Al_CuO含能薄膜换能芯片薄膜反应的模拟分析_杨骁.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0032-05Al/CuO含能薄膜换能芯片薄膜反应的模拟分析杨骁1，刘凤丽1，刘双杰2，王洪星2，郝永平2（1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳，110158；2.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳，110158）摘要：为了探究含能薄膜在换能元火工品点火过程中的点燃机制，建立Al/CuO 含能薄膜换能芯片结构的傅里叶传热模型，利用COMSOL仿真软件对不同电压或电容条件下含能薄膜换能芯片的点火过程进行数值模拟，对比分析电容或电压对含能薄膜温升曲线的影响。仿真结果表明：提高电压或电容使得含能薄膜温升曲线峰值增高或延长，两者都能扩大薄膜反应区域；电容与电压增大或减小均影响半导体桥对含能薄膜的传热效率，导致含能薄膜的温升曲线相对于半导体桥具有滞后性与相似性。关键词：含能薄膜；换能芯片；传热模型；薄膜反应中图分类号：TJ45+6文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.007SimulationAnalysisof Thin Film Reactionfor Al/CuO EnergeticThin Film Energy Conversion ChipYANG Xiao1，LIU Feng-li1，LIU Shuang-jie2，WANG Hong-xing2，HAO Yong-ping2(1.College of Mechanics Engineering,Shenyang Ligong University，Shenyang，110158；2.College of EquipmentEngineering,Shenyang Ligong University，Shenyang，110158)Abstract：In order to explore the ignition mechanism of energetic thin film in the ignition process of energy conversionelement initiating explosive devices,the Fourier heat transfer model of Al/CuO energetic thin film energy conversion chipstructure was established.The ignition process of energetic thin film energy conversion chip under different voltage orcapacitance conditions was numerically simulated by COMSOL simulation software,and the influence of capacitance or voltageon the temperature rise curve of energetic thin film was compared and analyzed.The simulation results show that increasing thevoltage or capacitance can increase or prolong the peak value of the temperature rise curve of the energetic thin film,and both ofthem can enlarge the area of the thin film reaction;When the capacitance and voltage increase or decrease,the heat transferefficiency of the semiconductor bridge to the energetic thin film is affected,resulting in the hysteresis and similarity of thetemperaturerisecurveof theenergeticthinfilmrelativetothesemiconductorbridge.Keywords：Energeticthinfilm；Energyconversionchip；Heattransfermodel；Thin filmreaction火工品的换能元是一种将电能转换为热能的能量转换器件1，半导体换能元指利用 MEMS 技术制备的以半导体桥作为能量转换部件的换能元。研究者发现通过在半导体桥上集成含能薄膜能够提升换能元的能量输出2，说明含能薄膜换能元具有很大的应用潜力，因此，对含能薄膜换能元的点火过程进行研究具有一定意义和价值。目前国内外学者对于换能元的发火机理研究已有较多成果。贾昕3研究发现含能复合薄膜对半导体桥的电爆过程没有明显影响。李慧等4利用 Multiphysics 仿真软件对 2 种不同桥区体积的半导体换能元进行电爆特性研究，结果表明桥区体积更大的换能2023 年02 月2023 年第1 期收稿日期：2022-07-18作者简介：杨骁（1998-），男，在读硕士研究生，从事精密仪器与测量研究。基金项目：2022年度教育厅基本科研项目（LJKMZ20220601）。火工品2023 年 02月33元安全性更好，较小桥区体积的换能元更容易发火。杨贵丽5针对恒流激励下半导体桥火工品的电爆特性规律进行研究，建立了一种基于傅里叶传热原理的稳态模型，得到了换能元塞子表面换热下临界爆发电流与半导体桥电阻的函数关系。