Al/CuO-半導體橋微型化換能元

王羅凱，郝永平，劉雙杰，柳 泉

(沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

0 引言

半導體(SCB)火工品的發火性能以及安全性都要優于傳統橋絲式火工品，隨著時代發展，SCB火工品的安全性以及發火性能都存在不足，納米級可反應含能薄膜的應用，可以提高SCB火工品的安全性以及發火性能。目前納米級可反應含能薄膜[1]有金屬與金屬復合材料以及金屬與非金屬復合材料，且可以通過靜電放電[2]、機械沖擊[3]、激光輻照[4]、通電激勵[5]、加熱升高溫度[6]使得可反應含能薄膜發生反應釋放熱量。利用Al/CuO薄膜[7]反應釋放的能量可以提高SCB火工品的發火能量，且Al與CuO的薄膜厚度越薄[8]，反應速率越快。目前用以提高SCB火工品的發火性能的Al/CuO薄膜厚度基本為3 μm左右，對于微型化換能元的目標還有進一步研究的空間。本文針對目前換能元尺寸較大，提出Al/CuO-半導體橋微型化換能元。

1 基于Al/CuO含能薄膜提高SCB火 工品性能

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

2 低能化輸入以及微型化的SCB-Al/ CuO換能元

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

2.1 橋區尺寸的設計

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，半導體橋區的橋型采用蝶形橋區[16]，該橋區的雙側V字形尖角有利于集中熱量，提高半導體橋發火的可靠性。橋區形狀為雙側V字形(蝶形)橋區。橋區的長度L=380 μm，寬度W=100 μm，厚度H=2 μm，橋區兩側夾角θ=90°，橋區尺寸為L×W×H=380 μm×100 μm×2 μm[15]。尺寸圖如圖1所示。

圖1 半導體橋區尺寸圖Fig.1 Dimension diagram of semiconductor bridge region

對半導體橋區進行理論分析，橋區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。

取橋區左側中心點的位置為坐標軸原點，以電流的流向為x軸，寬度方向為y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，中心點一微元dx2，對式(1)兩邊進行微分，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)

進一步得到，半導體橋中心微元處電阻與其左側邊界微元處電阻的關系：

(5)

半導體橋正中心寬度為140 μm，最大邊界處寬度為190 μm，半導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。根據式(5)得，雙側V字形半導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域，有利于發火，雙側的V字形缺口保證了含能薄膜橋具有良好的發火性能。

2.2 結構設計

為了使得SCB-Al/CuO換能元的厚度更薄，在保證其發火性能基本保持不變前提下，將Al/CuO含能薄膜的調制比設計為150 nm∶300 nm,薄膜結構為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橋芯片與陶瓷塞進行封裝，在橋區兩側鍍上電極，壓焊硅鋁絲，用導電銀膠固定保護鍵合絲。將Al/CuO含能薄膜與半導體橋區進行集成，得到SCB-Al/CuO換能元，其結構如圖3所示。

圖3 SCB-Al/CuO換能元結構示意圖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。Al為金屬靶材采用直流磁控濺射，CuO為非導電型靶材，采用射頻磁控濺射。Al在60 W的時候濺射速率為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的調制比為150 nm∶300 nm，調制周期為450 nm，Al與CuO交替濺射各鍍膜兩層，Al/CuO薄膜結構為Al-CuO-Al-CuO，因此Al/CuO薄膜的總厚度為900 nm。如圖4所示左側為無鍍膜前的SCB橋區形貌，右側為鍍有Al/CuO薄膜的橋區形貌。

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

3 微型SCB-Al/CuO換能元性能驗證

3.1 COMSOL仿真模擬分析

采用COMSOL軟件對SCB-Al/CuO換能元進行分析，研究其在5 V激勵下0～0.5 s溫度隨時間的變化，步長為0.1 s，分析得到的溫度分布圖如圖5所示。Al的熔點為660 ℃，CuO的熔點為1 326 ℃，并且Al與CuO在550 ℃左右時發生氧化還原反應，進行鋁熱反應釋放出熱量。與理論相對應，如圖5、圖6所示整個模型中薄膜橋中心處溫度最高，Al∶CuO為150 nm∶300 nm在0.5 s時溫度已經達到1 500 ℃。驗證了雙側V字形的薄膜橋有利于把點火能量聚集到薄膜橋的中心區域，可以更有效地保證發火成功率。

圖5 0.5 s時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時橋區溫度分布圖Fig.6 The temperature distribution of bridge area at 0.5 s

3.2 試驗與分析

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

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

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

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

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

圖8 SCB火工品試驗前(左)與試驗后(右)橋區形貌圖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試驗前后橋區形貌圖。橋區形貌在試驗前后無明顯變化，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換能元試驗前(左)與 試驗后(右)橋區形貌圖Fig.9 SCB-Al / CuO energetic elements before (L) and after(R) experiments topography of bridge area

3.2.3點火試驗

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

圖10 點火電路Fig.10 Ignition circuit

圖11、圖12所示為SCB火工品的電壓和電流隨時間變化圖。圖13、圖14所示為SCB-Al/CuO換能元的電壓、電流隨時間變化圖。橋區在恒壓激勵下表面V形尖角處先發生反應，隨后反應向整個橋區中心推進，橋區出現熔融，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生成等離子體，使得電阻值不斷變大。該區域處的電阻變大與橋區其他大部分區域的電阻減小形成相互抵消，使得橋區整體的電阻保持在動態平衡狀態下，幾乎保持不變，直到橋區其他大部分區域的電阻變化占據主導地位后，電阻才會再一次發生大的變化。

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

換能元點火時需要的總能量Et，換能元的輸出總能量Eo近似等于點火時需要的總能量Et。換能元的點火需要的總能量的計算公式為：

(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還應當加上Al/CuO薄膜釋放的能量，在不計Al/CuO薄膜釋放的能量時輸出能量Eo已經遠大于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恒壓激勵下點燃鈍感藥的發火過程，整個發火過程持續了257.2 ms。圖18為SCB-Al/CuO換能元在5 V恒壓激勵下點燃鈍感藥的發火過程，整個發火過程持續了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火工品的發火過程圖Fig.17 The ignition process diagram of SCB pyrotechnics

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

4 結論

本文提出Al/CuO-半導體橋微型化換能元。該換能元利用Al/CuO薄膜達到一定溫度后能夠自發進行放熱反應后釋放出大量熱量，提高了SCB火工品的發火性能以及安全性。將Al/CuO含能薄膜的總厚度設計為900 nm時，使得SCB-Al/CuO火工品的厚度更薄，更滿足微型化的需求。仿真驗證結果表明，該換能元在5 V恒壓激勵下溫度要遠高于Al與CuO反應的溫度；發火實驗結果表明，該換能元在5 V恒壓激勵下能夠點燃5 mg粉末狀B/KNO3鈍感藥。