CN102260125B - 介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥和点火桥阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥和点火桥阵列，点火桥桥体由上电极、下电极和电介质层叠加而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极和下电极，与上电极金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极金属薄膜上，上电极金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。以介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥为基础单元的点火阵列，用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥排列成点火阵列。本发明具有安全性高、点火能力强、相容性好的功能。

Description

介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥和点火桥阵列

技术领域

本发明属于电火工品的基础部件领域，特别是一种介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥和以该点火桥为基础单元的点火阵列。

背景技术

电火工品是含能材料燃烧与爆炸常用的初始能源之一，在武器装备和国民经济领域有着广泛的应用，如矿山爆破，安全保护气囊，微小型卫星推进系统，火箭发动机点火系统，战斗部的传火与传爆序列，导弹的弹道修正和安全保险装置等。

桥丝式电火工品是使用的最广泛的电火工品。它是靠电流通过有一定电阻的微细金属桥丝，电能按焦耳-楞次定律                                               

产生热量，使桥丝升温达到灼热状态，加热桥丝周围的炸药使其爆炸。桥丝式电火工品的桥丝材料通常为镍铬、康铜或铂铱等，当电流通入桥丝后，在桥丝上电能转换成热能，能量的转换效率较低。桥丝式电火工品通常是用焊锡将桥丝直接焊接在两个脚线上，防射频的效果不好，容易受到外界电磁波的影响出现意外发火。同时由于受加工方法的限制，桥丝式电火工品的集成度不好，很难实现与火工品其它部件的集成化生产并组成点火桥阵列。

半导体桥（Semiconductor Bridge，简称SCB）火工品是指利用半导体薄膜或金属-半导体复合薄膜作发火组件的一类电火工品。SCB的作用机理是等离子体的微对流作用，当向SCB通脉冲电流时，桥膜材料因焦耳热迅速汽化，在电场的作用下形成弱等离子体放电，等离子体迅速扩散到与其相邻的烟火剂或高能炸药中，向烟火剂或高能炸药进行极迅速的热量传递，使其受热达到着火温度而发火。SCB具有一定的防射频特性，但电热转换率较低，制作工艺复杂，生产成本较高。

薄膜电桥是把金属通过物理或化学方法制作在基片上的一种膜式点火桥，它的工作原理是，在桥体通电后，桥体经过电加热发生爆炸，产生等离子体点燃药剂。薄膜电桥可以用MEMS工艺加工制作，容易实现与火工品其它部件的集成化生产，但与桥丝式电火工品和SCB相似，它仅依靠电能加热桥膜，能量转换率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥和以该点火桥为基础单元的点火阵列。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，点火桥桥体由上电极、下电极和电介质层叠加而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极和下电极，与上电极金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极金属薄膜上，上电极金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。

一种以介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥为基础单元的点火阵列，用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥排列成点火阵列。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明利用点火桥的介电式结构提高点火桥的安全性和Al/CuO复合薄膜的反应率；

介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥的基本结构如图1、2所示，这种桥体结构由三部分组成，两层金属薄膜分别作为上、下电极，多层Al/CuO复合薄膜夹在两层金属薄膜之间作为电介质层，介电常数可以通过调控Al/CuO复合薄膜的调制周期数进行调整。金属薄膜电极可以根据需要选择高电阻值金属薄膜，如Pt、Ti、Cr等，也可以选择低电阻值金属薄膜，如Al、Cu等。高电阻值薄膜可以增加点火桥的电阻，增强点火桥的电热转换能力，但会增加点火桥的爆发时间。低电阻值薄膜会减少点火桥的爆发时间，但会降低点火桥的电热转换能力。

点火桥由薄膜叠加而成，与基底的接触面积较大，具备一定的抗杂散电流的能力。同时CuO薄膜是半导体材料，所以Al/CuO复合薄膜具有一定的击穿电压，可以保证只有在外界电压高于Al/CuO复合薄膜的击穿电压时，才能激发点火桥发火。通过调控点火桥的面积和Al/CuO复合薄膜的厚度，可以控制Al/CuO复合薄膜的击穿电压，从而可以设计出具有抗杂散电流和电磁干扰能力的点火桥，提高点火桥的安全性。当外界电压低于Al/CuO复合薄膜的击穿电压时，只有微弱电流通过点火桥，点火桥不发火，当外界电压高于Al/CuO复合薄膜的击穿电压时，在上下两层金属薄膜电极之间会形成电场，该电场可以允许瞬间大电流通过桥体，促进Al/CuO的放热反应，提高Al/CuO复合薄膜的反应率，同时还可以防止点火桥提前熔断，提高点火桥的电热转换率。