王大奎等6通过COMSOL软件设计了一种类似换能元结构的引信开关，对开关的电爆特性进行了仿真分析。Andrea Nicollet 等7制备了不同周期薄膜的含能薄膜换能元，研究含能薄膜的点火特性，结果表明含能薄膜小部分表面达到反应温度后可持续反应。含能薄膜换能元通过半导体桥的焦耳热效应或在极短时间内半导体桥区产生大量热能，再通过等离子体冷凝或是进行热传导，将热量传递到含能薄膜2-3。点火过程一般分为半导体桥区升温、熔化、汽化电离以及等离子体加热 4 个阶段8-9。本研究利用COMSOL仿真软件对不同电压或电容条件下含能薄膜换能芯片的点火过程进行数值模拟，对比分析电容或电压对含能薄膜温升曲线的影响。1含能薄膜换能芯片模型建立1.1物理结构Al/CuO 含能薄膜换能芯片的物理模型如图 1 所示，含能芯片固定在陶瓷塞上，单晶硅衬底热氧化生成一层 SiO2绝缘层将其与多晶硅等导电部分隔开。图 1Al/CuO含能薄膜换能芯片结构Fig.1Structureof Al/CuOenergeticthinfilmenergyconversionchip含能薄膜换能元的点火过程基本由换能芯片完成，陶瓷塞与换能芯片之间存在着热传导过程。由于换能芯片结构没有陶瓷塞部分，在模型建立过程中通过计算研究陶瓷塞与换能芯片之间存在的热传导的影响。1.2传热理论分析如图 1 模型所示，陶瓷塞与换能芯片的单晶硅衬底进行热传导换热10，此外，换能芯片表面以及换能元陶瓷塞表面与空气进行对流换热。基于傅里叶传热方程与牛顿冷却定律，杨贵丽建立了一种换能元陶瓷塞的稳态换热方程5，根据原式建立方程：式（1）中：s为陶瓷塞导热系数；hs为陶瓷塞的表面传热系数；A 为衬底的等效表面积；r1为单晶硅衬底底部面积的等效半径；r2为陶瓷塞表面面积的等效半径，等效半径根据球体模型等效面积公式 A=4r2得出；T 为陶瓷塞微单元体温度；Tf为环境温度。由式（1）得到单晶硅衬底底部表面换热系数：由式（2）可知，对于陶瓷塞表面换热系数为 35W/(m2K)，等效半径为 2.1mm，衬底等效半径为 0.35mm 的衬底，换热系数取 1 256W/(m2K)。1.3仿真模型建立含能薄膜换能元的点火能量主要作用在多晶硅薄膜层构成的半导体桥上，利用 COMSOL 有限元分析软件建立含能薄膜换能芯片仿真分析的传热模型，如图 2 所示。该模型单晶硅厚度为 400 m，生长有 1 m 的SiO2绝缘薄膜层，多晶硅薄膜层厚 2 m，铝电极薄膜层厚 2 m。多晶硅半导体桥为 90V 字形结构，能够减小发火电压阈值11，整体尺寸为 100 m(L)380 m(W)2 m(d)，桥区电阻为1.02。因为含能薄膜存在自蔓反应7，仿真模型中 Al/CuO 含能薄膜厚度按 12 比例交替共 4 层，总厚度为 300 nm。利用 COSMOL 电磁热耦合物理场进行仿真分析时，采用电容放电向含能薄膜换能芯片供电。单晶硅与二氧化122212111-|+|-=rhrrrhscce（2）()|-=|fssssTThrTrrRIrTArrrTrrrdd-,dd-,0dddd122122（1）含能复合薄膜铝电极薄膜多晶硅薄膜SiO2绝缘层单晶硅衬底陶瓷塞杨骁等：Al/CuO 含能薄膜换能芯片薄膜反应的模拟分析342023 年第1 期硅在COMSOL材料库中分别选用 Silicon 和 Quartz。单晶硅与多晶硅作为半导体，导电率并非确定值，在一个较广范围内变化。多晶硅电导率根据 COMSOL结构模型计算得出，所得电导率经过微元模型计算为1.0912，与物理模型基本一致。固态时模型材料参数如表 1 所示。图2含能薄膜芯片传热模型Fig.2Heattransfermodel of energeticthinfilmchip表 1固态材料参数取值13-14Tab.1Thevalueof solidmaterialparameters物性参数密度/(gcm-3)比热容/(Jkg-1K-1)导热系数/(Wm-1K-1)电导率/(Sm-1)多晶硅2.3787601.40105CuO6.30800261.4010-2Al2.708972373.51107单晶硅2.337001302.52104SiO22.6088031.0010-12点火过程中半导体桥会在极短时间内到达汽化点，然后以等离子态存在。整个点火过程，多晶硅经过了固态、液态、气态以及等离子态等形态，普通方法难以进行建模分析15。为了简要模拟物质升温中经历不同物质形态，假设点火过程中多晶硅、Al 以及CuO 在不同物质状态下的比热容分别为常数6。查阅材料不同形态的比热容6,16-17，如图 3 所示。图3材料不同形态的比热容Fig.3Specificheatcapacityof differentformsof materials2模拟仿真与分析2.1薄膜反应阈值分析在仿真环境中设置不同电压与电容梯度放电条件，研究含能薄膜的能量输出情况。一般认为薄膜表面温度到达 1 150K 足够使得薄膜完全反应3,6，在仿真中利用 COMSOL 筛选出含能薄膜达到 1 150 K 的区域。发火电压设置为 515V，间隔取 2.5V，电容设置为47，100，220F3种。时间长度设置为200s，步长设置为 2 s。记录含能薄膜区域温度峰值，结果如表 2 所示。表 2Al/CuO 含能薄膜温度峰值（）Tab.2Peaktemperatureof Al/CuOenergeticthinfilm发火电压/V电容/F4710022015.010721674.32 265.812.5744.31120.51 591.910.0397.9661969.57.5203341.9508.25.091.6144.9214.4含能薄膜温度峰值达到 877时说明含能薄膜有部分区域已经完全反应7。由表 2 可见，含能薄膜温度峰值随着电压或电容条件改变发生显著变化，提高电容或电压都能显著提高薄膜温度峰值。2.2薄膜反应分析对比不同电容、电压下 Al/CuO 含能薄膜达到温度峰值时的表面温度分布如图 4 所示。图 4（a）（b）中半导体桥表面上方的 Al/CuO