2. 航天科工六院41所, 内蒙古 呼和浩特 010010
2. The Six Academy of China Aerospace Science & Industry Group 41, Hohhot 010010, China
随着电磁环境的日益恶劣, 半导体桥(Semiconductor Bridge, SCB)火工品的静电与射频安全性设计越来越受到重视与广泛研究[1-6]。在电磁环境中, SCB火工品耦合的杂散射频或脉冲电磁波能量, 会因焦耳效应产生热积累, 使桥的温度不断升高, 从而导致SCB火工品意外发火或性能改变。负温度系数(Negative temperature coefficient, NTC)热敏电阻是一类阻值随温度升高而呈指数关系降低的电子元器件[7], 用于SCB火工品电磁防护时, 热敏电阻感温而阻值降低, 分走射频耦合能量保护SCB火工品。陈飞等人[8-9]设计了一种防护封装结构, 将NTC热敏电阻用于SCB火工品电磁防护, 探讨了室温下并联NTC热敏电阻前后, SCB火工品射频感度以及电爆性能的变化, 其研究结果表明NTC热敏电阻能有效提高SCB火工品的射频感度, 且不影响SCB火工品的正常使用。但是, 火工品的实际使用环境温度会在一个比较宽的范围, NTC热敏电阻用于SCB电磁防护时, 不同环境温度下对SCB性能影响情况的相关研究, 尚未见公开报道。因此, 根据NTC热敏电阻阻值与温度负相关特性, 本研究在室温(25 ℃)和70℃高温两种温度下, 对比探讨了NTC热敏电阻对SCB性能的影响。在恒流激励下分析了NTC热敏电阻的分流情况, 以及电容放电条件下测试并联NTC热敏电阻的SCB电爆性能，为NTC热敏电阻在火工品电磁防护的进一步应用提供实验支撑。
2 样品与实验NTC热敏电阻是一种以锰、钴、镍、铜等金属氧化物为主要原材料制造的半导体元件, 它具有灵敏度高, 电阻值与温度性能波动性小, 对各种温度变化响应快等优点, 在温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等方面得到广泛的应用[10]。NTC热敏电阻的阻值与温度之间的关系可表示为[11]:
| $ {R_T} = {R_0}{\rm{exp}}\left[{B(\frac{1}{T}-\frac{1}{{{T_0}}})} \right] $ | (1) |
式中, T0为基准温度, 通常为298K; R0为热力学温度为T0时的电阻值, Ω; B为热敏电阻的材料系数, K, 描述的是NTC热敏电阻材料的物理性能参数, B值越大, 热敏电阻的灵敏度就越高。由公式(1)可知, 热敏电阻阻值(RT)随温度(T)呈指数减小。
研究选用的贴片式热敏电阻外观如图 1所示, 贴片封装的尺寸为1.6 mm(L)×0.8 mm(W)×0.8 mm(T), 温度响应延迟时间低于0.1 s, 工作温度范围为-55~350 ℃[9]。将选用的NTC热敏电阻的相关参数代入式(1), 得到阻值随温度的变化曲线(图 2)。由图 2可知, 25 ℃(298 K)时, NTC热敏电阻阻值为30 Ω, 与SCB火工品(阻值1 Ω左右)并联后分流极少, 理论上不会影响SCB火工品性能; 70 ℃(343 K)时NTC热敏电阻阻值降至2 Ω左右, 并联分流效应越趋明显。
|
图 1 试验用NTC热敏电阻外观图 Fig.1 Appearance of NTC therimistor |
|
图 2 NTC热敏电阻电阻-温度曲线及290~350 K区段放大图 Fig.2 Resistance-temperature curve of NTC thermistor |
1A5 min恒流实验时, 在NTC热敏电阻的两极各焊接一根导线, 再与SCB脚线并联, 以便测量实验过程中各自的电流变化情况。实验线路图如图 3所示, 电流探头1#测得回路总电流, 电流探头2#测得流经NTC热敏电阻电流, 电压探针测得两端电压变化, 通过示波器采集以上数据。为研究NTC热敏电阻对不同SCB火工品的影响, 本研究采用两种SCB, 小尺寸SCB(S-SCB, 24 μm×100 μm×2 μm, 实测电阻1.5 Ω)以及典型尺寸SCB(L-SCB, 100 μm×380 μm×2 μm, 实测电阻1.0 Ω)。实验时将样品放置于恒温箱内, 温度(70±2) ℃。
