半导体桥火工品的防静电和防射频技术.pdf

2 8 爆破器材E x p l ∞i v eM a t e r i a l 8第3 9 卷第3 期 半导体桥火工品的防静电和防射频技术’ 陈飞周彬秦志春李敏 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 1 9 4 武警上海政治学院 上海，2 0 0 4 3 3 李鹏 武警江苏总队无锡支队 江苏无锡，2 1 4 0 7 1 [ 摘要] 对电火工品及半导体桥火工品防静电、防射频的常用方法进行了分析和概述，防静电方法主要是采用 绝缘环或者泄放通道，防射频方法主要是采用屏蔽和低通滤波器。指出了现有常用技术存在的问题和今后的发展 方向，认为现有方法无法完全泄放杂散静电、很难做到无缝隙屏蔽，或会增加火工品体积和质量。利用微电子保护 电路，是半导体桥火工品静电和射频防护技术未来的发展方向。 [ 关键词]半导体桥火工品 电火工品静电防护射频防护 [ 分类号] T J 4 5 0 引言 半导体桥火工品，是指利用半导体膜 或金 属一半导体复合膜 做发火元件，进而发展为利用 微电子集成技术，使火工品具有逻辑控制功能的一 类火工品，它是一种新技术的电火工品，具有发火能 量低、体积小、作用迅速、工艺一致性好、易与电路匹 配等优点，且具有一定的防静电、防射频能力⋯。 国内经过二十多年的研究，已经有了自己的S C B 产 品，正在向实用阶段发展。但是近年来静电放电危 害的日益突出和电磁环境的不断恶化，作为一种电 火工品，特别是发火能量较小的半导体桥 发火所 需能量lI I I J 以下 ，仍然还是会受到静电、电磁波的 影响，可能会造成火工品的早炸或性能下降 如发 火延迟、钝感等 ，因此有必要采取一定的技术措 施，来迸一步增强其防静电、肪射频能力。 l 电火工品常用的防静电、防射频方法 1 ．1 静电防护措施 电火工品静电防护的传统措施包括在桥丝周 围增加一个绝缘环【2 0 ；在点火药外表面涂一层耐高 压的绝缘漆膜或涂导电胶在插塞外表面；采用泄放 通道，泄放通道通常采用空气介质，其位置应远离药 剂，在插塞中脚线的尖端或弯曲部分与壳体之间；在 电火工品脚与壳之间并联静电泄放元件 如微型泄 放电阻、微型二极管、微型氖灯 ，以泄放静电H 1 ；采 用半导体材料作电极塞等方法。 1 ．2 射频防护措施 传统的加固技术包括屏蔽，利用金属盒、金属 网等屏蔽体将电火工品及其相关发火电路包围起 来，尽量减少进入火工品的电磁能量的一种抑制干 扰措施H 1 ；低通滤波器，其目的是为了减少耦合到 电火工品中的电磁能量，能够提供期望的衰减值而 不影响正常发火；采用羰基铁与铁氧体衰减材料、防 静电阻隔材料和复合导线等方法。 上述电火工品常用的防静电、防射频方法，虽然 在一定程度可以起到抗电磁的作用，但都存在着一 些缺陷与不足，如泄放通道不能确保完全泄放杂散 静电；由于外壳的不连续，要想做到无缝隙的屏蔽很 难，使得电磁能量或多或少的能进入到武器系统中； 低通滤波器使用的都是分立元件，造成火工品的体 积质量增加，同时传统的低通滤波器是可以通过直 流或其它低频信号的，这样就不能过滤掉能使火工 品偶然发火的低频信号。 2 S C B 火工品防静电、防射频技术 S C B 火工品可以采用上述的电火工品静电和射 频的加固技术，但因其能与数字逻辑电路相结合，并 可在半导体芯片上集成防静电、防射频装置，它的静 电和射频加固技术又有着自身的特点。国内外在这 方面做了很多的研究，总的来说包括以下几种。 2 。