CN108627056B - 一种无起爆药电子雷管及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无起爆药电子雷管及其控制方法。本发明的无起爆药电子雷管包括：封装在雷管壳中的控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元和主装炸药，高压转换装置包括依次电学连接的升压装置、高压储能装置和高压起爆电路；本发明采用高压转换装置，将除起爆指令外的低压通信指令转换成高电压并存储起来，将起爆指令转换成高电压并输出至半导体起爆单元；半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；等离子体直接轰击主装炸药实现起爆；本发明一方面避免使用起爆药，从而提高系统安全性，提高雷管作用精度；另一方面降低系统的成本与体积，使其可以批量化代替现有电雷管和电子雷管。
Description
技术领域
本发明涉及火工品起爆技术，具体涉及一种无起爆药电子雷管及其控制方法。
背景技术
现有电子雷管采用经典电雷管架构，其爆炸序列采用初级火工品-起爆药-传爆药-主装炸药的形式。这种爆炸序列由于使用了敏感的起爆药，给雷管在生产、运输和使用过程中带来安全隐患。起爆药在上述过程中极易受到电磁环境、温度环境和力学环境影响，发生意外爆炸，造成人员财产损失。此外，起爆药生产与装配工艺一致性较差，造成雷管延期精度不高，难以满足当今民用和军用领域高精度起爆作业的要求。
为解决上述问题，国内外开展冲击片雷管研究，该雷管采用高电压驱动的冲击片直接起爆主装炸药，从而避免使用起爆药。冲击片雷管较好的解决了起爆药带来的安全隐患，也提高了雷管作用精度，但其输出电压高达数百伏甚至上千伏，导致系统构造复杂，体积较大，成本较高，多用于高价值平台，难以批量化代替现有电雷管和电子雷管。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型的无起爆药电子雷管；该雷管一方面避免使用起爆药，从而提高系统安全性，提高雷管作用精度；另一方面降低系统成本与体积，使其可以批量化代替现有电雷管和电子雷管。
本发明的一个目的在于提供一种无起爆药电子雷管。
本发明的无起爆药电子雷管包括：控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元、主装炸药和雷管壳；其中，控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元和主装炸药封装在雷管壳中；位于雷管壳外的起爆器电学连接至控制电路；控制电路电学连接至高压转换装置；高压转换装置电学连接至半导体起爆单元；半导体起爆单元的起爆区正对主装炸药；起爆器发出低压通信指令，低压通信指令中携带能量，采用能量与信息耦合传输的总线通信方式传输至控制电路；控制电路判断低压通信指令，并传输至高压转换装置；高压转换装置将除起爆指令外的低压通信指令中携带的能量转换成高电压并存储起来；高压转换装置将起爆指令转换成高电压并输出至半导体起爆单元；半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；等离子体直接轰击主装炸药实现起爆。
高压转换装置包括升压装置、高压储能装置和高压起爆电路；其中，控制电路电学连接至升压装置；升压装置将来自控制电路的低压通信指令转换为高电压，并传输至高压储能装置中存储起来；当低压通信指令为起爆指令时，高压储能装置将存储的高电压通过高压起爆电路输出至半导体起爆单元。
半导体起爆单元包括衬底、绝缘层、等离子体发生层、起爆区和一对金属焊盘；其中，在衬底上形成绝缘层；在绝缘层上形成形状对称的等离子体发生层；在等离子体发生层上的两端形成一对金属焊盘；等离子体发生层中位于一对金属焊盘之间的区域形成起爆区。高压转换装置的高压起爆电路的一对输出端电学连接一对金属焊盘。起爆区的形状为矩形或蝶形；蝶形为两个上底相对的等边梯形。等离子体发生层采用能兼容半导体工艺且能产生等离子体的导体材料，如掺杂多晶硅。