|
图 3 实验线路图 1—SCB火工品, 2—NTC热敏电阻, 3—电压探针, 4—电流探头1#, 5—电流探头2#, 6—恒温箱 Fig.3 Experimental circuit diagram 1—SCB initiator, 2—NTC thermistor, 3—voltage probe, 4—current probe 1#, 5—current probe 2#, 6—thermostat |
电爆实验采用文献[9]中设计的封装结构, 将NTC热敏电阻封装在陶瓷塞底部凹槽内, 用导电胶固定并使其与脚线链接, 与SCB芯片形成并联结构。
3 分析与讨论 3.1 恒流分流实验分别测试了并联NTC热敏电阻的SCB在恒流作用下, 25 ℃和70 ℃时电流随时间响应情况, 电流大小1 A, 持续时间300 s, 测试结果如图 4~图 5所示。
|
图 4 并联NTC后S-SCB不同温度下电流曲线 Fig.4 Current curves of S-SCB with NTC thermistor at different temperature |
|
图 5 并联NTC后L-SCB不同温度下电流曲线 Fig.5 Current curves of L-SCB with NTC thermistor at different temperature |
对于S-SCB, 25 ℃下流经NTC热敏电阻的电流在19s左右升高至拐点, 并保持基本恒定, 电流值大小为0.59 A, NTC热敏电阻分流率为59%; 70 ℃时, 12 s左右升高至拐点, 之后继续缓慢升高, 拐点处电流值0.55 A, 300 s时电流值0.63 A, 分流率分别为55%和63%。
L-SCB并联热敏电阻后, 在25 ℃下20 s左右NTC热敏电阻电流升高至第一个拐点, 此时NTC热敏电阻电流值0.14 A; 52 s左右升高至第二个拐点, 之后几乎保持不变, 电流值0.43 A, 分流率43%;在70 ℃温度下, NTC热敏电阻电流在30 s左右升高至拐点, 之后缓慢升高, 拐点处电流值0.40 A, 最高电流值0.50 A, 分流率分别为40.3%和50%。
室温时(25 ℃), 测得用于上述实验的NTC热敏电阻的静态电阻值在30 Ω左右(包括外接导线), 而SCB的电阻在1Ω左右, 因此, 25 ℃时NTC热敏电阻理论上并联分流效果不明显(2.4%)。在恒流作用下, 一方面主要是热敏电阻本身因焦耳效应产生大量热量积累, 另一方面热敏电阻也会受SCB桥区热量的影响, 使得热敏电阻自身温度不断升高而电阻不断减小, 分流效果越趋明显。当热量积累与散失达到平衡后, 热敏电阻值在定值附近波动, 分流率也保持基本不变。
在恒温箱中随着温度升高, NTC热敏电阻阻值减小, 70 ℃时理论上可降至2 Ω左右, 迅速达到分流拐点; 随着恒温箱温度回升以及NTC热敏焦耳效应热量积累, 热敏电阻阻值缓慢减小, 分流率缓慢增加。
实验时由于S-SCB初始电阻1.5 Ω, 而L-SCB只有1.0 Ω, 使得同等条件下, 与S-SCB并联的NTC热敏电阻分流率相对于L-SCB更大一些。而且S-SCB尺寸较小, 相比于L-SCB, 热积累与热散失更快达到平衡, 从而更快地实现电流平衡。
3.2 高温电爆实验研究了25 ℃和70 ℃恒流激励下, 并联NTC热敏电阻的SCB电流变化情况, 接下来探讨温度对其电爆性能的影响。实验采用电容放电激励的方式, L-SCB实验条件47μF、22V, S-SCB为22 μF、9 V。测得并联NTC热敏电阻前后L-SCB爆发参数随时间变化曲线, 如6、图 7所示。以电压曲线上第二个峰值对应的时间作为爆发时间, 以电流和电压乘积对时间积分曲线上爆发时间对应的值作为爆发消耗能量, 结果见表 1。
|
图 6 25 ℃时L-SCB电爆性能参数曲线 Fig.6 Current and voltage curves of L-SCB at 25 ℃ |
|
图 7 70 ℃并联NTC之后L-SCB电爆性能参数曲线 Fig.7 Current and voltage curves of L-SCB in parallel with NTC thermistor under 70 ℃ |