l 采用防静电、防射频器件或外包装材料 采用防静电、防射频器件对火工品进行防护，通 用于电火工品以及S C B 火工品，但考虑到减小联接 后整个火工品的体积，以及后续的结构设计等原因， 目前主要是针对S C B 火工品进行研究的。 2 ．1 ．1 齐纳二极管 收稿日期2 0 ∞．1 1 硝 作者简介陈飞 1 9 8 5 年一 ，男，在读博士，主要研究方向为s c B 火工品的防静电、防射频技术等。E ．n l l i l c h I n n y 鲫 i l ．咖 万方数据 2 0 1 0 年6 月半导体桥火工品的防静电和防射频技术陈飞等 2 9 它主要由绝缘基片上重掺杂的多晶硅桥和并联 的齐纳二极管构成，其结构如图l 所示。齐纳二极 管 又叫稳压二极管 ，是利用P N 结反向击穿特性 所表现出的稳压性能制成的器件，具有箝位电压的 特性。在临界反向击穿电压前，二极管是具有很高 电阻的半导体器件，但在这临界点击穿之后，电阻降 低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而 电压则保持恒定。 图1 集成齐纳二极管的S c B 美国专利u S P 5 1 7 9 2 4 8 和u s P 5 6 7 2 8 4 l 中分别 提到用齐纳二极管进行脚脚之间的射频防护和 脚一壳间的静电防护[ 5 别。齐纳二极管可以使电压 箝位到某一固定值，从而保护脚一脚与脚壳间不 被击穿而发火，它所能承受的静电电压值为6 0 0 0 2 5 0 0 0V 。如果将其用于脚壳间防静电，不仅能起 到防静电的作用，同时还解决了发火能量通过该结 构损失的问题。齐纳二极管一般用于电路中来防止 作用时间短、电压幅度高、瞬态能量大的瞬态干扰能 量对火工品的干扰。 如果进人s c B 火工品中的电压高于发火电压 而低于钳位电压，就有可能导致火工品误作用；且由 于其吸收的能量较小，容易出现过热情况，如果电压 低于发火电压而达到一定值时，此能量就会在桥丝 上不断产生热积累，从而导致s c B 火工品瞎火。 2 ．1 ．2 双极性二极管 双极性二极管是一种新型的防静电放电和防射 频放电的保护装置，在2 0 0 1 年的J O u R N A LO F P R O P U L s I O NA N DP O W E R 论文中提到一种用两个 肖特基二极管背靠背连接，直接集成到s C B 火工品 的桥区内的方法L _ 7 l 。它主要还是利用其二极管具 有箝位电压的特性，使其两端的电压箝位在一固定 值。其缺点包括电流负荷能力低；二极管所能承受 的瞬时脉冲是不重复的单一脉冲，若实际电路中出 现重复性脉冲则会失效。 2 ．1 ．3 其它的防护器件 除了以上的技术措施，研究者也对其它一些防 护器件开展了研究，如采用气体放电管、压敏电阻、 T v S 二极管、半导体放电管、热敏电阻和磁珠1 等。 南京理工大学的周彬、秦志春等人对半导体放电管、 热敏电阻以及磁珠等防护器件的性能进行了深入研 究归J ，目前已经通过了其性能的实验验证，正在努 力减小火工品整体的体积和优化制造工艺，向实用 阶段发展。 例如半导体放电管 也称固体放电管 ，是基于 可控硅的原理和结构的一种二端负阻器件，是S G S T H O M S O N 公司于1 9 8 9 年首先推出的o l 。它是一 种P N P N 元件，可以被看作是一个无门电极的自由 电压控制的可控硅，主要用于s C B 火工品的静电防 护。当静电电压超过它的雪崩电压时，半导体放电 管由于负阻效应进入导通状态，吸收大量的静电电 压，使S C B 火工品两端的电压箝位于一个预定值， 有效地保护火工品免受静电放电的损坏。