半导体桥点火数值模拟与试验研究

【摘要】：本研究的主要目的是研究一种可用于导弹、火箭弹点火的半导体桥点火技术，以解决目前导弹、火箭弹点火具抗电磁环境性能差的问题。本文比较全面综述了SCB火工品的研究和发展状况；比较系统分析了SCB火工品的作用机理；建立了一维两相流模型，计算了SCB点燃粒状炸药的微观对流传质、传热过程；设计并制作了几种SCB芯片，测试了SCB芯片消耗的能量；对发火电路进行了研究，优化了发火电路。本研究主要结论如下： (1)数值模拟计算得出：(a)加热炸药主要是靠SCB产生的等离子体在冷凝时释放的潜热；炸药表面温度高达2000K，大大高于炸药着火温度，持续时间也足以使炸药着火；(b)当保持半导体桥长宽不变，厚度增加时，炸药表面温度增加，有利于炸药的着火；(c)当空隙率增大，即装填密度减小时，炸药表面温度易于升高，但如果密度过小，因炸药不能自持燃烧不利于着火；(d)不同性质的炸药，对粒子表面温度的影响不大，导温系数大的炸药材料，计算的表面温度稍高一些。 (2)采用改进的掺杂多晶硅结构的SCB芯片，能满足低电压点火要求；采用无氧的多晶硅扩散掺杂工艺制作SCB芯片能保持电阻稳定一致，能满足阻值要求，而且这种扩散工艺导致芯片杂质浓度的梯度正好有利于SCB点火装置发火能的降低。 (3)采用铝电极包覆掺杂多晶硅的结构，并采用先刻蚀芯片台阶后掺杂的工序而制作出来的芯片，接触电阻和临界发火能量会更低；多层金属电极的SCB芯片，制作工艺相对复杂，成本也比较高，但性能好，性价比也高。 (4)在发火电路中，选择场效应管做触发器可以减小开关损耗，采用钽电容作为储能电容放电效果较好，减短引线长度可以有效地减少引线阻抗，设计补偿电路并专门制作印刷电路板，可改善电缆的寄生参数的影响，对提高SCB火工品输入能量的利用率有重要的作用。 (5)试验结果表明：设计的SCB点火装置可满足低电压钝感点火的要求；设计、优化并制作的点火电路具有良好的点火性能；选择的几种药剂能被低电压点燃；综合测试证明了方案合理性的同时还优选出结构更优良的SCB点火装置；在测试结果分析中对SCB点火装置作用过程的理论模型有了更加深入的理解。