MEMS火工品具有结构微型化、换能信息化和序 列集成化等特征，是新一代火工品的重要发展方向。 微结构换能元作为MEMS火工品的核心部分，决定了 MEMS火工品的发火性能、安全性和可靠性，进而影 响武器弹药的作战性能[1-3]。

      微结构换能元主要是将金属或半导体等材料沉 积到绝缘基片上制作而成。氮化钽（TaN）具有优良 的电学性能、稳定的热性能、抗氧化腐蚀性能好等特 点， 在航空航天、微电子、生物医学、动力机械等领域有着重要应用[4-5]。与金属材料相比，TaN的电阻温 度系数（TCR）为负值， 电阻随温度的增加而减小， 有利于实现微结构换能元的低能化。国外维歇 （Vishay）公司披露了一种基于TaN薄膜技术的电起 爆器薄膜芯片， 发火能量降至 50μJ；国内蔡贤耀等 制备的TaN薄膜发火能量为 1 ～30mJ[6] ，陕西应用物 理化学研究所制备的TaN  薄膜发火能量为 0.6mJ [7]。 国内外相关领域研究成果差距较大。

      本文设计制作了不同桥膜厚度、不同桥区尺寸、不同桥区图形的 TaN 薄膜换能元，并对其发火感度进 行了测试，获得了桥区参数对换能元发火性能的影 响， 为微结构换能元的低能化提供基础参数。

1  实验部分

1.1 氮化钽薄膜换能元的设计与制备

      氮化钽薄膜换能元整体结构由基体、中间层、发 火层、焊盘层组成，示意图如图 1 所示。基体的作用 是支撑载体，基体材料选用 7740 玻璃；中间层的作 用是增加材料之间的黏附力，中间层材料选用钛或镍 铬；发火层材料为氮化钽；焊盘层的作用是提高导电 性能，焊盘材料选用铜。桥区在发火层上两个焊盘之 间裸露出来的部分，示意图如图 2 所示。

图 1 氮化钽薄膜换能元整体结构设计示意图

                 桥区

图 2 桥区示意图

      氮化钽薄膜换能元采用 MEMS 工艺制备，氮化 钽薄膜采用磁控溅射工艺制备，选用意大利 KENO- SISTEC 公司KS60VR 型磁控溅射设备。本文选用 99.9%的氮化钽作为靶材， 腔体真空度为 5×10-6Pa ， 溅射功率为 200W，溅射时间为 50min，Ar流量为 60 sccm，基底温度为 70°。通过匀胶、光刻、显影、剥 离技术等一系列MEMS工艺完成换能元图形的制备。

      氮化钽薄膜厚度通过调节磁控溅射时间来控制， 实际测量值与设计值误差极小，所以本文氮化钽薄膜 厚度统一采用设计值。桥区形状通过光刻工艺制备， 线条尺寸在 10μm 以上，实际测量值与设计值误差极 小； 线条尺寸 10μm 以下， 实际测量值比设计值小， 线条容易出现断裂等现象，工艺成品率不高，本文涉 及数量只有 1 个，故本文桥区尺寸统一采用设计值。

1.2 氮化钽薄膜换能元的发火感度测试

      依据 GJB/z 377A-94 感度试验用兰利法，对不同 桥区参数的氮化钽薄膜换能元发火感度进行测试，选 用的仪器分辨率为 0.1V，试验数据分布假设为正态分 布。测试用起爆电路如图 3 所示， 采用 33μF 发火电 容，含能材料采用斯蒂芬酸铅。

图 3 起爆电路示意图

2  结果与讨论

2.1 桥膜厚度对 TaN 薄膜换能元发火感度的影响

      在桥区选用图形 1（如图 4 所示）、桥区尺寸为 0.2mm×0.2mm 情况下，对不同桥膜厚度的换能元进 行发火感度测试，结果如表 1 所示。

图 4 桥区图形 1 示意图

表 1 不同桥膜厚度的换能元发火感度测试结果

      表 1 结果表明：当桥区形状、尺寸一定时，随着 桥膜厚度的增加，换能元的发火电压先降低再升高， 当桥膜厚度为 0.9μm 时，平均发火电压最小，为 6.4V。

 2.2 桥膜尺寸对 TaN 薄膜换能元发火感度的影响

      根据表 1 测试结果，选用厚度为 0.9 μm 的桥膜， 桥区选择图形 1，通过改变桥区尺寸（H×L ），研究其 对发火感度的影响规律。不同桥区尺寸的换能元发火 感度测试结果如表 2 所示。

表 2 不同桥区尺寸的换能元发火感度测试结果

      表 2 结果表明： 当桥膜厚度、桥区形状一定时， 随着桥区尺寸的减小，换能元的发火电压也不断减 小，当桥区尺寸为 0.1mm×0.1mm 时，平均发火电压 最小，为 6.4V。