而当静电 电压小于它的雪崩电压时，放电管又会恢复到它的 高阻抗状态，不影响火工品的正常作用。 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感 元器件。它是由半导体陶瓷材料组成，温度会引起 电阻的变化【l ，主要用于S C B 火工品的射频防护。 当S C B 火工品受到射频能量冲击时，其温度会逐渐 升高。当温度上升到一定值时，热敏电阻会感应到 这个高温，它的阻值会迅速地变小，和S C B 火工品 并联时就可以分走大量的电流，从而对火工品起到 保护作用。当射频能量过后，电路电压恢复正常，热 敏电阻又会很快地恢复原来的高电阻状态，使得线 路正常运行。 2 ．1 ．4 火工品防静电、防射频包装材料 山西北方晋东化工有限公司将油炉法炭黑和聚 乙烯树脂混炼造粒，得到半导电粒子，经三层共挤吹 膜工艺和电晕处理技术，制得表面能抗电磁的聚乙 烯薄膜【1 2 1 。该薄膜可与其它基材可靠复合成机械 物理性能优异的防静电软塑包装复合材料，起到良 好的静电、电磁和机械物理防护作用。该材料集高 阻气性、高机械强度于一体，体质柔软，不仅可以热 合封口，也可以机械封口，而且价格低廉，适用范围 广。 2 ．2 对S C B 火工品的芯片进行改进 这是S C B 火工品防静电、防射频专用的技术， 不适用于其它的电火工品，因为它需要对S C B 芯片 进行改进，所以对生产工艺水平的要求也比较高。 2 ．2 ．1 具有介电层的S C B 它是在金属焊接区和桥区间增加了一个介电 万方数据 3 0 爆破器材E x p l 0 8 i v eM a I e r i a l s第3 9 卷第3 期 层，这个介电层有特定的击穿电压 可在1 0 一1 0 0 0 V 之间 3 I 。低于其击穿电压的杂散电势可以被封 堵住，而高于击穿电压的电压，会击穿介电层，使电 流流到S C B 上，从而产生等离子体，引爆药剂。介 电层的厚度和它的介电率决定其介电强度，通过选 用不同的介电材料以及采用不同厚度的介电层，能 对介电层的击穿电压进行调控。其结构如图2 。 图2 带有电压保护的半导体桥 介电层采用的介电材料是电的绝缘材料，当它 处于金属焊接区和桥区之间时，作用相当于电容器。 由于介电材料的种类很多，所以介电层的击穿电压 易于控制；介电层是集成在半导体芯片上，并没有增 加火工品的体积，它可以用于防止连续不断的小能 量的射频干扰。 2 ．2 ．2 带有非线性电阻的S C B 当电阻两端的电压与流过的电流不成比例关系 时，伏安特性就会是条曲线，电阻不是一个常数，随 电压、电流而变动，称之为非线性电阻。带有非线性 电阻的S C B 火工品装置是由绝缘导热基片上两段 蛇形金属薄膜电阻和中间蝴蝶结形半导体桥电阻串 联组成，结构示意图如图3 所示【I 小1 5 J 。 蛇形电阻 铝薄层 蝴蝶结区 图3 带非线性电阻的半导体桥 施加给S C B 火工品的电信号，在薄铝层上被转 换成欧姆热，在蛇形电阻区域将欧姆热传导到底座 中并耗散掉。壳体应该是好的热导体，将热量耗散 掉。与此同时，耦合到S C B 火工品中的射频信号在 蝴蝶结区域会被衰减，这两种作用加起来，可以使蝴 蝶结区域保持较低的温度，防止电火工品因射频而 意外发火。但是为了起爆这个火工品，必须使用具 有足够长周期的发火电流，这样也增加了其发火电 流。 2 ．2 ．3 结型半导体桥火工品 结型半导体是一种新型、单片固态式的结构，主 要是对S C B 芯片结构与掺杂浓度进行了改进，该结 构对静电和射频放电钝感，并且由于产生了背靠背 二极管，装置可以形成直流封堵[ 1 引。典型的结型半 导体的结构如图4 所示。 