低輸入能條件下半導體橋等離子體放電特性研究

吳 蓉 馮紅艷 朱順官 張 琳 王新

（1巢湖學院化學與材料科學系，安徽 巢湖 238000）（2南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094）

低輸入能條件下半導體橋等離子體放電特性研究

吳 蓉1馮紅艷2朱順官2張 琳2王新1

（1巢湖學院化學與材料科學系，安徽 巢湖 238000）（2南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094）

采用脈沖放電的方式，獲得低輸入能條件下半導體橋等離子體的光電信號，實驗研究了放電電壓為18V、充電電容為47μF和放電電壓為57V、充電電容為4.7μF的兩種輸入能相同的發火條件下半導體橋等離子體放電特性。結果表明，低輸入能量條件下，小電容大電壓容易完成橋膜物理形態的轉變，等離子體后期放電開始的時間早，且持續時間長，但是由于消耗在橋上的能量比較多，得到的等離子體溫度并不高。

半導體橋；等離子體；放電脈沖

半導體橋（SCB）是指利用微電子技術制造、用半導體膜（或金屬-半導體復合膜）做點火元件的火工品[1]，在電容放電脈沖激發下形成的等離子體應用于含能材料點火技術中，是目前活躍的研究領域[2]。SCB等離子體點火技術以等離子體為激發能量，具有高安全性能、作用迅速、發火能量低等特點。近年來國內外該技術研究涉及到SCB的電熱性質研究、點火器的設計、SCB等離子體參數測量[3～7]等方面。SCB等離子體的放電溫度，火花持續時間，以及等離子體加熱階段形成時間等多種放電特性的研究對于分析等離子體與藥劑作用的機理是非常重要的。本實驗在兩種輸入能相同的放電脈沖條件下對產生的SCB等離子體放電特性進行研究，為進一步研究SCB點火和起爆的機理提供實驗依據。

1 發射光譜法診斷等離子體溫度的基本原理

根據原子發射光譜理論[8]，受激原子從高能級向低能級躍遷時，將以光的形式輻射出能量，產生特定的原子光譜。選擇同種原子或離子的兩條光譜線，在熱力學平衡狀態或局部熱力學平衡狀態下，兩條光譜線的輻射強度比滿足下式：

式中 I1和I2為兩條波長分別為 λ1和 λ2光譜線的發射光譜強度；A1和A2為兩譜線的躍遷幾率；g1和g2為兩譜線激發態的統計權重；E1和E2為兩譜線上激發態能量；k為Boltzmann常數；T為等離子體溫度。對于已知的兩條譜線，A1、A2、g1、g2、E1和 E2均為已知的光譜常數，可從化學物理常數手冊中查到[9]。所以只要測得兩條譜線的譜線強度I1和I2，即可由（1）式求得等離子體溫度T。

2 實驗及裝置

2.1 SCB的結構

本實驗所用的SCB為重摻雜多晶硅SCB，其基本結構如圖1所示，由夾在硅基片與金覆蓋層之間呈“H”形的重摻雜多晶硅構成，長100μm，寬 380μm，厚 2μm，橋體電阻 1Ω。

圖1 SCB結構圖

2.2 SCB等離子體的發生裝置及光電測試系統

如圖2所示，其中左邊為SCB等離子體的發生裝置，首先由電源對電容器充電，當電容器充電至一定電壓時，將開關K1轉換到K2，進入放電回路，接通K3對SCB兩端施加電脈沖，產生等離子體。右邊為光電測試系統，包括：測溫探頭、一進二出的光導纖維、干涉濾波片、光電倍增管，負高壓穩壓供電電源、高速響應電路的光電轉換系統、數據采集和實時顯示處理系統。本實驗采用的數據采集裝置為LeCroyLT374型示波器，該示波器有四個通道，可分別同時采集加在SCB上的電壓、電流信號以及等離子體產生的光譜信號。

圖2 SCB等離子體的發生裝置及光電測試系統

2.3 實驗

根據原子發射光譜法的譜線選擇原則[8]，實驗選擇Cu元素的兩條原子譜線510.55nm和521.82nm作為分析線，通過以上測試系統，在不同放電脈沖條件下，對SCB生成等離子體進行光電測試，得到隨時間變化的兩條等離子體光譜強度信號與同一時間下的放電脈沖信號，每種放電條件下平行測定三次。圖3為22μF，57V實驗條件下得到的一組典型實驗曲線。

圖3 作用于SCB上電壓、電流以及產生的等離子體光譜強度隨時間的變化

圖4 SCB上消耗的功率及能量隨時間的變化

圖3（a）為SCB兩端的電壓隨時間的變化，其中第一個峰值對應SCB汽化前的硅橋加熱，第二個峰值對應的t1時刻硅橋熔斷，硅等離子體加熱階段開始。Benson等人[1]認為只有當等離子體加熱階段形成時，SCB才能點燃炸藥。我們也稱此為等離子體后期放電開始。圖3（b）為回路感應電流隨時間的變化，t2為放電電流降至0的時刻。圖 3（c）為 λ1（Cu I 510.55nm）和 λ2（Cu I 521.82nm）兩條光譜線輻射強度隨時間的變化，因系統是將光信號轉化成電信號，且兩者之間成正比關系，在此將光輻射強度用電壓表示。

將圖3中電壓電流的乘積即功率，通過對時間積分可獲得相應的能量，圖4（a）為功率隨時間的變化，圖4（b）為相應能量隨時間的變化，其中W1為等離子體后期放電開始時SCB發火所消耗的能量，我們稱之為臨界發火能量。W2為SCB上消耗的總能量。