（2）本发明利用多层Al/CuO复合薄膜的化学反应能提高点火桥的点火能力；

Al和CuO在加热时能激烈地发生氧化还原反应，并放出大量的热，理论放热量是4067J/g。本发明利用磁控溅射法制备了Al/CuO复合薄膜，并通过DSC实验确定了其放热量最大的调制周期。Al/CuO复合薄膜的最佳调制周期是1.2μm，其中Al薄膜的厚度是0.38μm，CuO薄膜的厚度是0.82μm，放热量是2760J/g。在点火桥实现电击穿时，电流能产生焦耳热，使桥体升温，当达到一定温度时，Al/CuO复合薄膜电介质层发生剧烈的氧化还原反应，释放出反应热。因此，在输入相同的电能时，介电式Al/CuO复合膜含能点火桥不仅产生了焦耳热，而且还释放出化学反应热，提高了点火桥的点火能力。

（3）利用微加工工艺制作点火桥阵列，提高与MEMS火工品系统的相容性。

点火桥的制作由磁控溅射、紫外曝光等微细加工技术完成。可选用硅或Pyrex7740玻璃等多种材料作为基片，分别用丙酮和去离子水对基片超声清洗30min，在空气中吹干后放入200℃烘箱烘烤备用。用正性反转光刻胶（AZ5200）在基片上涂覆后烘干，加底层金属薄膜电极的掩膜后进行初次曝光和反转曝光，显影后出现倒台型轮廓。用磁控溅射在显影后的基片上镀上底层金属薄膜电极，镀好后把基片放入丙酮溶液超声清洗30sec去除残胶，再用去离子水清洗，烘干后即得到完整底层金属薄膜电极。重复以上操作两次，分别制作出Al/CuO复合薄膜和上层金属薄膜电极即可得到如图1所示的介电式点火桥。

采用相同的制作工艺，可以用Au或Cu金属薄膜制作成引线，连接各点火桥，组成点火阵列，如实施例4所示。整个工艺均采用标准的微细加工工艺制作，基底材料选用的是半导体材料常用的硅和Pyrex7740玻璃，因此和MEMS火工品系统具有很好的相容性。

附图说明

图1是本发明点火桥的横向剖视图。

图2是本发明点火桥的俯视图。

图3是本发明点火桥阵列的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、2，本发明介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，点火桥桥体由上电极1、下电极2和电介质层3叠加而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极1和下电极2，与上电极1金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层3，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极2金属薄膜上，上电极3金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。所述电介质层Al/CuO复合薄膜层为若干调制周期的Al/CuO复合薄膜，Al/CuO复合薄膜调制周期的具体参数为：Al薄膜的厚度是0.3-0.4μm，CuO薄膜的厚度是0.8-0.9μm。金属薄膜和Al/CuO复合薄膜层采用微加工工艺磁控溅射、紫外曝光制得。所述上电极金属薄膜、下电极金属薄膜可选择的金属为Pt、Ti、Cr、Al或Cu。上电极、下电极和电介质层叠加重合部分的形状为圆形、正方形、长方形或三角形。

本发明以介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥为基础单元的点火阵列，用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥排列成点火阵列。所述Au金属薄膜或Cu金属薄膜采用微加工工艺磁控溅射、紫外曝光制得。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

基于Cr金属膜加热的介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥

以2μm Cr金属薄膜作为上下电极，6个调制周期（厚度为7.2μm）的Al/CuO复合薄膜作为电介质层，采用上述的微细加工工艺制作了点火桥。点火桥上下电极层的尺寸为：1000μm×1000μm×2μm，Al/CuO复合薄膜介电层为：1000μm×1000μm×7.2μm。用40V直流恒压可实现介电层的电击穿，得到的发火延迟时间是0.7ms，消耗的电能是381mJ。Al/CuO复合薄膜释放的化学反应热是101.34mJ，所以反应的总热量为484.34mJ，化学反应热占总释放能量的21%。通过对点火桥的发火温度测试可知，点火桥电爆炸时，发火温度为3500°C 持续1.4ms。