p 惨杂 p 荡杂 图4 结型半导体结构简图 将3 3 0 肛m 厚的n 型硅衬底两面抛光并清洁干 净，接着将其插入到扩散炉中以使得p 型掺杂剂扩 散到衬底的顶部和底部。这个扩散的p 区域在衬 底的两面和n 型硅区域构成了p n 结，形成了背靠背 二极管。然后把金属淀积到装置的两面以形成电接 触，构成金属电极，最后再将n 型硅衬底裁剪成如图 4 所示的正方形形状。这样便形成了结型半导体芯 片。 2 ．2 ．4 改变半导体桥的形状结构 半导体桥的结构发生变化，S C B 的电爆性能也 将随之发生改变。改变桥中间尖角的角度为6 0 0 或 1 2 0 。，减小尖角的深度和尖角的数量，有利于防止 S c B 在电磁能量作用下的误起爆Ⅲj 。但是这也同 时增加了S C B 火工品的发火时间和发火能量，所以 只有在对火工品的防静电、防射频要求极高，而对发 火时间和发火能量不作要求的特殊情况下，才可以 采用这种方法。 2 ．3 与微电子电路相连接的S C B 火工品 2 ．3 ．1 在S C B 芯片上集成电路 因为S C B 芯片是用标准的半导体工艺制造的， 所以可以把精密电路集成安装到它上面。这个电路 不光可以对火工品进行静电和射频的防护，还包括 时间延迟，可以在现场工程师指定的确切时间下，通 过电脑控制使得S C B 发火。这种“灵巧”的S C B 火 工品只产生极小的发射振动，并可以有效地进行碎 石，很好地满足了爆炸工程的需要。， 可以将该火工品设计到独特的起爆系统中，这 万方数据 2 0 l o 年6 月半导体桥火工品的防静电和抄J 射频技术陈飞等 3 1 个起爆系统还包括编程器 b g g e r 和起爆器 B l 鹳t ． e r 引，带有微电子电路的S C B 火工品只有接收到 一个特定的数字代码，才能够开始起爆、工作，但只 有起爆器才能产生该数据代码，所以即使火工品直 接连接到编程器，也不会起爆作用的。 2 ．3 ．2 设计保护外电路 s C B 点火系统中的保护电路也很重要【19 1 。在 突然受到大能量的电磁干扰时，保护电路可瞬时导 通，将大部分具有破坏能力的能量泄放掉，从而使 S c B 火工品受到保护，避免发火。具体有火花隙、 电抗平衡电桥电路等。 3 研究展望 文中提出了s C B 火工品的三类防静电、防射频 的方法，其中 1 采用防护器件进行静电和射频防护的方 法，仅仅是把具有抗电磁性能的电子元器件与火工 品进行联接，可以采用牢固而经济的电极标准密封 回流技术，比焊线和模片键合技术要简洁、便宜得 多，并不影响火工品原有的生产工艺与性能，简单而 方便，是目前S C B 火工品防静电、防射频的主要研 究方向。但是它会增加火工品的体积，且具体防护 范围的调节性差，防护器件本身也有着防护的局限 性和缺点，如何对其进行改进，在特定的电磁环境下 进行防护，达到实用的阶段，还有待继续研究。 2 对S C B 火工品的芯片进行改进，进行静电 和射频防护，其防护精度高，易调控，且不增加火工 品体积，是S C B 火工品防静电、防射频的一个重要 的研究方向。但是由于其制造工艺较复杂，目前国 内还没有专门的生产线，制造成本很高，现在还停留 在实验阶段。 3 利用微电子保护电路，对S C B 进行集成的 技术，具有作用精确、不增加火工品体积、大量推广 后制造成本低、易于大批量生产、工艺一致性好等一 系列优点，且它还可以与后续的起爆序列进行设计， 可以在直列式起爆序列中得到应用，是s C B 火工品 静电和射频防护研究的最重要、最具有应用前景和 实际价值的一个方向。 一参考文献 [ 1 ] 祝逢春，徐振相，陈西武。等．