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(江苏南京，210094) 武警上海政治学院(上海，200433)

李 鹏

武警江苏总队无锡支队(江苏无锡，214071)

引言

半导体桥火工品，是指利用半导体膜(或金属—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[1]。国内经过二十多年的研究，已经有了自己的SCB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1 mJ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，来进一步增强其防静电、防射频能力。

1 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]；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[3]；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[4]；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 SCB火工品防静电、防射频技术

SCB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。

2.1 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SCB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SCB火工品进行研究的。

2.1.1齐纳二极管

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1所示。齐纳二极管(又叫稳压二极管)，是利用PN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SCB

美国专利USP5179248和USP5672841中分别提到用齐纳二极管进行脚—脚之间的射频防护和脚—壳间的静电防护[5-6]。齐纳二极管可以使电压箝位到某一固定值，从而保护脚—脚与脚—壳间不被击穿而发火，它所能承受的静电电压值为6000～25000 V。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。

如果进入SCB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SCB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2001年的JOURNAL OF PROPULSION AND POWER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SCB火工品的桥区内的方法[7]。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、TVS二极管、半导体放电管、热敏电阻和磁珠[8]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[9]，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SGS-THOMSON公司于1989年首先推出的[10]。它是一种PNPN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SCB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SCB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[11]，主要用于SCB火工品的射频防护。当SCB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SCB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[12]。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SCB火工品的芯片进行改进

这是SCB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SCB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SCB

它是在金属焊接区和桥区间增加了一个介电层，这个介电层有特定的击穿电压(可在10～1000 V之间)[13]。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SCB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SCB

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SCB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[14-15]。

图3 带非线性电阻的半导体桥

施加给SCB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SCB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SCB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[16]。典型的结型半导体的结构如图4所示。

图4 结型半导体结构简图

将330 μm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pn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，SCB的电爆性能也将随之发生改变。改变桥中间尖角的角度为60°或120°，减小尖角的深度和尖角的数量，有利于防止SCB在电磁能量作用下的误起爆[17]。但是这也同时增加了SCB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SCB火工品

2.3.1在SCB芯片上集成电路

因为SCB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SCB发火。这种“灵巧”的SCB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，这个起爆系统还包括编程器(Logger)和起爆器(Blaster)[18]，带有微电子电路的SCB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

SCB点火系统中的保护电路也很重要[19]。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SCB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SCB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SCB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SCB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SCB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SCB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SCB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。

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民爆专利信息

专利名称：用于制造可追踪弹药的工艺

专利申请号：CN200480044245.9公开号：CN101065639

申请日：2004.10.14公开日：2007.10.31

申请人：巴西卡图休斯巴西公司

本发明涉及一种用于制造标以一系列字符的弹药的工艺，所述一系列字符允许识别多个数据项，由于所述一系列字符被激光雕刻在所述弹药的一个或多个部件中，因而在收回所述弹药的雕刻部件(即使其已被用过)时，提供了明确的标识。

专利名称：热泵式火药烘干方法及装置

专利申请号：CN200710027380.8公开号：CN101050155

申请日：2007.03.29公开日：2007.10.10

申请人：广州市科伟电气有限公司

本发明热泵式火药烘干方法及装置属于干燥领域，特别是涉及一种火药的烘干方法及装置，它是利用干燥的热风来烘干烟花火药，空气经过热泵进行除湿干燥，并加热升温，风机将干燥的热空气经过风管输送进入烘房的烘笼底部，烘房内设置有烘笼，干燥的热空气从烘笼的底部向上穿过烘格,烘笼由烘笼座和烘格组成，在烘格内放置烟花火药，在烘房的顶部设置有排湿窗，水分从排湿窗排出烘房。采用热泵加热干燥空气，完全保证了安全生产，符合安全生产的要求，干燥速度快，烘干效率高，节约能源，有效地降低了成本。

专利名称：新型底排药

专利申请号：CN200710011372.4公开号：CN101050156

申请日：2007.05.21公开日：2007.10.10

申请人：沈阳理工大学

新型底排药，由环氧乙烷/四氰呋喃共聚醚、三羟甲基乙烷三硝酸脂、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%～7.5%、三羟甲基乙烷三硝酸脂14%～18%、高氯酸铵70%～75%、多异氰酸酯2%～3%、碳酸铅1.0%～1.5%、硝化棉0.1%～0.2%、三苯基铋0.1%～0.2%。本发明与现有底排药相比，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：CN200610039233.8公开号：CN101045662

申请日：2006.03.31公开日：2007.10.03

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87%～93%、防结块剂0.01%～0.80%、油相材料2%～5%、固态可燃物0.1%～4.0%、乳化剂0.5%～1.5%、水0.1%～1.0%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：CN200610039235.7公开号：CN101045663

申请日：2006.03.31公开日：2007.10.03

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81%～88%、防结块剂0.01%～0.80%、油相材料2%～5%、固态可燃物0.1%～4.0%、乳化剂0.5%～1.5%、水0.1%～1.0%，消焰剂4%～10%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)