复合半导体桥电爆特性及桥温变化的研究

论文摘要

凡是以含能材料为能源的武器弹药系统,均离不开火工品,近年来随着信息化武器的发展,对火工品发火的精确性、一致性、抗静电、抗电磁辐射等能力提出了更高的要求,对于传统的火工品,很难全部达到上述的高要求,因此需要采用新技术使火工品满足这种要求。半导体桥火工品作为先进火工品的代表之一,由于其具有高瞬发度、高安全性、低发火能量以及能与数字逻辑电路组合等优点己成为研究的热点,但是半导体桥的小型化、低发火能量带来的输出能量也随之降低的问题制约着其进一步的应用,复合半导体桥以及含能半导体桥除了具备半导体桥的优点之外,由于其金属薄膜或含能薄膜的存在,从而使其输出能量增加,在输入能量不变的情况下有望解决半导体桥点火能力不足的问题。本文即对复合半导体桥的设计、制备以及性能进行专门的实验和理论研究。论文在较全面综述半导体桥以及火工品测温研究和发展状况的基础上,通过对复合半导体桥的设计和制作技术的研究,按设计要求加工出了复合半导体桥；采用高速数字存贮示波器对3种不同类型的复合半导体桥在电容激励模式下桥上电流、电压的变化进行了实时瞬态测量,得到了不同电容、不同电压下复合半导体桥爆发能量、爆发时间以及爆发后作用于等离子体上的能量的变化规律；采用红外显微热像仪对3种复合半导体桥在不同电流激励条件下温度的变化进行了定量测试,得到了复合半导体桥在不同电流作用下温度随时间的变化规律,为半导体桥火工品的安全特性的分析和预测提供了定量依据；通过半导体桥热焓的理论计算以及复合半导体桥和多晶硅半导体桥在相同电容不同电压下爆发时间、爆发后作用于等离子体上的能量的比较等,研究了复合半导体桥的电爆特性,并应用传热学等理论对复合半导体桥在不同激励模式下的温度变化进行了数值模拟。本研究主要结论如下：(1)复合半导体桥在30V和60V充电电压下其爆发时间随充电电容的增加而减小,并且在相同电容情况下高充电电压爆发所需的时间比低电压的要少；在上述两种充电电压下,3种不同类型的复合半导体桥中a型复合半导体桥爆发时间最短,b型的次之,c型复合半导体桥爆发时间最长。(2)在30V和60V充电电压下,3种不同类型的复合半导体桥爆发所需的能量均是a型复合半导体桥爆发所需输入的能量最小,b型的次之,c型复合半导体桥爆发所需输入的能量最大。(3)复合半导体桥在不同充电电压下其作用于等离子体上的能量随充电电容的升高而线性增加,且充电电压越高作用于等离子体上的能量增加得越多；3种不同类型的复合半导体桥爆发后作用于等离子体上的能量均随充电电容的升高而呈线性增加,且三条能量与电容的关系曲线基本重合,与桥的类型无关。(4)随着输入电流的增加,不同类型的复合半导体桥的最高温度均呈抛物线的形式增加,且复合半导体桥的最高温度增加的幅度与其本身的电阻和电流流过的横截面的长度相关。电阻大和横截面窄的复合半导体桥其温度升高的幅度越大。(5)随着输入电流的增加,桥丝和复合半导体桥的温度均呈抛物线的形式增加,但桥丝的增加幅度较大,升高到同一温度桥丝需要的电流要比复合半导体桥的小得多,复合半导体桥通过与其紧密接触的基底和金属焊盘传热是造成在相同输入电流情况下其温度升高较慢的主要原因。(6)采用半导体桥热焓的理论计算,得到了复合半导体桥在不同特征时间点的熔化率和气化率。通过与相似条件下多晶硅半导体桥的数据比较,获得了复合半导体桥在电爆过程中不同阶段电流的变化过程。(7)通过对作用于复合半导体桥上电流电压的变化,特别是复合半导体桥爆发后的电流、电压变化的分析,判定了复合半导体桥生成了等离子体,描述了复合半导体桥爆发后电流首先主要通过复合桥区导通,随着复合桥气化的加剧以及硅和金属蒸汽的加热电离,电流逐步通过等离子体导通的变化过程。然后通过对半导体桥上输入电能的计算分析,对复合半导体桥爆发后电流导通过程进行了验证。(8)通过对22μF电容不同充电电压激励下复合半导体桥和多晶硅半导体桥电爆过程中电压和电流的变化进行分析比较,并从能量的角度对两种半导体桥的电爆换能过程中的差异进行了分析,结果表明：复合半导体桥上金属薄膜的存在是造成两种半导体桥电爆过程差异的原因。(9)根据能量守恒定律等传热学理论建立了半导体桥的温度与实测电流电压的关系模型,通过对该模型的数值解析得到半导体桥的温度随时间的变化曲线,并分析了该模型的适用范围,指出在半导体桥爆发前该模型能很好的模拟出其温度的变化,在此基础上对两种半导体桥在不同电压下爆发时间点的的温度进行了分析比较,得到了复合半导体桥在爆发时的温度较多晶硅的高,更有利于点火的结论。(10)在对红外测温数据分析的基础上,建立了复合半导体桥稳态数理模型,并通过对其热传导系数和热容确定,得到了复合半导体桥温度随时间变化的简化公式,在此基础上通过编写相应的计算程序,得到了复合半导体桥在不同电流下温度随时间变化的模拟曲线,将其与实测数据对比后发现其拟合效果很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展动态分析