低压通信指令包括：时钟校准检测指令、注册指令、通信检测指令、延时装定指令、充电指令、起爆指令、放电指令和注销指令。
本发明的另一个目的在于提供一种无起爆药电子雷管的控制方法。
本发明的无起爆药电子雷管的控制方法，包括以下步骤：
1)起爆器发出低压通信指令，低压通信指令中携带能量，采用能量与信息耦合传输的总线通信方式传输至控制电路；
2)控制电路判断低压通信指令，并传输至高压转换装置；
3)高压转换装置将除起爆指令外的低压通信指令中携带的能量转换成高电压并存储起来；
4)当起爆器发出起爆指令时，高压转换装置将起爆指令转换成高电压并输出至半导体起爆单元；
5)半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；
6)等离子体直接轰击主装炸药实现起爆。
其中，在步骤3)中，升压装置将来自控制电路的除起爆指令外的低压通信指令转换为不超过300V的高电压，并传输至高压储能装置中存储起来。
在步骤4)中，压装置将来自控制电路的起爆指令转换为不超过300V的高电压，并传输至高压储能装置中；高压储能装置将存储的高电压通过高压起爆电路输出至半导体起爆单元。本发明的优点：
本发明采用高压转换装置，将除起爆指令外的低压通信指令转换成高电压并存储起来，将起爆指令转换成高电压并输出至半导体起爆单元；半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；等离子体直接轰击主装炸药实现起爆；本发明一方面避免使用起爆药，从而提高系统安全性，提高雷管作用精度；另一方面降低系统的成本与体积，使其可以批量化代替现有电雷管和电子雷管。
附图说明
图1为本发明的无起爆药电子雷管的结构框图；
图2为本发明的无起爆药电子雷管的半导体起爆单元的一个实施例的剖面图；
图3为本发明的无起爆药电子雷管的半导体起爆单元的俯视图，其中，(a)为起爆区的形状为矩形的俯视图，(b)为起爆区的形状为蝶形的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例的无起爆药电子雷管包括：控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元、主装炸药和雷管壳；其中，控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元和主装炸药封装在雷管壳中；位于雷管壳外的起爆器电学连接至控制电路；控制电路电学连接至高压转换装置；高压转换装置电学连接至半导体起爆单元；半导体起爆单元的起爆区正对主装炸药；主装炸药为柱形，端面正对半导体起爆单元的起爆区。能量与信息耦合传输的总线采用远程抄表通讯转换MBUS。
高压转换装置包括依次电学相连的升压装置、高压储能装置和高压起爆电路。
如图2所示，半导体起爆单元包括衬底1、绝缘层2、等离子体发生层3、起爆区5和一对金属焊盘4；其中，在衬底1上形成绝缘层2；在绝缘层2上形成形状对称的等离子体发生层3，等离子体发生层3的形状为矩形或蝶形；在等离子体发生层3上的两端形成一对金属焊盘4；等离子体发生层中位于一对金属焊盘之间的区域形成起爆区5。高压转换装置的高压起爆电路的一对输出端电学连接一对金属焊盘。等离子体发生层采用掺杂多晶硅。
如图3所示，起爆区的形状为矩形或蝶形；蝶形为两个上底相对的等边梯形。
本实施例的基于半导体工艺制备的半导体起爆单元的方法，包括以下步骤：1)在衬底上氧化生成绝缘层，衬底采用单晶硅圆片，绝缘层采用二氧化硅膜；2)在绝缘层上利用气相沉淀法制备多晶硅膜，对多晶硅膜掺杂磷原子，形成等离子体发生层，对掺杂后的多晶硅膜刻蚀，形成矩形或蝶形的图案；3)在等离子体发生层的两端溅射形成一对金属焊盘，在等离子体发生上一对金属焊盘之间的区域形成起爆区；4)最后对圆片划片，得到单个半导体起爆单元芯片。
本实施例的无起爆药电子雷管的控制方法，包括以下步骤：
1)起爆器发出低压通信指令，低压通信指令中携带能量，采用能量与信息耦合传输的总线通信方式传输至控制电路；
2)控制电路判断低压通信指令，并传输至高压转换装置；
