al/CuO換能元，并對(duì)其在5 V恒壓激勵(lì)下的性能進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)在低能化輸入的情況下，滿足正常的發(fā)火性能甚至更強(qiáng)，且尺寸更加微型化，安全性更佳。

2.1 橋區(qū)尺寸的設(shè)計(jì)

采用磁控濺射把Al/CuO含能薄膜與SCB火工品相集成，制備得到SCB-Al/CuO[14-15]換能元，半導(dǎo)體橋區(qū)的橋型采用蝶形橋區(qū)[16]，該橋區(qū)的雙側(cè)V字形尖角有利于集中熱量，提高半導(dǎo)體橋發(fā)火的可靠性。橋區(qū)形狀為雙側(cè)V字形(蝶形)橋區(qū)。橋區(qū)的長度L=380 μm，寬度W=100 μm，厚度H=2 μm，橋區(qū)兩側(cè)夾角θ=90°，橋區(qū)尺寸為L×W×H=380 μm×100 μm×2 μm[15]。尺寸圖如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體橋區(qū)尺寸圖Fig.1 Dimension diagram of semiconductor bridge region

對(duì)半導(dǎo)體橋區(qū)進(jìn)行理論分析，橋區(qū)不同的截面處的電阻值為[16]：

(1)

式(1)中，R為電阻，單位Ω；ρ為材料的電阻率，單位Ω·m；L為長度，單位mm；W為寬度，單位mm；d為厚度，單位mm。

取橋區(qū)左側(cè)中心點(diǎn)的位置為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，以電流的流向?yàn)閤軸，寬度方向?yàn)閥軸，不同截面電阻分析圖如圖2所示。

取電流流向x軸方向左邊緣一微元dx1，中心點(diǎn)一微元dx2，對(duì)式(1)兩邊進(jìn)行微分，用x代替L得

(2)

(3)

由dx1=dx2,式(2)與式(3)相比可得

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(4)

進(jìn)一步得到，半導(dǎo)體橋中心微元處電阻與其左側(cè)邊界微元處電阻的關(guān)系：

(5)

半導(dǎo)體橋正中心寬度為140 μm，最大邊界處寬度為190 μm，半導(dǎo)體橋正中心處的微元電阻值的大小為最大邊界處微元電阻值的1.357倍。根據(jù)式(5)得，雙側(cè)V字形半導(dǎo)體橋正中心處的電阻值最大，通電后電流密度最大，焦耳熱也最大，溫度上升最快，易于形成熱量聚集區(qū)域，有利于發(fā)火，雙側(cè)的V字形缺口保證了含能薄膜橋具有良好的發(fā)火性能。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使得SCB-Al/CuO換能元的厚度更薄，在保證其發(fā)火性能基本保持不變前提下，將Al/CuO含能薄膜的調(diào)制比設(shè)計(jì)為150 nm∶300 nm,薄膜結(jié)構(gòu)為Al-CuO-Al-CuO，總共4層，Al/CuO含能薄膜的總厚度為900 nm。將制備好的SCB橋芯片與陶瓷塞進(jìn)行封裝，在橋區(qū)兩側(cè)鍍上電極，壓焊硅鋁絲，用導(dǎo)電銀膠固定保護(hù)鍵合絲。將Al/CuO含能薄膜與半導(dǎo)體橋區(qū)進(jìn)行集成，得到SCB-Al/CuO換能元，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SCB-Al/CuO換能元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of SCB-Al/CuO energetic element

2.3 制備工藝流程

采用超聲波清洗基材用丙酮、無水乙醇、去離子水依次清洗干凈，將基材放入樣品臺(tái)。Al為金屬靶材采用直流磁控濺射，CuO為非導(dǎo)電型靶材，采用射頻磁控濺射。Al在60 W的時(shí)候?yàn)R射速率為5.67 nm/min，CuO在60 W濺射速率為5.41 nm/min，都通氬氣20 sccm。Al與CuO的調(diào)制比為150 nm∶300 nm，調(diào)制周期為450 nm，Al與CuO交替濺射各鍍膜兩層，Al/CuO薄膜結(jié)構(gòu)為Al-CuO-Al-CuO，因此Al/CuO薄膜的總厚度為900 nm。如圖4所示左側(cè)為無鍍膜前的SCB橋區(qū)形貌，右側(cè)為鍍有Al/CuO薄膜的橋區(qū)形貌。

