微型爆炸箔設計參數對電爆特性的影響*

賀 佳，龐樹財，羅斌強，譚福利

(1.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621999；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621999)

1 引 言

微型爆炸箔是指采用微電子工藝制作而成、尺寸在微米級的電爆炸金屬箔，目前主要應用在高壓開關中。Baginski等人[1-2]在2008年的引信年會和2009 年文章上發表了PSS、PTS和PDS 3種新型高壓開關的研究報告。3種開關都利用微型爆炸箔的電爆炸控制高壓電極的導通。PSS和PTS開關的工作原理如圖1所示，PDS開關的結構如圖2所示。由于PDS開關在電極表面覆蓋著一層絕緣介質，可以對高壓放電通道進行有效隔離，因此該開關的安全性較好。PDS開關的工作原理如下：在觸發極加脈沖信號，使觸發極的微型爆炸箔發生爆炸，將覆蓋于其上的絕緣介質炸飛，金屬高壓電極裸露，爆炸產生的等離子體彌漫在高壓電極的間隙處，高壓電極導通。另外，PDS開關還具有體積小、便于集成、抗沖擊性能好的特點。

圖1 PSS和PTS開關結構示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the PSS and PTS

微型爆炸箔是平面介質開關的重要組成部分。目前，對微型爆炸箔的研究工作主要集中于電爆炸的能量注入，電爆炸產物的導電特性，外電路元器件的選擇以及工作電壓的最小化控制等方面。爆炸電流、峰值電流、爆炸時間等是微型爆炸箔電爆炸的重要特性參數，通過實驗研究充電電壓、爆炸箔尺寸、絕緣膜覆蓋情況等因素對這些參數的影響，可以為微型爆炸箔的工藝設計提供參考。

圖2 PDS開關結構示意圖Fig.2 Configuration of PDS switch

2 實驗方法

圖3 實驗電路圖Fig.3 Schematic diagram of experimental circuit

實驗電路如圖3所示，完成電路連接后，打開直流電源對電容器充電，當電容器兩端電壓穩定時，閉合開關使觸發回路導通，電容器放電，觸發回路中形成脈沖電流，瞬間注入的能量使微型爆炸箔發生電爆炸，在爆炸箔區域形成等離子體。由于觸發回路中電流不是很大，因此可以使用普通金屬接觸式導通開關，并通過羅氏線圈測量電流。回路電感為330 nH，電容為0.13 μF，電阻為0.3 Ω。微型爆炸箔樣品材料為銅，采用MEMS表面微加工工藝，通過濺射、光刻、腐蝕等工藝制成。根據絕緣膜的覆蓋情況，實驗所用的微型爆炸箔樣品如圖4所示。

圖4 微型爆炸箔樣品結構Fig.4 Configuration of micro-exploding foil

3 實驗結果

圖5 典型的電流波形Fig.5 Typical current-time curve

3.1 回路電流波形

微型爆炸箔電爆炸過程如下：觸發回路通過脈沖大電流后，爆炸箔經歷受熱、熔化、汽化和擊穿等物理過程，最終形成高溫高壓等離子體。電容器放電過程中，爆炸箔電阻隨溫度的升高而不斷增大，當輸入爆炸箔的能量達到爆炸閾值時，爆炸箔的電阻達到最大值，隨后爆炸箔被擊穿，電阻逐漸減小。圖5為觸發回路1/2周期的典型電流波形，電流在1/4周期處達到最大值。波形發生明顯畸變(由爆炸箔電阻變化而引起)的時刻即為爆炸時刻。

3.2 充電電壓對電爆特性的影響

設微型爆炸箔的尺寸為85 μm×85 μm×4 μm，并固定回路參數，在不同充電電壓條件下，爆炸后的爆炸箔圖片如圖6所示。微型爆炸箔的電爆炸參數見表1，其中Ui為充電電壓，Imax為最大電流，ta為最大電流時刻，Iexp為爆炸時刻的電流，J為爆炸電流密度，tb為爆炸箔的爆炸時刻。