半导体桥火工品研究的 新进展[ J ] ．兵工学报，2 0 0 3 。2 4 1 1 0 6 - 1 l O ． [ 2 ]马辉，魏光辉，张龙。绝缘垫在火箭弹静电防护中的作 用[ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 5 ，2 5 增刊 9 6 - 9 8 ． 【3 ] 赵文虎．某导弹用电点火具抗静电技术研究[ J ] ．火 工品，2 0 0 l 3 2 4 功． [ 4 ] 易建政，檀朝彬，蔡俊峰．火箭弹电点火系统抗电磁危 害加固技术研究[ J ] ．装备环境工程，2 0 0 6 ，3 4 5 2 - 5 4 ． [ 5 ] l e i d lm m 锄，C 町o uB ．M cC 马m p b e U ．z e 懈d i o d ef o r P r o t e c t i ∞0 f ∞Ⅱl i c ∞d u c t o r 既p l ∞i v e 硒d g e 美国， 5 1 7 7 9 2 4 8 [ P ] ．1 9 9 3 ． [ 6 ]M o n k ．D g 谢B ．k 丑宣0 0 ri 癌矗 ￡D f 辆t l l 鹋n e rd i o d ee 】e e 矗争 售t “cd i s c l l a r g ep m t e c “∞美国，5 6 7 2 8 4 l [ P ] ．1 9 9 7 ． [ 7 ] n 咖出A ．B 咄出．N o v ee k 咖唧妇i v ed e v i ∞i n 噼 p o m t i I l ga r 阻c t i v el a r l l i n a t e dm e t a l l j c 硒d g e [ J ] ．J 眦r r l a l o fP I D p I l l 8 i 加蛐dP 州汀，2 0 0 l ，1 1 7 1 8 4 - 1 8 9 ． [ 8 ] 郭宁．带保护电路的半导体桥火工品的研究[ D ] ．南 京南京理工大学。2 0 0 6 ． [ 9 ]叶林．半导体桥火工品静电射频加固技术研究[ D ] ．南 京南京理工大学，2 0 0 6 ． [ 1 0 ] 詹娟．半导体放电管维持电流的研究[ J ] ．半导体技 术，1 9 9 7 2 3 0 ．3 1 ． [ 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烷三硝酸脂、高氯酸铵、多异氰酸酯、碳酸铅、硝化棉、三苯基 铋组成，其配方的质量百分比为环氧乙烷／四氰呋喃共聚醚 6 ．5 ％一7 ．5 ％、三羟甲基乙烷三硝酸脂1 4 ％一1 8 ％、高氯酸 铵7 0 ％一7 5 ％、多异氰酸酯2 ％一3 ％、碳酸铅1 ．O ％一1 ．5 ％、 硝化棉O ．1 ％一O ．2 ％、三苯基铋0 ．1 ％一O ．2 ％。本发明与 剂，由于羟劲甲基乙烷三硝酸酯具有较高的比容，因此，可产 生大量的气体，并且羟劲甲基乙烷三硝酸具有较低的感度， 可满足过载发射的安全要求。 专利名称高能型粉状乳化炸药及其制备方法 专利申请号C N 2 0 0 6 1 0 0 3 9 2 3 3 ．8公开号C N l O l 0 4 5 6 6 2 申请日2 0 0 6 ．0 3 ．3 l公开日2 0 0 7 ．1 0 ．0 3 申请人南京理工大学、安徽盾安化工集团有限公司 本发明涉及一种高能型粉状乳化炸药及其制造方法。 所述炸药由质量百分比的下列组分硝酸铵8 7 ％一9 3 ％、防 结块剂O ．0 1 ％一0 ．8 0 ％、油相材料2 ％一5 ％、固态可燃物 O ．1 ％一4 ．O ％、乳化剂0 ．5 ％一1 ．