圖4 SCB橋區(qū)(左)與鍍有Al/CuO薄膜的橋區(qū)(右)Fig.4 The SCB bridge area (L) and the bridge area coated with Al / CuO film(R)

3 微型SCB-Al/CuO換能元性能驗(yàn)證

3.1 COMSOL仿真模擬分析

采用COMSOL軟件對(duì)SCB-Al/CuO換能元進(jìn)行分析，研究其在5 V激勵(lì)下0～0.5 s溫度隨時(shí)間的變化，步長為0.1 s，分析得到的溫度分布圖如圖5所示。Al的熔點(diǎn)為660 ℃，CuO的熔點(diǎn)為1 326 ℃，并且Al與CuO在550 ℃左右時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)行鋁熱反應(yīng)釋放出熱量。與理論相對(duì)應(yīng)，如圖5、圖6所示整個(gè)模型中薄膜橋中心處溫度最高，Al∶CuO為150 nm∶300 nm在0.5 s時(shí)溫度已經(jīng)達(dá)到1 500 ℃。驗(yàn)證了雙側(cè)V字形的薄膜橋有利于把點(diǎn)火能量聚集到薄膜橋的中心區(qū)域，可以更有效地保證發(fā)火成功率。

圖5 0.5 s時(shí)SCB-Al/CuO換能元整體溫度分布圖Fig.5 Global temperature distribution of SCB-Al / CuO energetic elements at 0.5 s

圖6 0.5 s時(shí)橋區(qū)溫度分布圖Fig.6 The temperature distribution of bridge area at 0.5 s

3.2 試驗(yàn)與分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)測量Al/CuO含能薄膜的厚度。根據(jù)GJB5309.11—2004[17]對(duì)SCB火工品與SCB-Al/CuO換能元進(jìn)行1 A 1 W 5 min試驗(yàn)，用高倍顯微鏡記錄試驗(yàn)前后橋區(qū)形貌變化以及對(duì)電阻進(jìn)行測量，結(jié)合橋區(qū)形貌以及電阻的變化來驗(yàn)證其是否滿足1 A 1 W 5 min試驗(yàn)的安全性要求。研究其在5 V恒壓激勵(lì)下，能否點(diǎn)燃5 mg粉末狀B/KNO3鈍感藥，并用示波器記錄下電流、電壓隨時(shí)間的變化，用高速攝影儀記錄整個(gè)發(fā)火過程。

3.2.1SEM測量薄膜厚度

圖7 Al/CuO薄膜斷面圖Fig.7 Al/CuO film section

3.2.21 A 1 W 5 min試驗(yàn)

對(duì)SCB火工品與SCB-Al/CuO換能元進(jìn)行1 A 1 W 5 min試驗(yàn)測試其安全性。測量并記錄試驗(yàn)前后的電阻值與橋區(qū)形貌，通過電阻值與橋區(qū)形貌的變化來驗(yàn)證其是否滿足1 A 1 W 5 min試驗(yàn)的安全性要求。

SCB火工品在1 A 1 W 5 min試驗(yàn)前電阻值為0.934 Ω，試驗(yàn)后電阻值為0.617 Ω；SCB-Al/CuO換能元1 A 1 W 5 min試驗(yàn)前電阻值為0.94 Ω，試驗(yàn)后電阻值為0.94 Ω。

圖8所示為SCB火工品在1 A 1 W 5 min試驗(yàn)前后橋區(qū)形貌圖，橋區(qū)出現(xiàn)膨脹與斷裂，且電阻值變化較大，因此SCB火工品不滿足1 A 1 W 5 min安全性試驗(yàn)要求。

圖8 SCB火工品試驗(yàn)前(左)與試驗(yàn)后(右)橋區(qū)形貌圖Fig.8 SCB pyrotechnics before (L) and after(R) experiment topography of bridge area

圖9所示為SCB-Al/CuO換能元1 A 1 W 5 min試驗(yàn)前后橋區(qū)形貌圖。橋區(qū)形貌在試驗(yàn)前后無明顯變化，且電阻值無變化，因此SCB-Al/CuO換能元符合1 A 1 W 5 min安全性試驗(yàn)要求。因此Al/CuO薄膜能夠提高SCB火工品的安全性能。

圖9 SCB-Al/CuO換能元試驗(yàn)前(左)與 試驗(yàn)后(右)橋區(qū)形貌圖Fig.9 SCB-Al / CuO energetic elements before (L) and after(R) experiments topography of bridge area

3.2.3點(diǎn)火試驗(yàn)