• 1.2.1 半导体桥制备的国内外研究现状
• 1.2.2 半导体桥性能的国内外研究现状
• 1.2.3 红外测温技术及其在火工领域应用的国内外研究现状
• 1.3 论文的总体设计及主要的研究工作
• 2 复合半导体桥的设计
• 2.1 复合半导体桥材料的选择研究
• 2.1.1 复合半导体桥基片材料的选择
• 2.1.2 复合半导体桥金属桥膜材料的初步选择
• 2.1.3 复合半导体桥金属桥膜材料的热力学计算
• 2.1.4 复合半导体桥金属桥膜材料的确定
• 2.1.5 复合半导体桥金属电极材料选择
• 2.2 复合半导体桥的设计研究
• 2.2.1 复合半导体桥桥区尺寸的设计
• 2.2.2 复合半导体桥的形状设计
• 2.2.3 复合半导体桥掺杂浓度的确定
• 2.3 本章小结
• 3 复合半导体桥的制作技术研究
• 3.1 衬底硅片制备
• 3.2 表面氧化
• 3.3 低压化学气相沉积及掺杂
• 3.4 涂光刻胶及光刻
• 3.5 蒸镀及刻蚀金属层
• 3.6 封装
• 3.7 本章小结
• 4 复合半导体桥的爆发性能研究
• 4.1 复合半导体桥的爆发性能测试电路
• 4.2 复合半导体桥上的电压、电流的测试及数据的处理
• 4.3 复合半导体桥和多晶硅半导体桥点火可靠性的比较
• 4.4 不同电容和电压对同一图形复合半导体桥爆发性能的影响研究
• 4.4.1 充电电压为30V时不同电容对a型复合半导体桥爆发性能的影响研究
• 4.4.2 不同电容和电压对a型复合半导体桥爆发性能的影响研究
• 4.4.3 不同电容和电压对b型复合半导体桥爆发性能的影响研究
• 4.4.4 不同电容和电压对c型复合半导体桥爆发性能的影响研究
• 4.5 不同电容和电压对不同图形复合半导体桥爆发性能的影响研究
• 4.5.1 不同电容和电压对不同图形复合半导体桥爆发能量E1的影响研究
• 4.5.2 不同电容和电压对不同图形复合半导体桥爆发时间t1的影响研究
• 4.5.3 不同电容和电压作用于不同图形复合半导体桥生成的等离子体上的能量ΔE的影响研究
• 4.6 本章小结
• 5 复合半导体桥在恒流激励下温度变化的研究
• 5.1 红外测温
• 5.1.1 红外热像仪测温原理
• 5.1.2 红外热像仪测温影响因素
• 5.1.3 红外测温方法及发射率的确定
• 5.2 不同结构的复合半导体桥在不同电流下温度变化的研究
• 5.2.1 实验样品的准备及方案的确定
• 5.2.2 a型复合半导体桥在不同电流下的温度变化的测试研究
• 5.2.3 不同类型的复合半导体桥在不同电流下的温度变化的研究
• 5.3 复合半导体桥和桥丝在不同电流下的温度变化的研究
• 5.4 本章小结
• 6 复合半导体桥在电容激励下的电爆特性分析及温度变化的数值模拟
• 6.1 复合半导体桥电爆特性的分析研究
• 6.1.1 复合半导体桥电爆过程能量转换的测量与计算
• 6.1.2 复合半导体桥爆发后生成等离子体的判断分析
• 6.1.3 复合半导体桥的电爆特性及作用机理研究
• 6.2 复合半导体桥在电容激励下温度变化的数值模拟及分析
• 6.2.1 复合半导体桥非稳态数学模型的建立
• 6.2.1.1 基本假设
• 6.2.1.2 复合半导体桥升温数学模型的建立
• 6.2.2 复合半导体桥非稳态温度变化的数值模拟及分析
• 6.3 本章小节
• 7 复合半导体桥在恒流激励下温度变化的数值模拟研究
• 7.1 复合半导体桥温度稳态数理模型的建立
• 7.1.1 复合半导体桥桥区材料物性分析
• 7.1.2 基本假设
• 7.1.3 复合半导体桥温度稳态数理模型
• 7.2 复合半导体桥热时间常数的确定
• 7.3 复合半导体桥热传导系数和热容的确定
• 7.4 复合半导体桥稳态温度变化的数值模拟
• 7.5 本章小节
• 8 结论与展望
• 8.1 本论文的主要内容和结论
• 8.2 本论文的主要特色和创新
• 8.3 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研情况
• 附录B 实验数据