PCB基密封并联平面触发火花隙开关的设计及性能

为了提高爆炸箔起爆系统(exploding foil initiator system,EFIs)的作用可靠性,减小系统体积、降低系统成本,采用印制电路板(printed circuit board,PCB)工艺设计了一种密封并联平面触发火花隙开关(planar triggered spark-gap switch,PTS).根据三电极的结构设计参数,采用PCB工艺批量制备了PTS,单只并联PCB-PTS的尺寸为13.5 mm(l)×7.5 mm(w)×2.5 mm(h).基于显微计算机断层扫描重建了开关的立体和断面图像,结果显示PCB工艺满足开关的加工精度需求.开展了电极间隙的静电场分布仿真以解释开关的导通过程,并且据此计算了开关的理论自击穿电压(self-breakdown voltage,USB).开关的电气性能测试表明:(1)并联PCB-PTS的USB略低于理论计算值,约为2000 V;(2)在大约50％～95％的USB范围内开关均能被可靠触发工作,并且电流上升时间稳定在约121.8 ns,峰值电流大于1500 A,满足EFIs的使用特性需求.最后,将该开关应用于爆炸箔起爆器(exploding foil initiator,EFI)进行发火实验,在0.22μF/1400 V的放电条件下,成功起爆了HNS-Ⅳ炸药.     

平面开关与爆炸桥箔的集成设计及研究

为了进一步减小爆炸箔起爆器系统体积,并降低生产成本,采用离子刻蚀的方法,设计并制备了一种集成平面开关的爆炸桥箔.其电爆炸性能测试结果表明:集成平面开关爆炸桥箔的放电参数与采用火花隙开关的参数—致性较好,该桥箔制备工艺简单、成本低,更有利于系统集成,缩小EFIs的体积.     

爆炸平面开关的设计及研究

为了进一步减小爆炸箔起爆器系统体积,并降低生产成本,设计并制备了一种爆炸平面开关,并对该爆炸平面开关的电极间隙和放电特性进行研究.结果表明:随着间隙电极的间隙距离减小,其开关的作用时间缩短;对于同一起爆电压的爆炸平面开关,随着放电电极间隙的增大,其冲击片雷管的爆发电流呈下降趋势.     

微芯片爆炸箔起爆器及其平面高压开关研究进展

爆炸箔起爆系统（Exploding Foil Initiator system, EFIs）的每一次技术升级都伴随着设计理念和制造工艺的革新,尤其是微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）和低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC）工艺,极大地促进了微芯片爆炸箔起爆系统（Micro Chip Exploding Foil Initiator system, McEFIs）的发展。简要分析了两种工艺制备微芯片爆炸箔起爆器（Micro Chip Exploding Foil Initiator, McEFI）的优缺点,列举了几种平面高压开关在电容放电单元（Capacitor Discharge Unit, CDU）中的工作性能,得出了开关的设计思路和研究方法的可行性。基于MEMS工艺和LTCC工艺制备及研究McEFI、平面高压开关和平面高压开关集成McEFI,分别总结了国内外的研究进展。提出了重点研究方向：深入研究MEMS工艺制备McEFI及其平面高压开关,以达到工程化应用;采用LTCC工艺,一体化烧结可制备具有独石结构的平面高压开关和McEFI。     

平面放电开关的导通特性研究

基于分段连续仿真的方法,以计算得到的电爆炸时金属气体压力作为输入,将桥区的电爆炸等效成压缩气体对外膨胀做功,对一种微机电技术制造的由聚酰亚胺覆盖的平面高压开关的导通过程进行了仿真研究。仿真结果表明:高压电极出现电流的滞后时间是由触发极桥区电爆炸过程决定的,高压电极是由电爆炸金属气体膨胀直接连通的。最后制造了开关样品,测试得到的电路波形与仿真符合地很好。     

基于二极管电爆炸的单触发开关导通机理

采用磁控溅射、紫外光刻、化学气相沉积等微机电加工技术,制备了基于Schottky结二极管和p-n结二极管的两种单触发开关,分析了无负载时它们的放电特性,两种开关在0.22μF/1500 V、0.22μF/1200 V下达至2000 A左右的峰值电流。研究了触发电容容值、触发电压、主电压、绝缘层厚度和双二极管并联结构对导通性能的影响,发现随着触发电容容值的增加,最小触发电压逐渐降低;减小绝缘层厚度、提高触发电压和主电压,均有利于峰值电流的升高;双二极管并联作为触发元件时,峰值电流比基于单个二极管的单触发开关更高,上升时间更短。根据单触发开关的放电特性曲线,将其作用过程划分为二极管电爆炸、绝缘介质层击穿和脉冲大电流上升三个阶段,阐明了各阶段的作用机制,建立了相应的电阻模型,结果表明单触发开关的电阻可以视为常数,并且阻值在毫欧级。     

基于MOS控制晶闸管的高压电容放电特性

为了研究国产金属氧化物半导体(MOS)控制晶闸管(Metal?Oxide?Semiconductor controlled thyristor,MCT)与高压陶瓷电容组成的电容放电单元(Capacitor Discharge Unit,CDU)的放电特性,设计制备出体积为40 mm(L)×25 mm(W)×8 mm(H)的CDU,其回路电感约10 nH,电阻约100 mΩ。首先分析了CDU回路的R-L-C零输入响应方程,采用CDU负载短路放电实验进行验证,研究发现随着电容值的增大,CDU的峰值电流、峰值电流上升时间、高压电容的放电时间等关键参数均增大;随着放电电压的升高,峰值电流增大,峰值电流上升时间不变。采用微型爆炸箔芯片(Cu桥箔35 mΩ)和硼/硝酸钾(Boron?Potassium Nitrate,BPN)点火药(硼粉/1.50μm,压药密度/1.57 g·cm~(-3))验证了CDU的作用效能,在0.36μF/1.20 kV下,测得回路峰值电流2.032 kA,桥箔两端电压0.9273 kV,峰值电流、电压延迟时间32.4 ns,爆发点时刻168.2 ns,爆发点功率1.490 MW,且CDU能可靠进行BPN的飞片冲击点火。结果表明,基于国产MCT和高压陶瓷电容的CDU基本适用于爆炸箔起爆器等脉冲大电流激发火工品,但其综合性能仍需改进。