|
表 1 SCB爆发实验结果 Tab.1 Experimental results of SCB |
由表 1可知, 25 ℃时, 并联NTC热敏电阻前后L-SCB的爆发时间没有明显变化, 由于NTC热敏电阻分流导致爆发消耗积分能量有所减小。70 ℃下, 并联NTC热敏电阻后, 相比于25 ℃时, L-SCB爆发时间变长, 积分能量进一步减小, 降低7%左右。电容放电时, SCB作用时间在微秒级, NTC热敏电阻温度响应延迟, 在整个SCB爆发过程中阻值几乎不变, 25 ℃下根据初始阻值估算分流率最高不到10%;由计算可得47 μF电容充电至22 V蕴含能量大约11 mJ, 典型SCB爆发仅需要不到2 mJ能量(25 ℃下, 未并联NTC热敏电阻时, 平均积分能量为1.533 mJ, 见表 1), 即使70 ℃时分走50%的能量, 仍然有接近6 mJ能量, 因此对其爆发性能影响较小。
而对于S-SCB, 并联NTC热敏电阻后, 爆发时间变长、积分能量减小, 70 ℃下变化更加明显。22μF、9V实验条件计算所得能量大约为0.9 mJ, S-SCB爆发所需能量0.4mJ左右(25 ℃下, 未并联NTC热敏电阻时, 平均积分能量为0.395 mJ, 见表 1)。25 ℃时, NTC热敏电阻分流率59%, 70 ℃分流最高63%。因此NTC热敏电阻对S-SCB性能的影响相对更加明显, 即使25 ℃下也会因分走部分能量使爆发时间变长; 70 ℃时NTC热敏电阻分走更多的输入能量, 致使作用于S-SCB上的能量冲量减小, 从而使得需要更长时间的能量积累气化产生等离子体。从积分能量上看, 70 ℃时并联NTC热敏电阻的S-SCB消耗的积分能量仅为25 ℃下45%。
对表 1的实验结果做显著性t检验(α=0.05, t=2.101), 结果如表 2所示。由检验结果可知, L-SCB并联NTC热敏电阻后, 其爆发时间和爆发消耗能量均没有显著性变化, 温度对其爆发性能也没有显著性影响。对于S-SCB, 25 ℃下并联NTC热敏电阻后, 爆发性能没有明显变化; 但是在70 ℃下, 爆发时间和爆发消耗能量均发生了显著性变化。
|
|
表 2 t检验结果 Tab.2 t Test results |
由上述分析可知, 引起S-SCB爆发性能变化的主要原因是NTC热敏电阻分流率增大, 使得用于SCB爆发的能量明显减小, 但常规激励条件下(22 μF、9 V), 70 ℃时爆发时间仍在数微秒, 理论上不影响S-SCB的使用。在实际条件允许时, 可以通过增大输入能量来降低这一影响。
4 结论(1) 恒流激励实验中, 25 ℃时NTC热敏电阻分流率随着时间增大, 达拐点后几乎保持不变, 与S-SCB并联的NTC热敏电阻分流率为59%, 与L-SCB并联的为43%; 70 ℃时, 分流率迅速达到拐点, 并随着时间缓慢增加, 与S-SCB并联的NTC热敏电阻分流率最高达到63%, 与L-SCB并联的最高达到50%。
(2) 电容放电条件下, 25 ℃时NTC热敏电阻对L-SCB电爆性能几乎没有影响, 70 ℃时L-SCB爆发时间略有增加, 爆发消耗能量降低7%左右; 而S-SCB在25 ℃和70 ℃下均受到NTC热敏电阻分流的影响, 尤其是在70 ℃下, 爆发时间明显增长, 爆发消耗能量降至室温下未并联NTC压敏电阻时的45%。结果表明, 在25 ℃下, NTC热敏电阻几乎不影响SCB爆发; 在70 ℃下, S-SCB爆发时间从5.94 μs增长到7.18 μs, 但爆发时间仍在数个微秒, 不影响其正常使用。
通过以上实验和分析可知, 1A5min恒流实验时, 由于有足够的时间积累焦耳效应热, NTC热敏电阻阻值能下降至较低值, 对SCB的影响大于电容放电激励。因此在不同环境温度下, 并联NTC热敏电阻前后, SCB恒流激励电爆性能与SCB火工品感度的变化情况有待进一步研究。
| [1] |
Baginski T A, Baginski M E. A novel RF-insensitive EED utilizing an integrated metal-oxide-semiconductor structure[J].