由圖6可知，電容器充電電壓為100 V時，爆炸箔未發生明顯的電爆炸；充電電壓為300 V時，爆炸箔有較弱的爆炸現象，爆炸箔區域有大量固態金屬物質殘留；充電電壓為 700 V時，有劇烈的電爆炸現象發生，爆炸箔區域附近有大量爆炸產物噴濺的痕跡。在確定回路條件下，充電電壓越高，能量注入速率越高，爆炸越劇烈。從表1可以看出，對于尺寸一定的爆炸箔，隨著充電電壓的增加，峰值電流、爆炸電流增大，爆炸時間縮短。當充電電壓為500 V時，爆炸時間位于放電周期的1/4處，當充電電壓為300 V時，爆炸時間位于1/4～1/2周期。

圖6 爆炸箔在不同電壓下爆炸后圖片Fig.6 Exploding foil pictures taken after exploding with different input voltages

表1 充電電壓對電爆炸參數的影響Table 1 Influence of the input voltage of exploding foil on the electric-explosion parameters

3.3 爆炸箔橫截面積對電爆特性的影響

設充電電壓為900 V，當改變爆炸箔橫截面積時，爆炸箔電爆炸特性參數如表2所示，其中σ為爆炸箔橫截面積。由表2可知，當充電電壓一定時，回路的峰值電流和峰值電流出現的時間幾乎恒定。其原因如下：回路電流與充電電壓、回路電阻、電感和電容等參數有關，其中，除爆炸箔電阻外，其他均為固定參數，而且在一般情況下，爆炸箔電阻對回路電阻的貢獻較小，僅在爆炸時刻，爆炸箔電阻出現尖銳的峰值，使電流波形發生畸變。即峰值電流基本由充電電壓和外部電路參數決定，幾乎與爆炸箔尺寸無關。

表2 爆炸箔橫截面積對電爆炸參數的影響Table 2 Influence of the foil’s cross section on the electric-explosion parameters

另外，根據Tucker[4]等人提出比作用的概念，比作用可以表示為

(1)

式中：g為材料的比作用。該理論認為，爆炸箔發生電爆炸的條件是比作用達到特定值。因此，爆炸箔橫截面積越大，電流密度越小，相應地爆炸時間越長。由表2可知，銅箔的比作用約為12 A2·s/cm4，當回路參數和充電電壓一定時，爆炸時間隨著爆炸箔橫截面積的增加而增加，與理論預期相符。

3.4 爆炸箔長度對電爆特性的影響

當其他參數恒定時，爆炸箔長度l對其電爆炸特性參數的影響如表3所示。可以看出，隨著爆炸箔長度的增加，回路峰值電流逐漸減小，而爆炸電流和爆炸時間則基本保持不變。爆炸箔長度對電爆炸的影響主要表現在兩個方面：一方面，在瞬時大電流能量注入下，爆炸箔熔化波將沿著電流的加載方向以聲速傳播，由于熔化波的傳播速度與不穩定擾動增長的速度相比較小，因此不穩定增長將主導爆炸箔的電爆炸過程，即在電流曲線上，不同長度的金屬箔爆炸時間基本一致，但電爆炸后的電流有較大區別；另一方面，電爆炸發生后，引起金屬蒸汽電離的主要因素是金屬原子間的熱碰撞和電子與金屬原子的碰撞，對于爆炸箔長度不同的電爆炸過程，爆炸時刻的橋區電壓大致相同，但電場大小卻相差很大，直接導致自由電子可獲得的能量相差較大，影響碰撞電離的發生。綜上所述，在一定范圍內，爆炸箔長度對爆炸箔的電爆炸過程影響很小，但當爆炸箔長度過大時，爆炸箔將無法起爆。