3)高压转换装置中的升压装置将来自控制电路的除起爆指令外的低压通信指令转换为不超过300V的高电压，并传输至高压储能装置中存储起来将除起爆指令外的低压通信指令中携带的能量转换成高电压并存储起来；
4)当起爆器发出起爆指令时，高压转换装置中的升压装置将来自控制电路的起爆指令转换为不超过300V的高电压，并传输至高压储能装置中；高压储能装置将存储的高电压通过高压起爆电路输出至半导体起爆单元；
5)半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；
6)等离子体直接轰击主装炸药实现起爆。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种无起爆药电子雷管，其特征在于，所述无起爆药电子雷管包括：控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元、主装炸药和雷管壳；其中，所述控制电路、高压转换装置、半导体起爆单元和主装炸药封装在雷管壳中；位于雷管壳外的起爆器电学连接至控制电路；所述控制电路电学连接至高压转换装置；所述高压转换装置电学连接至半导体起爆单元；所述半导体起爆单元的起爆区正对主装炸药；所述起爆器发出低压通信指令，低压通信指令中携带能量，采用能量与信息耦合传输的总线通信方式传输至控制电路；控制电路判断低压通信指令，并传输至高压转换装置；高压转换装置将除起爆指令外的低压通信指令中携带的能量转换成高电压并存储起来；高压转换装置将起爆指令转换成高电压并输出至半导体起爆单元；半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；等离子体直接轰击主装炸药实现起爆；所述半导体起爆单元包括衬底、绝缘层、等离子体发生层、起爆区和一对金属焊盘；其中，在衬底上形成绝缘层；在绝缘层上形成形状对称的等离子体发生层；在等离子体发生层上的两端形成一对金属焊盘；等离子体发生层中位于一对金属焊盘之间的区域形成起爆区。
2.如权利要求1所述的无起爆药电子雷管，其特征在于，所述高压转换装置包括升压装置、高压储能装置和高压起爆电路；其中，所述控制电路电学连接至升压装置；所述升压装置将来自控制电路的低压通信指令转换为高电压，并传输至高压储能装置中存储起来；当低压通信指令为起爆指令时，所述高压储能装置将存储的高电压通过高压起爆电路输出至半导体起爆单元。
3.如权利要求1所述的无起爆药电子雷管，其特征在于，所述起爆区的形状为矩形或蝶形。
4.如权利要求1所述的无起爆药电子雷管，其特征在于，所述等离子体发生层采用能兼容半导体工艺且能产生等离子体的导体材料。
5.如权利要求1所述的无起爆药电子雷管，其特征在于，所述低压通信指令包括：时钟校准检测指令、注册指令、通信检测指令、延时装定指令、充电指令、起爆指令、放电指令和注销指令。
6.一种如权利要求1所述的无起爆药电子雷管的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)起爆器发出低压通信指令，低压通信指令中携带能量，采用能量与信息耦合传输的总线通信方式传输至控制电路；
2)控制电路判断低压通信指令，并传输至高压转换装置；
3)高压转换装置将除起爆指令外的低压通信指令中携带的能量转换成高电压并存储起来；
4)当起爆器发出起爆指令时，高压转换装置将起爆指令转换成高电压并输出至半导体起爆单元；
5)半导体起爆单元在瞬间大电流刺激下，直接产生等离子体；
6)等离子体直接轰击主装炸药实现起爆。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤3)中，升压装置将来自控制电路的除起爆指令外的低压通信指令转换为不超过300V的高电压，并传输至高压储能装置中存储起来。
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤4)中，升压装置将来自控制电路的起爆指令转换为不超过300V的高电压，并传输至高压储能装置中；高压储能装置将存储的高电压通过高压起爆电路输出至半导体起爆单元。
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