對(duì)SCB火工品與SCB-Al/CuO換能元在5 V恒壓激勵(lì)下的點(diǎn)火性能進(jìn)行研究，起爆藥為5 mg粉末狀B/KNO3鈍感藥。點(diǎn)火電路如圖10所示，恒壓直流源提供5 V恒壓激勵(lì)，示波器、電流探頭與電壓探頭記錄點(diǎn)火過程中的電流與電壓隨時(shí)間的變化圖。用高速攝影儀記錄整個(gè)發(fā)火過程，對(duì)電爆性能進(jìn)行記錄。

圖10 點(diǎn)火電路Fig.10 Ignition circuit

圖11、圖12所示為SCB火工品的電壓和電流隨時(shí)間變化圖。圖13、圖14所示為SCB-Al/CuO換能元的電壓、電流隨時(shí)間變化圖。橋區(qū)在恒壓激勵(lì)下表面V形尖角處先發(fā)生反應(yīng)，隨后反應(yīng)向整個(gè)橋區(qū)中心推進(jìn)，橋區(qū)出現(xiàn)熔融，電阻值隨之減小，V形尖角處的多晶硅汽化后在電壓作用下會(huì)生成等離子體，使得電阻值不斷變大。該區(qū)域處的電阻變大與橋區(qū)其他大部分區(qū)域的電阻減小形成相互抵消，使得橋區(qū)整體的電阻保持在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下，幾乎保持不變，直到橋區(qū)其他大部分區(qū)域的電阻變化占據(jù)主導(dǎo)地位后，電阻才會(huì)再一次發(fā)生大的變化。

圖11 SCB火工品電壓圖Fig.11 Voltage diagram of SCB pyrotechnics

圖12 SCB火工品電流圖Fig.12 Current diagram of SCB pyrotechnics

圖13 SCB-Al/CuO換能元電壓圖Fig.13 Voltage diagram of SCB-Al/CuO converter

圖14 SCB-Al/CuO換能元電流圖Fig.14 SCB-Al/CuO converter current diagram

換能元點(diǎn)火時(shí)需要的總能量Et，換能元的輸出總能量Eo近似等于點(diǎn)火時(shí)需要的總能量Et。換能元的點(diǎn)火需要的總能量的計(jì)算公式為：

(6)

忽略熱散失等其他情況下，如圖15所示SCB火工品的輸出能量Eo=Et=0.621 74 J，圖16所示SCB-Al/CuO換能元的Et=0.915 75 J。其輸出能量Eo還應(yīng)當(dāng)加上Al/CuO薄膜釋放的能量，在不計(jì)Al/CuO薄膜釋放的能量時(shí)輸出能量Eo已經(jīng)遠(yuǎn)大于SCB火工品的輸出能量，因此Al/CuO薄膜能夠提高SCB火工品的輸出能量。圖17所示為SCB火工品在5 V恒壓激勵(lì)下點(diǎn)燃鈍感藥的發(fā)火過程，整個(gè)發(fā)火過程持續(xù)了257.2 ms。圖18為SCB-Al/CuO換能元在5 V恒壓激勵(lì)下點(diǎn)燃鈍感藥的發(fā)火過程，整個(gè)發(fā)火過程持續(xù)了290.4 ms。

圖15 SCB功率圖Fig.15 Power diagram of SCB

圖16 SCB-Al/CuO換能元功率圖Fig.16 Power diagram of SCB-Al/CuO energetic elements

圖17 SCB火工品的發(fā)火過程圖Fig.17 The ignition process diagram of SCB pyrotechnics

圖18 SCB-Al/CuO換能元的發(fā)火過程圖Fig.18 The ignition process diagram of SCB-Al/CuO converter

4 結(jié)論

本文提出Al/CuO-半導(dǎo)體橋微型化換能元。該換能元利用Al/CuO薄膜達(dá)到一定溫度后能夠自發(fā)進(jìn)行放熱反應(yīng)后釋放出大量熱量，提高了SCB火工品的發(fā)火性能以及安全性。將Al/CuO含能薄膜的總厚度設(shè)計(jì)為900 nm時(shí)，使得SCB-Al/CuO火工品的厚度更薄，更滿足微型化的需求。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該換能元在5 V恒壓激勵(lì)下溫度要遠(yuǎn)高于Al與CuO反應(yīng)的溫度；發(fā)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該換能元在5 V恒壓激勵(lì)下能夠點(diǎn)燃5 mg粉末狀B/KNO3鈍感藥。