表3 爆炸箔長度對電爆炸參數的影響Table 3 Influence of the foil length on the electric-explosion parameters

3.5 絕緣膜覆蓋情況對電爆特性的影響

覆蓋有聚酰亞胺絕緣膜(約4 μm厚)的微型銅箔和無絕緣膜的微型銅箔爆炸后典型的實驗圖片如圖7所示，當存在有絕緣膜時，金屬箔爆炸后，高溫高壓的等離子體迅速膨脹，推動覆蓋在上面的聚酰亞胺膜，使覆蓋在爆炸箔上的聚酰亞胺膜與周圍物質發生剪切斷裂。從圖7可以看出，覆蓋有絕緣膜的爆炸箔爆炸后，聚酰亞胺膜有清晰的斷裂邊界，爆炸橋區周圍沒有明顯的噴濺物；而無絕緣膜的爆炸箔爆炸后，橋區附近有大量爆炸產物的噴濺的痕跡。

開展了多發覆蓋有絕緣膜和無絕緣膜爆炸箔的電爆炸對比實驗，實驗結果表明，覆蓋有絕緣膜的銅箔電爆炸峰值電流比無絕緣膜的情況偏小，典型的電爆炸電流曲線如圖8所示。在電爆炸前，橋區金屬物質密度相對變化不大，有膜和無膜的電流曲線大致重合；在電爆炸后，由于膜的約束減弱了金屬蒸汽的膨脹，使得在相同溫度條件下金屬原子蒸汽和熱電子的平均自由程減小，熱碰撞導致的電離被抑制，電爆炸產物的電阻相比于無膜約束時偏大，反映在電流波形上，即爆炸之后的電流幅值偏小。因此，厚度在一定范圍內的絕緣介質薄膜對爆炸箔的起爆階段基本無影響，對爆炸電流、爆炸時間的影響很小。

圖7 爆炸箔爆炸后的圖片Fig.7 Exploding foil pictures taken after exploding with different covering conditions

圖8 電流曲線Fig.8 Current-time curve

4 微型爆炸箔的起爆閾值

圖9 爆炸箔閾值曲線Fig.8 Threshold curves of exploding foil

在回路參數確定的條件下，微型爆炸箔的電爆炸特性主要由充電電壓和爆炸箔的橫截面積決定。充電電壓越高或者爆炸箔橫截面積越小，爆炸時間越短。在爆炸箔橫截面積一定的情況下，當充電電壓低于某個值時，微型爆炸箔將無法發生電爆炸，該電壓稱為爆炸箔材料的起爆閾值。為了使爆炸箔材料充分起爆，通常要求爆炸箔的爆炸時間在電流曲線1/4周期以內。因此，起爆閾值和爆炸時間在1/4周期處的電壓值是爆炸箔設計的重要依據。圖9給出了銅箔材料在不同橫截面積下的起爆閾值和爆炸時間在1/4周期處的臨界電壓值。由圖9可知，當微型銅箔的橫截面積為340 μm2時，爆炸箔的起爆閾值為220 V，爆炸時間在電流曲線1/4周期處的臨界電壓值為500 V。此外，除實驗方法外，還可以通過一維流體動力學數值模擬程序[5-6]確定爆炸箔材料的起爆閾值和臨界電壓值。

5 結 論

(1) 在回路參數確定的條件下，充電電壓和爆炸箔橫截面積是微型爆炸箔電爆炸特性的兩個重要影響因素。即金屬爆炸箔電爆炸主要與單位面積內的能量密度注入率有關，充電電壓越大或者爆炸箔橫截面積越小，爆炸時間越短。(2) 在一定范圍內，爆炸箔長度對電爆炸過程基本無影響，但當爆炸箔長度過大時，爆炸箔將無法起爆。(3) 爆炸箔表面絕緣膜的覆蓋情況對爆炸電流和爆炸時間基本無影響，但會降低爆炸后的電流幅值。

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