CN102927590A

CN102927590A - 一种金属薄膜桥点火器及其制备方法

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Publication number: CN102927590A
Application number: CN2012104162881A
Authority: CN
Inventors: 谢贵久; 景涛; 颜志红; 白庆星; 张建国
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种金属薄膜桥点火器及其制备方法，主要用于汽车安全气囊和安全装置，还可推广应用于武器弹药系统、卫星及民用防撞气囊和爆破工程。该点火器采用了导热系数更小的基片、过渡层薄膜和热隔离层薄膜，使得Ni-Cr合金薄膜桥点火器发火电压低于4V，发火能量约为80微焦，发火时间小于50μs，有效降低了点火器的工作电压，提高了点火器的点火时间。同时，通过基片表面的通孔实现了点火器插塞极针与薄膜桥电极区的无引线连接，提高了点火器抗环境冲击能力，极大的提高了点火器的可靠性水平。采用了微细加工技术，金属薄膜桥点火器具有成本低、易批量生产等优点。

Description

一种金属薄膜桥点火器及其制备方法

技术领域

本发明属于电火工品技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的金属薄膜桥点火器及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种金属薄膜桥点火器及其制备方法，其电阻发热元件由一种金属薄膜桥结构组成，并且通过选择较低热导率的基片和过渡层薄膜，降低了点火器的点火能量和工作电压，提高了点火器的点火时间，通过通孔实现了极针与点火器电极区的电气互连，增强了点火器工作的可靠性水平。

背景技术

通常，桥丝式电火工品点火器是人们一直普遍使用的点火方式，是由一跟悬吊式电阻加热丝和两个电极相连组成，这种结构的点火器在较强的振动环境下，桥丝径向存在的拉伸作用容易导致桥丝发生变形，造成桥丝阻值改变从而影响点火器点火性能，并可能造成桥丝断裂及焊点破裂脱焊，造成点火器瞎火，极大的降低了桥丝式点火器的可靠性水平，且桥丝式点火器一般无法满足低发火能量和快速发火的要求。

金属薄膜桥点火器是通过物理气相淀积方法在基片上沉积点火材料，薄膜桥阻值大小由其几何形状决定，实际中可以通过改变薄膜桥长度、宽度及厚度获得不同的电阻值。换句话说，金属薄膜桥外形结构可以根据不同的性能要求进行设计以满足不同的功能，这是金属薄膜桥点火器最为突出的优点之一。由于金属薄膜桥点火器是将金属薄膜通过物理气相沉积的方式直接淀积在基底上，金属薄膜与基底之间的粘附力较强，并且在承受过载的过程中，金属薄膜桥径向不存在拉伸作用，不会出现金属薄膜桥的断裂及脱落等。

金属薄膜桥点火器是利用金属薄膜的电阻特性，在电阻两端通以电流，电流对电阻做功产生焦耳热，使药剂受热达到着火温度而发火。为了降低点火器点火能量和工作时间，从材料选择和结构设计等各方面都应该减小热量散失的可能，使得金属薄膜桥点火器产生的焦耳热尽可能的用于加热药剂。

本发明人曾在专利CN102384486A中介绍了一种低发火电压的Ni-Cr合金薄膜桥点火器及其制备方法，通过微机械加工技术在FR-4基片表面制备了Ni-Cr合金薄膜桥点火器，实现了在较低发火电压下可靠发火，点火电压低至4.8V/10μF，点火能量低至110mJ，且具有良好的抗振性能。FR-4基片的热导率约为0.294W/(m·℃)，实际中，金属薄膜桥产生的焦耳热不可避免的会通过FR-4基片向周围环境散失，可通过选择热导率更小的材料作为金属薄膜桥点火器制备的基片材料，减小热量散失，降低点火器工作能量和点火时间。聚酰亚胺材料的热导率仅为0.156 W/(m·℃)，有着比FR-4更好的热绝缘性能和微细加工特性，可作为金属薄膜桥点火器的基片材料，能够有效降低热量通过基片的散失。

针对上述问题，需要一种具有较低工作能量和较短点火时间的金属薄膜桥点火器。

发明内容

本发明旨在提出一种金属薄膜桥点火器及其制备方法，可以实现较低的点火能量和较短的点火时间，并且这种金属薄膜桥点火器基本采用现有的成熟工艺技术和材料，生产工艺简单，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述金属薄膜桥点火器1包括基片2，设于基片2上的过渡层薄膜3，设于过渡层薄膜3上的热隔离膜4，设于热隔离膜4上的金属电阻膜5，设于金属电阻膜5上的电极薄膜6，设于电极薄膜6上的通孔13。

