基于电火工品电磁环境适应性的研究进展及展望

原野芳1蔡杨波2齐迎泽2

摘要：着现代战场武器系统中电子和电子系统的日益增多，战场电磁环境的复杂性也随之增强。电子系统工作过程中，不可避免会产生一定的电磁波。一方面，电磁波会造成电子设备之间的电磁兼容性问题；另一方面，电磁辐射能量通过天线、孔缝和电缆等途径耦合进入武器系统内部，轻则引起武器系统性能的退化，严重之时会导致火工品误爆造成人员伤亡等事故，因此需要做好相应的分析工作。

关键词：电火工品；电磁环境；适应性

电火工品种类繁多，依据所采用的电发火件，电火工品通常可分为桥丝、桥带、半导体桥、爆炸桥丝和爆炸箔等。其中爆炸桥丝和爆炸箔是高压电火工品，本身较为钝感并具有良好的电磁防护性能。但是需要上千伏的高压来激发以实现发火，受武器系统电源、弹上电爆系统可用空间和成本因素的限制，其大规模应用仍存在一定的局限性。

1铁氧体材料和电容组合型

铁氧体材料是一种烧结形成的金属氧化物，常用于电源线和抑制信号线来吸收高频信号和静电放电脉冲等干扰信号，其特点为低频电磁环境下呈低阻抗特性，而在高频电磁环境下呈高阻抗特性。一般将其与换能元串联使用，当电火工品处于低频电磁环境时，铁氧体材料呈现低阻特性，发火信号正常流过脚线，不会对电火工品的正常发火造成影响[1]。而随着射频频率的升高，铁氧体磁珠的阻抗也在不断增加，高频电流通过铁氧体材料的涡流损耗以热的形式耗散掉，极大地衰减了到达换能元上的能量，从而保证了电火工品在高频电磁环境下的安全性。

1958年，Maurice等首次将铁氧体材料填充在脚线周围（结构如图1所示），用来吸收和衰减脚线中感应的高频电流，实现了独脚桥丝式电火工的射频加固。但是在加工过程中，发现铁氧体材料的填充、接触点的密封及焊接和体积等问题都大大增加了加工的难度和成本。随着制造技术的进步，逐渐出现了铁氧体磁珠等标准化电子器件，这就大大简化了铁氧体材料的应用[2]。国内于2009年首次将铁氧体磁珠用于低发火能量半导体桥火工品的射频加固，在连续波注入条件下，发现片式磁珠能将半导体桥的全发火功率从13W提高到17W。随后，任炜等通过电磁辐射效应测试系统测试发现桥丝式火工品在敏感频率附近的感应电流（160mA）极大的超过该火工品所允许的安全电流（25mA），在两根脚线上分别串联两个层叠片式铁氧体磁珠后，火工品上的感应电流衰减了30%。上述研究表明，不管射频能量是以辐射耦合还是传导耦合的方式馈入电火工品中，铁氧体磁珠均能够有效衰减射频环境下耦合的能量。

2负温度系数热敏电阻

长寿命负温度系数热敏电阻，是对负温度系数热敏电阻认识的提升，强调电阻寿命的重要性负温度系数热敏电阻最重要的是寿命，在经得起各种高精度、高灵敏度、高可靠、超高温、高压力考验后，它仍很长时间稳定工作。

寿命是负温度系数热敏电阻的一个重要性能，与精度、灵敏度等其他参数存在辩证关系。一个负温度系数热电阻产品，必须首先长寿命，才能保证其他性能的发挥；而其他性能的优秀，依赖到生产工艺达到一定技术水平，这让负温度系数热的长寿命变成可能[3]。

很多高科技电子产品，在超高温、超高压及其他恶劣条件下，需要热敏电阻发挥稳定的控温、测温功能，多数厂家一味追求负温度系数热敏电阻的精度、灵敏度、漂移值等常规性能的稳定发挥，忽视了电阻的寿命，导致因负温度系数热无法长时间工作而影响电子产品的使用。如此一来，所有的精度、灵敏度、耐高温等等，都变得没有意义。