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1990, 32(2): 106-112. DOI:10.1109/15.52406 |
| [2] |
Baginski T A. Characterization of a novel passive RF filter for frequencies of 4-225MHz[J].
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1993, 35(4): 163-167. |
| [3] |
Henderson J H, Baginski T A. An RF-insensitive hybrid electro explosive device incorporating an integral filter[J].
IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 32(2): 465-470. DOI:10.1109/28.491499 |
| [4] |
Baginski T A. Radio frequency and electrostatic discharge insensitive electro-explosive devices having non-linear resistances: USA, 5 905 226[P]. May, 18, 1999.
|
| [5] |
Novotney D B, Welch B M, Evick D W. Semiconductor bridge development for enhanced ESD and RF immunity[R]. AIAA99-2417: 1999.
|
| [6] |
King T L, William T W. Pin-to-pin electrostatic discharge protection for semiconductor bridges[R]. SAND2002-2213: 2002.
|
| [7] |
王为民, 赵鸣, 张慧君, 等. NTC热敏电阻材料组成及制备工艺研究进展[J].
材料科学与工程学报, 2005, 4(2): 286-289. WANG Wei-ming, ZHAO Ming, ZHANG Hui-jun. Progress on the compositions and technique of the NTC thermistor materials[J]. Journal of Matirials Science and Engineering, 2005, 4(2): 286-289. |
| [8] |
陈飞, 周彬, 秦志春. NTC热敏电阻用于半导体桥火工品射频防护的研究[J].
南京理工大学学报(自然科学版), 2012, 36(1): 171-175. CHEN Fei, ZHOU Bin, QIN Zhi-chun. Protection of semiconductor bridge initiators by using NTC RF interference thermistors[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2012, 36(1): 171-175. |
| [9] |
CHEN Fei, ZHOU Bin, QIN Zhi-chun, et al. EMC protection of SCB explosive devices by using SMD-based NTC thermistors[J].
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2012, 54(6): 1216-1221. DOI:10.1109/TEMC.2012.2202120 |
| [10] |
胡润峰. NTC热敏电阻传感器[J].
传感器世界, 2001, 7(7): 26-29. HU Run-feng. Negative temperature coefficient resistant temperature sensors[J]. Sensor World, 2001, 7(7): 26-29. |
| [11] |
沙占友, 王彦朋, 杜之涛. NTC热敏电阻的线性化及其应用[J].
自动化仪表, 2004, 25(9): 27-30. SHA Zhan-you, WANG Yan-peng, DU Zhi-tao. Linearization and application of NTC thermistor[J]. Process Automation Instrumentation, 2004, 25(9): 27-30. |
Constant current (1A) was forced to flow through igniters for 5 min at 25 ℃ and 70 ℃ to analyze the influence of NTC thermistors on SCB electro-explosive performances. With capacitor discharge experiment, the electro-explosive performances of the SCB initiators in parallel with NTC thermistors were discussed.