其中，所述基片2材料为聚酰亚胺，聚酰亚胺材料的热导率仅为0.156 W/(m·℃)，有着比FR-4更好的热绝缘性能和微细加工特性，可作为金属薄膜桥点火器的基片材料，能够有效降低热量通过基片的散失，基片2直径为100mm～400mm，厚度30μm～200μm；所述过渡层薄膜3材料为Ta₂O₅，Ta₂O₅热导率为0.026W/(m·℃)，其厚度为0.05μm～0.1μm；所述热隔离膜4材料为SiO₂，SiO₂的热导率为0.28W/(m·℃)，其厚度为0.1μm～1μm。所述金属电阻膜5材料为Ni-Cr(8:2)合金、Ta₂N、W、Cr、Pt等中的一种，优选为Ni-Cr(8:2)合金，厚度为0.2μm～4μm；所述电极薄膜6材料为Au，厚度为0.05μm～0.1μm。

上述金属薄膜桥点火器的制备方法，包括如下步骤：

（1）清洗聚酰亚胺基片2，去除基片2表面油污及杂质；

（2）将基片2装入夹具，放入镀膜系统行星架上，通过物理气相淀积的方式（PVD）在基片表面沉积Ta₂O₅过渡层薄膜3；

（3）通过物理气相淀积技术在Ta₂O₅过渡层薄膜3表面淀积SiO₂热隔离膜4；

（4）再以物理气相淀积的方式在SiO₂热隔离膜4表面制备Ni-Cr合金薄膜5；

（5）通过光刻技术在Ni-Cr合金薄膜表面制备薄膜桥形状的光刻胶掩膜层；

（6）通过干法刻蚀或者湿法腐蚀技术完成Ni-Cr合金薄膜桥的加工；

（7）利用光刻技术制作电极区的光刻胶掩膜层，以光刻胶对电极区域之外的地方进行保护；

（8）通过物理气相淀积的方法沉积Au薄膜，然后剥离步骤（7）中所述的光刻胶掩膜层，清洗，形成电极区；

（9）以机械打孔方式在电极区制作通孔13；

（10）裁剪划片形成Ni-Cr合金薄膜桥。

其中，步骤（6）刻蚀深度为Ni-Cr合金薄膜5厚度，步骤（9）制作的通孔13直径与陶瓷插塞10极针7直径相同。

制作好金属薄膜桥点火器后，将极针7插入通孔13中并通过焊接点8焊接于电极薄膜6上，然后将点火器通过极针7插在陶瓷插塞10上，在陶瓷插塞10与金属薄膜桥点火器底面之间填有环氧树脂胶黏剂9，在陶瓷插塞10上安装管壳12，在管壳12内腔中填塞药剂11，如此，完成金属薄膜桥点火器的安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

a) 本发明采用成熟的工艺技术和材料，在基片表面制备了金属薄膜桥点火器，通过选择热导率更小的基片材料、过渡层材料和热隔离材料，实现了金属薄膜桥焦耳热的更少散失，使得金属薄膜桥产生的焦耳热更多的用于加热药剂，从而提高了能量利用效率，有效降低了金属薄膜桥的工作能量和点火时间；

b) 本发明的Ni-Cr合金薄膜桥点火器发火电压低于4V，发火能量约为80微焦，发火时间小于50μs，实现低能量下的快速发火；

c) 本发明通过在金属薄膜桥电极区制作通孔，可以实现陶瓷插塞极针与薄膜桥电极区的无线引连接，加工技术简单可靠，大大提高了点火器工作的可靠性水平；

d) 本发明利用微机械加工技术可以在一片基片上同时制造数百上千个Ni-Cr合金薄膜桥，提高加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。

附图说明

图1是本发明金属薄膜桥点火器的俯视图；

图2是图1的剖面图；

图3是本发明金属薄膜桥点火器插于陶瓷插塞上的结构示意图；

图4是本发明金属薄膜桥点火器完成安装后的结构示意图。

图中：1、金属薄膜桥点火器；2、基片；3、过渡层薄膜；4、热隔离膜；5、金属电阻薄膜；6、电极薄膜；7、极针；8、焊接点；9、环氧树脂胶黏剂；10、陶瓷插塞；11、药剂；12、管壳；13、通孔。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图4，所述金属薄膜桥点火器1包括基片2，设于基片2上的过渡层3，设于过渡层3上的热隔离膜4，设于热隔离膜4上的金属电阻膜5，设于电阻膜5上的电极薄膜6，设于电极薄膜6上的通孔13。