2.3 桥区夹角对 TaN 薄膜换能元发火感度的影响

      根据表 1 ～2 的测试结果， 选用厚度为 0.9μm 的 桥膜，桥区尺寸为 0.1 mm×0.1mm，改变桥区形状和 桥区形状夹角得到桥区图形 2，如图 5 所示。

图 5 不同夹角的桥区图形 2

      夹角 θ 设计为 30°、45° 、60°, 对其进行发火感 度测试，测试结果如表 3 所示。表 3 结果表明：相同 厚度和桥区尺寸的情况下，桥区图形 2 的平均发火电 压比桥区图形 1 平均发火电压低； 夹角 θ 为 45°时， 换能元的平均发火电压最小，为 5.6V。

表 3 不同夹角的换能元发火感度测试结果

2.4 桥区形状对 TaN 薄膜换能元发火感度的影响

      选用厚度为 0.9μm 的桥膜，桥区图形 2，桥区尺 寸为 0.5mm×0.5mm，夹角 θ 为 45°, 通过对桥区图 形 2 中间部分进行等分， 研究不同桥区形状下，TaN 薄膜换能元的发火感度变化。桥区图形 4 等分的桥区 形状（桥区图形 3）如图 6 所示。

      不同桥区等分的换能元发火感度测试结果如表 4 所示，表 4 结果表明：在相同桥膜厚度、桥区尺寸及 桥区夹角的情况下，将桥区中间部分等分为 8 时，平 均发火电压较低，为 11.9V；当桥区等分数增加到 30时，桥区线条容易出现断裂等现象，线条实际测量值 与设计值误差较大，工艺成品率不高。结合制造工艺 水平和发火感度测试结果，桥区等分数在 4 ～ 8 之间最优。

图 6  桥区图形 2 的4 等分示意图（桥区图形 3）

表 4 不同桥区等分的换能元发火感度测试结果

      在以上研究的基础上进一步优化桥区图形，选用 桥膜厚度为 0.9μm，桥区尺寸 0.5mm×0.5mm，夹角 为 45° , 桥区等分为 4，对图 6 所示桥区图形 3 添加了锯齿形状，如图 7 所示。

图7  优化设计的桥区图形示意图

      优化后桥区图形为6种， 桥区图形4锯齿数为4 ， 尖角为90°; 桥区图形5锯齿数为4，尖角为60°;桥区 图形6锯齿数为10，尖角为60°;桥区图形7锯齿形状 为正方形，锯齿数为4；桥区图形8锯齿形状为半圆形， 锯齿数为4；桥区图形9锯齿形状为梯形，锯齿数为4； 桥区图形4、5 、7、8、9中，锯齿左右、上下间距均 相同。优化后不同桥区形状的换能元发火感度测试结 果如表5所示。表5结果表明：相同厚度和桥区尺寸的 情况下， 总体上锯齿为尖角形状图形（桥区图形4、 桥区图形5、桥区图形6）的发火电压低于优化前不带 锯齿形状图形的发火电压，锯齿尖角为60°（桥区图 形5）发火电压低于锯齿尖角为90°（桥区图形4）的发火电压； 桥区图形7、8 、9的发火电压相近，发火 电压略大于桥区图形3（桥区等分为4）的发火电压， 说明锯齿为平直的或半圆的图形对通过的电流有阻碍的作用。

表5 优化后不同桥区图形的换能元发火感度测试结果

2.5 TaN 薄膜换能元换能元发火电压

      根据以上研究结果，设计 4 种方案进行低能化试 验验证，试验方案如表 6 所示。TaN 薄膜换能元发火 感度测试结果如表 7 所示。表 7 试验结果表明：从方 案 1 到方案 4，发火电压逐渐减小，方案 3 与方案 4 平均发火电压降至 5V 以下。

表6 TaN薄膜换能元发火感度试验方案

表7 TaN薄膜换能元发火感度测试结果

3  结论

      本研究基于 TaN 优良的电学性能， 采用 MEMS 工艺制备了 TaN 薄膜换能元，开展了桥膜厚度、桥区图形及尺寸对微结构换能元发火感度的影响研究，得 到以下结论：

     （ 1）当桥区形状和尺寸一定时， 随着桥膜厚度 的增加，TaN 薄膜换能元的发火电压先减小，当桥膜 的厚度增加到一定的程度，换能元发火电压又有增大 的趋势。桥膜厚度为 0.9μm 时， 发火电压最小。

     （2）桥区的形状对 TaN 薄膜换能元的发火电压 有显著的影响。本文通过一系列图形的研究，设计出 一种整体图形为“工”字形的桥膜，当桥区夹角 θ  为 45° 、桥区 4 等分、锯齿数为 4、锯齿尖角为 60°时， 换能元发火电压低于 5V，实现了 TaN 薄膜换能元低 能化的目的。