5 ％、水O ．1 ％一1 ．O ％组成； 制备方法为将硝酸铵、防结块剂和水组成的混合物加热溶 解并升温，形成氧化剂溶液；将油相材料和乳化剂组成的混 合物加热熔化升温，形成可燃物溶液；将氧化剂溶液加入到 搅拌着的可燃物溶液中，形成油包水型混合物；将所得混合 物雾化、干燥，产物冷却后装药。本发明的炸药爆炸性能优 良、体积威力大、原材料成本低、产能大、能耗小、操作简单、 本质安全性好，适用于除采煤以外的的各种爆破作业。 专利名称高能型煤矿许用粉状乳化炸药及其制备方法 专利申请号C N 2 0 0 6 1 0 0 3 9 2 3 5 ．7公开号C N l O l 0 4 5 6 6 3 申请日2 0 0 6 ．0 3 ．3 1公开日2 0 0 7 ．1 0 ．0 3 申请人南京理工大学 本发明涉及一种高能型煤矿许用粉状乳化炸药，由质量 百分比的下列组分硝酸铵8 1 ％一8 8 ％、防结块剂0 。0 l ％一 O ．8 0 ％、油相材料2 ％一5 ％、固态可燃物0 ．1 ％一4 ．O ％、乳化 剂0 ．5 ％一1 ．5 ％、水O ．1 ％一1 ．O ％，消焰剂4 ％一1 0 ％组成。 其制备方法为将油相材料和乳化剂组成的混合物加热熔化 升温，形成可燃物溶液，将氧化剂溶液加入到搅拌着的可燃 物溶液中，形成油包水型混合物，制得的混合物经 或同时 混入固态可燃物制得产物，冷却后装药。本发明配方简单、 不含有毒成分、原材料成本低、爆炸性能优良、体积威力大、 产能大、能耗小、操作简单、本质安全性好、适用于煤矿井下 爆破作业。 王元荪 现有底排药相比，其特点在于采用含硝酸酯增塑聚醚为粘合 A n 6 e l e c I r o s t a 廿ca n dA n 6 - R FT ∞h n o l o 醪o fS e I n i c 蚰d u c t o rB r i d g eE 】| 【p 1 0 s i v eD e 、，i 啷 C H E NF e i ，Z H O UB i n ，Q I NZ K c h 佃 S c h 0 0 l0 fc h 锄i c 8 lE I l g i n e e l i l l g ，N 肌j 崦咖v e 培畸o fS c i e I 耽a n d 删0 9 y J i a n g B uN 蚰j 吨，2 1 0 9 4 UM i n A r m e dP 幽c e0 fS h 册g h a il I l s t i t I l t eo fP c d j t i 锝 S h a l l g l I a i ，2 0 0 4 3 3 UP e I I g 灿m e dP 棚∞J i 锄8 叭C o r p 8W u 】‘iB 舳c h J i 锄舻uW 瑚，2 1 4 0 7 1 【A B s r R A c T 】’蹦8p a p e ra I I a l y 嘲肌dB 眦I l I 塘五瑚t l 埒∞眦删d yu s e dm e t l l o d 80 f ‰明6 一e ‰灿i ca I M l 鲫6 一R Ff o r E E D 蛐dS e m i ∞r 山c 盼b d d g e S C B ．‰眦t h o d 80 fa 瓶- 8 t a t i ca 他m a i r d y 啪i n gi 邶山t i ∞矗I I g 盯ad r a i r 嵋驴c h 鲫诎， w h i l e 眦t l l o d 8 a 埘- R F 蛳m a i n l ya d o p t i I I 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