其中，所述基片2材料为聚酰亚胺，直径为100mm～400mm，厚度30μm～200μm；所述过渡层3材料为Ta₂O₅，厚度为0.05μm～0.1μm；所述热隔离膜4材料为SiO₂，厚度为0.1μm～1μm，所述金属电阻膜材料为Ni-Cr(8:2)合金，厚度为0.2μm～4μm，所述电极薄膜6材料为Au，厚度为0.05μm～0.1μm。

实施例2

所述金属薄膜桥点火器制备方法包括以下步骤：

（1）对直径为100mm～400mm、厚度30μm～200μm的聚酰亚胺基片进行清洗，去除基片的油污及杂质玷污等；

（2）将基片装入夹具，放入镀膜系统行星架上，通过离子束溅射沉积的方式（PVD）在基片表面沉积厚度为0.05μm～0.1μm的Ta₂O₅过渡层薄膜；

（3）以离子束溅射沉积的方式在Ta₂O₅过渡层薄膜表面淀积厚度为0.1μm～1μm的SiO₂热隔离膜；

（4）再通过离子束溅射沉积的方式在SiO₂热隔离膜表面制备厚度为0.2μm～4μm的Ni-Cr合金薄膜；

（6）将基片装入夹具，放入离子束刻蚀机的行星架上，通过离子束干法刻蚀技术完成Ni-Cr合金薄膜桥区的刻蚀加工，刻蚀深度为Ni-Cr合金薄膜厚度；

（8）通过离子束溅射沉积的方式制备厚度为0.05μm～0.1μm 的Au薄膜，然后剥离步骤（7）中所述的光刻胶掩膜层，清洗，形成电极区；

（9）通过激光打孔机完成Ni-Cr合金薄膜桥电极区直径为0.2mm～1mm通孔的制作；

（10）通过激光切割机完成Ni-Cr合金薄膜桥的裁剪和切割。

其中，步骤（9）制作的通孔13直径与陶瓷插塞10极针7直径相同。

实施例所述的Ni-Cr合金薄膜桥点火器发火电压低于4V，发火能量约为80微焦，发火时间小于50μs。换句话说，本发明的点火器可在8×10^-5J这样非常低的能量下可靠、迅速发火。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种金属薄膜桥点火器，其特征在于，所述金属薄膜桥点火器（1）包括基片（2），设于基片（2）上的过渡膜（3），设于过渡层薄膜（3）上的热隔离膜（4），设于热隔离膜（4）上的金属电阻膜（5），设于金属电阻膜（5）上的电极薄膜（6），设于电极薄膜（6）上的通孔（13）；所述基片（2）材料为聚酰亚胺；所述过渡层薄膜（3）材料为Ta₂O₅；所述热隔离膜（4）材料为SiO₂。

2.如权利要求1所述的金属薄膜桥点火器，其特征在于，所述基片（2）直径为100mm～400mm，厚度为30μm～200μm；所述过渡层薄膜（3）厚度为0.05μm～0.1μm；所述热隔离膜（4）厚度为0.1μm～1μm；所述金属电阻膜厚（5）度为0.2μm～4μm；所述电极薄膜（6）厚度为0.05μm～0.1μm。

3.如权利要求1所述的金属薄膜桥点火器，其特征在于，所述金属电阻膜（5）材料为Ni-Cr合金、Ta₂N、Cr、Pt、W中的一种。

4.如权利要求1所述的金属薄膜桥点火器，其特征在于，所述金属电阻膜（5）材料为Ni-Cr合金。

5.如权利要求1所述的金属薄膜桥点火器，其特征在于，所述电极薄膜（6）材料为Au。

6.一种如权利要求1～5之一所述金属薄膜桥点火器的制备方法，包括如下步骤：

（1）清洗聚酰亚胺基片；

（2）将基片装入夹具，放入镀膜系统行星架上，通过物理气相淀积的方式在基片表面沉积Ta₂O₅过渡层薄膜；

（3）通过物理气相淀积技术在Ta₂O₅过渡层薄膜表面淀积SiO₂热隔离膜；

（4）再以物理气相淀积的方式在SiO₂热隔离膜表面制备Ni-Cr合金薄膜；

（9）以机械打孔方式在电极区制作通孔；

（10）裁剪划片形成Ni-Cr合金薄膜桥。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（6）中刻蚀的深度为Ni-Cr合金薄膜厚度。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（9）所述通孔（13）的直径等于陶瓷插塞（10）极针（7）的直径。