实施例2

基于Ti金属膜加热的介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥

以2μm Ti金属薄膜作为上下电极，6个调制周期（厚度为7.2μm）的Al/CuO复合薄膜作为电介质层，采用上述的微细加工工艺制作了点火桥。点火桥上下电极层的尺寸为：1000μm×1000μm×2μm，Al/CuO复合薄膜介电层为：1000μm×1000μm×7.2μm。用40V直流恒压可实现介电层的电击穿，得到的发火延迟时间是1.2ms，消耗的电能是432mJ。Al/CuO复合薄膜释放的化学反应热是101.34mJ，所以反应的总热量为533.34mJ，化学反应热占总释放能量的19%。通过对点火桥的发火温度测试可知，点火桥电爆炸时，发火温度为3800°C 持续1.8ms。

实施例3

基于Cu金属膜加热的介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥

以2μm Cu金属薄膜作为上下电极，6个调制周期（厚度为7.2μm）的Al/CuO复合薄膜作为电介质层，采用上述的微细加工工艺制作了点火桥。点火桥上下电极层的尺寸为：1000μm×1000μm×2μm，Al/CuO复合薄膜介电层为：1000μm×1000μm×7.2μm。用40V直流恒压可实现介电层的电击穿，得到的发火延迟时间是0.5ms，消耗的电能是212mJ。Al/CuO复合薄膜释放的化学反应热是101.34mJ，所以反应的总热量为313.34mJ，化学反应热占总释放能量的32%。通过对点火桥的发火温度测试可知，点火桥电爆炸时，发火温度为2700°C 持续0.6ms。

实施例4

介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥为基础单元的点火阵列

介电式Al/CuO复合薄膜含能点火桥全部是由微细加工工艺制作而成，可以以单个点火桥为基础，制作微型点火阵列。点火阵列的结构如图3所示。

图3中黑色的部分为点火桥，组成了4×6个点火单元，通过点火母线与单元的逻辑寻址电路可以实现单元的独立发火。逻辑寻址电路材料采用Cu或Au薄膜，Cu或Au薄膜具有较低的电阻率，对点火桥的影响较小，线路的宽度为80μm。类似于这种的逻辑寻址点火电路，可以用于微推进器系统的点火，也可以用于多点点火系统和微型雷管点火系统等。

Claims (7)

1.一种介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，其特征在于：点火桥桥体由上电极[1]、下电极[2]和电介质层[3]叠加而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极[1]和下电极[2]，与上电极[1]金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层[3]，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极[2]金属薄膜上，上电极[1]金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。

2.根据权利要求1所述的介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，其特征在于：所述电介质层Al/CuO复合薄膜层为若干调制周期的Al/CuO复合薄膜，Al/CuO复合薄膜调制周期的具体参数为：Al薄膜的厚度是0.3-0.4μm，CuO薄膜的厚度是0.8-0.9μm。

3.根据权利要求1所述的介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，其特征在于：所述金属薄膜和Al/CuO复合薄膜层采用微加工工艺磁控溅射、紫外曝光制得。

4.根据权利要求1所述的介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，其特征在于：所述上电极[1]金属薄膜、下电极[2]金属薄膜可选择的金属为Pt、Ti、Cr、Al或Cu。

5.根据权利要求1所述的介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥，其特征在于：上电极[1]、下电极[2]和电介质层[3]叠加重合部分的形状为圆形、正方形、长方形或三角形。

6.一种以介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥为基础单元的点火阵列，其特征在于：所述介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥为：点火桥桥体由上电极[1]、下电极[2]和电介质层[3]叠加而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极[1]和下电极[2]，与上电极[1]金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层[3]，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极[2]金属薄膜上，上电极[1]金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上；用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥排列成点火阵列。

7.根据权利要求6所述的以介电式Al/CuO复合薄膜含能电点火桥为基础单元的点火阵列，其特征在于：所述Au金属薄膜或Cu金属薄膜采用微加工工艺磁控溅射、紫外曝光制得。

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