CHEN和李勇等首次将热敏电阻用于半导体桥火工品进行射频加固，射频注入实验表明并联负温度系数热敏电阻之前，半导体桥的全发火射频功率为17．1W，并联负温度系数热敏电阻后，同等条件下的半导体桥均不发火；安全电流实验表明，负温度系数热敏电阻能有效分走59%的回路电流，大大降低了换能元上的能量，防护效果显著[4]。验表明负温度系数热敏电阻的使用能够有效提高电热火工品的抗射频能力，同时其具有体积小、可重复使用和易于封装等优点。但是由于该器件为温度敏感型器件，受环境温度影响较大，因此无法适应极端气候条件。在常温条件下使用时，仅适用于具有较好传热效果的基座（如陶瓷基座等），且在封装过程中需要使用导热性良好的固化胶进行粘结，这在一定程度上限制了其应用。

3集成器件型防护设计

上述电火工品的电磁兼容性设计均采用了在火工品内部外置防护器件来对桥丝式或半导体桥火工品进行静电或射频加固，随着加工工艺和技术水平的提高，国外研究者提出了将防护器件与换能元进行芯片级集成式设计的思路，并主要针对金属桥式和半导体桥火工品进行了一系列集成型防护设计，其防护原理与分立型器件型防护设计基本一致，利用微纳加工工艺实现了防护器件和换能元的有效集成，具有体积小、一致性高、成本低和易于大规模制备等优势。

1990年，Baginski等制备了一种具有MOS电容结构的镍桥丝点火芯片。该芯片由N型硅基底层、二氧化硅氧化层、MOS电容（1250pF）层和金属换能元组成，结构如图6所示。连续波注入条件下发现MOS电容对高频（大于90MHz）的衰减率达99%，防护效果显著；该设计是最早将电容集成在芯片上的电火工品，由于采用硅作为加工材料，大大减少了换能元芯片的体积和制作过程的复杂性，提高了点火性能的一致性。但是，由于点火芯片体积有限，其MOS电容的容值很难做到1μF及以上的级别，所以无法对低频电磁波产生有效滤波。

随后，SCB公司的Hartman等首次将齐纳二极管集成到了半导体桥芯片上。

采用微电子制作工艺，在半导体桥芯片的基础上，加工一个与桥区形成并联结构的齐纳二极管用来提高半导桥的抗静电性能。该专利首次将齐纳二极管与半导

体桥火工品进行了集成式设计，提高了火工品的集成度和抗静电能力，但是该设计只集成了一个单向齐纳二极管，因此只能对回路中一个方向的静电脉冲起到防护效果，且该专利中并未披露其实际抗静电效果。

随着加工工艺的进步，2008年，Martinez-Tovar等设计了另外一种基于齐纳二极管的点火芯片。该点火芯片的结构与常见芯片差异较大，起始材料为P型硅，经过一系列加工形成了一个中间带有通孔的三维结构。中心通孔用于填充起爆药，圆孔内壁为多晶硅组成的圆形桥区，电极处于两个表面，并用于形成背靠背结构的齐纳二极管，齐纳二极管与多晶硅桥区呈并联结构，当有静电冲击时，齐纳二极管响应起到防护作用。该设计的优势在于将中心通孔式桥型设计和防护器件进行了结合，由于中心桥区的体积比平面结构有更多可控参量，使得芯片的阻能够得到更加精确的控制；此外，与平面压药结构相比较，该结构在装药过程中可以观察到桥区和药剂的接触情况并更好的控制装药。

4结束语：

随着科学技术的进步，国外在电火工品的抗电磁兼容性设计上已经取得了较多成果，不管是分立器件型防护设计还是集成器件型防护设计，都已经设计并制备出了一系列电火工品，且部分已经过试验验证，证明了防护方法的有效性主要针对铁氧体材料和电容组合型、负温度系数热敏电阻、集成器件型防护设计进行了重点介绍。

参考文献：

[1]白颖伟，任炜，刘举鹏，等.电热火工品感应电流与连续电磁波频率的关系[J].含能材料，2014，22（04）：521-524.

[2]赵团，封青梅，姚洪志，等.电火工品感应电流定量测试技术研究[J].火工品，2013（05）：50-52.

[3]王可暄，白颖伟，任炜，等.电热火工品连续电磁波环境下响应规律[J].含能材料，2012，20（05）：610-613.

[4]王雪松，卫鑫.电磁环境对舰艇火工品的安全影响[J].舰船电子工程，2012，32（06）：133-136.