本實驗在相同的兩種低輸入能的放電脈沖條件下（放電電壓為18V、充電電容為47μF；放電電壓為57V、充電電容為4.7μF），對SCB進行發火實驗，研究SCB生成等離子體的放電特性。通過KH-7700數字三維視頻顯微鏡，觀察SCB在電脈沖作用后，橋區的表面形貌，進一步研究小發火能量電路對SCB等離子體后期放電的影響。

3 結果與討論

在 18V、47μF 和 57V、4.7μF 的發火條件下進行實驗，得到電流、電壓及譜線強度隨時間的變化信號如圖5、圖6和圖7所示。可以看出4.7μF條件下橋的熔斷速度快，等離子體后期放電開始的時間早，以及小電容大電壓條件下產生的光譜強度大，持續時間長。

圖5 相同輸入能下的電壓信號

圖6 相同輸入能下的電流信號

圖7 相同輸入能下的光譜強度信號

由圖7所得的譜線強度隨時間的變化關系，根據原子發射光譜雙譜線測溫法原理，通過（1）式計算，可得SCB等離子體溫度隨時間的變化，其變化趨勢如圖8所示。由于放電產生的光譜信號比較弱，所以得到的等離子體溫度的結果重現性并不是很好，但是通過結果還是可以明顯的發現，57V、4.7μF放電脈沖下等離子體的溫度高。

圖8 等離子體溫度隨時間變化曲線

計算不同放電脈沖下SCB上消耗的能量，如表1所示，可以看出兩個發火條件下，SCB上輸入能量相同的情況下，橋上消耗的總能量都大于消耗在橋上的臨界發火能量。

表1 不同放電脈沖下SCB上消耗的能量

圖9為相同輸入能的兩種發火條件下，橋體表面燒蝕情況的顯微圖，上面3幅為57V、4.7μF條件下的燒蝕情況，下面3幅為18V、47μF的燒蝕情況。顯然 57V、4.7μF比 18V、47μF的放電脈沖條件下燒蝕的結果嚴重。說明充電電容小，能量輸入速度很快，在橋上的消耗多，對橋造成很嚴重的燒蝕。而此條件下的發火能量接近SCB放電形成后期放電的最小能量，所以能量在橋膜物理形態轉變過程的過多消耗，導致橋膜蒸汽并不能很好的被加熱，雖然開始時的光譜強度很大，但是等離子體的溫度并不高。

圖9 相同儲能下SCB的燒蝕情況

4 結論

本實驗在前期研究的成果上進一步考察低輸入能量條件下，SCB等離子體的放電特性。采用放電電壓為18V、充電電容為47μF和放電電壓為57V、充電電容為4.7μF的兩種輸入能相同的發火電路進行實驗。通過對SCB生成等離子體的光電信號進行分析，及通過對SCB在電脈沖作用后橋區表面形貌的觀察，研究了不同放電條件對等離子體溫度及等離子體后期放電的影響。對于低輸入能的脈沖放電，選擇小電容大電壓的發火電路，等離子體后期放電開始的時間早，放電時間長，但得到的等離子體溫度相對較低。該工作對研究SCB的發火機理及SCB等離子體與藥劑作用的機理具有基礎性作用。

[1]Benson D A,Larsen M E,Renlund A M,et al.Semiconductor bridge:a plasma generator for the ignition of explosives[J].J.Appl.phys.,1987,62（5）:1622-1632.

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[3]Lee K N,Park M I,Choi S H,et al.Characteristics of plasma generated by polysilicon semiconductor bridge（SCB）[J].Sens.Actuators A,2002,96:252-257.

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[5]任煒,周智,劉舉鵬.半導體橋點火器的設計與研究[J].火工品,2007,(6):43-46.

[6]吳蓉.半導體橋等離子體溫度的光譜法診斷研究[D].南京:南京理工大學,2007.

[7]馮紅艷,李燕,張琳,等.原子發射光譜雙譜線法測量半導體橋（SCB）等離子體溫度[J].含能材料,2007,15（2）:134-136.

[8]《發射光譜分析》編寫組.發射光譜分析[M].北京:冶金工業出版社,1977.

[9]Lide D R.CRC Handbook of Chemistry and Physics,66th Ed.[M].Florida:CRC Press,1985-1986.

RESEARCH ON THE CHARACTERISTICS OF SEMICONDUCTOR BRIDGE PLASMA DISCHARGE WITH A LOW INPUT ENERGY

WU Rong1FENG Hong-yan2ZHU Shun-guan2ZHANG Lin2WANG Xin1
(1 Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu University,Chaohu Anhui 238000)(2 School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210094)

The opt-electronic signals of semiconductor bridge plasma were obtained through pulse discharging with a low input energy in the experiment.The discharging characteristics of semiconductor bridge plasma have been studied under the same input energy with 18V and 47μF and 57V and 4.7μF respectively.It is found that it is easier to complete the bridge membrane changes in physical form with a low capacitor and a high voltage.The beginning of the late discharge is earlier and duration is longer.The plasma temperature is not high because a considerable amount of energy was consumed on the bridge.

semiconductor bridge;plasma;discharge pulse

TJ55;O657.31 < class="emphasis_bold">文獻標識符：

符：A

1672－2868（2011）03－0075－04

2011-3-16

安徽省高校省級優秀青年人才基金項目（項目編號：2011SQRL121）

吳蓉（1977-），女，安徽巢湖人。碩士，講師，研究方向：化學計量學與光譜分析研究

責任編輯：宏 彬