CN103344150A - 一种肖特基结电爆换能元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肖特基结电爆换能元，所述电爆换能元包括：硅基衬底、SiO2绝缘层、金属铝层、肖特基结桥区层；本发明与现有技术相比，其显著优点在于每一个肖特基结都有一定的击穿电压，通过控制肖特基结的数量实现换能元的激发能量可控；肖特基结具有反向击穿特性，使换能元能够抗杂散电流，具有本质的安全性；Al和CuO能够发生氧化还原反应，实现换能元的输出能量增加。
Description
技术领域
Al/CuO肖特基结电爆换能元是电火工品的基础部件，本发明主要涉及其设计方法、制备方法和以该换能元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新型的Al/CuO肖特基结电爆换能元及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种肖特基结电爆换能元，所述电爆换能元包括：硅基衬底、SiO2绝缘层、金属铝层、肖特基结桥区层；所述的硅基衬底表面设置凹槽，凹槽形状为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；在硅基底上有一层防止漏电流的SiO2绝缘层；在凹槽内放置有与凹槽相互匹配的金属铝层，所述金属铝层分为两块分别放置在凹槽的桥基处；所述的肖特基结桥区层放置在凹槽的桥区处。
所述的肖特基结桥区层由桥区Al层和桥区CuO层组成，所述的桥区Al层为若干中间有空隙的条状结构，所述桥区CuO层由顶面为平面结构，底面为与桥区Al层的条状结构相互配合的若干中间有空隙的条状结构组成。
所述的肖特基结桥区层由桥区Al层和桥区ZnO或桥区MoO组成。
一种肖特基结电爆换能元的制备方法，所述的电爆换能元按以下步骤来制备：
第一步，对硅基衬底进行表面清洗，利用干法刻蚀法在硅基衬底表面刻蚀凹槽，然后在其表面上利用热氧化法生成一层SiO2层；所述的硅基衬底表面向内凹陷形成凹槽，凹槽形状为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；
第二步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在凹槽桥基处沉积金属铝层，在凹槽桥区处沉积桥区Al层，二者相互连接，所述桥区Al层为若干中间有空隙的条状结构；
第三步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在桥区Al层的空隙处沉积桥区CuO层；
第五步，将完成的基片划片、焊丝、点银浆、封装后，制备得到肖特基结电爆换能元。
其中，桥区Al层、桥区CuO层中Al/CuO的量按完全发生化学反应的摩尔比2:3配比。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于每一个肖特基结都有一定的击穿电压，通过控制肖特基结的数量实现换能元的激发能量可控；肖特基结具有反向击穿特性，使换能元能够抗杂散电流，具有本质的安全性；Al和CuO能够发生氧化还原反应，实现换能元的输出能量增加。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1 本发明换能元结构俯视图（3-金属铝层，4-肖特基结桥区层）。
图2 本发明换能元结构A-A截面图（1-硅基衬底， 2-SiO2绝缘层，5-桥区Al层，6-桥区CuO层）。
图3本发明肖特基结电爆换能元制作工艺流程图。
图4本发明封装于陶瓷塞的肖特基结电爆换能元俯视图（7-银浆，8-脚线，9-陶瓷塞）。
图5本发明封装于陶瓷塞的肖特基结电爆换能元B-B截面图。
图6本发明换能元结构中Al/CuO复合薄膜肖特基结及其等效电路示意图。
图7 本发明肖特基结电爆换能元阵列示意图（10-母线，11-引线，12-电爆换能元）。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。
实施例1
一种肖特基结电爆换能元，所述电爆换能元包括硅基衬底1、SiO2绝缘层2、金属铝层3、肖特基结桥区层4；所述的硅基衬底1表面设置凹槽，凹槽形状为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；在硅基底1上有一层防止漏电流的SiO2绝缘层2；在凹槽内放置有与凹槽相互匹配的金属铝层3，所述金属铝层3分为两块分别放置在凹槽的桥基处；所述的肖特基结桥区层4放置在凹槽的桥区处。
所述的肖特基结桥区层4由桥区Al层5和桥区CuO层6组成，所述的桥区Al层5为若干中间有空隙的条状结构，所述桥区CuO层6由顶面为平面结构，底面为与桥区Al层5的条状结构相互配合的若干中间有空隙的条状结构组成。
所述的肖特基结桥区层4还可以由桥区Al层和桥区ZnO或桥区MoO组成。
一种肖特基结电爆换能元的制备方法，所述换能元的制作工艺采用干法刻蚀、磁控溅射、光刻剥离等微细加工技术完成，其制作过程如图3所示：
第一步，选用硅作为基片，利用干法刻蚀的工艺在基片上刻蚀出8μm深的含桥形图案的槽，再利用热生长氧化法在其上生长2微米厚的SiO2绝缘层，SiO2可以减少漏电流的产生。然后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。
第二步，用正性反转光刻胶（AZ5200）在刻好图形槽的基片上涂覆后烘干，加底层金属铝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铝薄膜电极，完成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铝薄膜电极。
第三步，重复以上操作，在换能元桥区上溅射CuO薄膜，即可得到肖特基结构的换能元。其中，可以通过调节Al和CuO形成的肖特基结的数量控制点火桥的激发能量，实现激发能量可控。
第四步，覆有肖特基结电爆换能元的基片经划片后即得到单个的换能元，再将换能元的桥基部分通过焊丝、点银浆7，封装于接有脚线8的陶瓷塞9中，即可得到封装于陶瓷塞中的换能元；如图4、图5所示：通过脚线与外部激发源相连，给脚线输入一定条件的电流使换能元激发，实现点火起爆等功能。
如图6所示，换能元肖特基结桥区由Al/CuO薄膜组成，Al膜和CuO膜在接触界面形成了面接触肖特基结，可以认为桥区两端始终加载的是反向偏压，只有当外界电压超过Al/CuO复合薄膜的反向击穿电压时，Al/CuO复合薄膜才能有大电流通过，因此，肖特基结构的Al/CuO复合薄膜材料在电爆过程中存在发火能量阈值，当电激励能量低于发火能量阈值时，只有微弱的漏电流通过，产生的焦耳热会被基片吸收或被薄膜表面散失，复合薄膜输出能量较小；当复合薄膜实现电击穿即激发能量高于发火阈值时，有大电流通过薄膜产生焦耳热，同时激发Al膜和CuO膜之间的氧化还原反应，释放出化学反应热，实现输出能量倍增。通过控制触发极桥区的面积和Al/CuO复合薄膜形成肖特基结的数量，可以调整激发能量，从而设计出具有抗杂散电流和电磁干扰能力的平面爆炸开关，提高开关的安全可靠性。其中，CuO薄膜材料可以由其它具有半导体性质的金属氧化物ZnO、MoO等替代。
Al/CuO肖特基结电爆换能元全部是由微细加工工艺制作而成，因此可以以单个换能元为基础，制作微型点火阵列。点火阵列的结构如图7所示。
图7中12为Al/CuO肖特基结电爆换能元，组成了4×4个点火单元，通过点火母线（10）、引线（11）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，对换能元的影响较小，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 (5)
1.一种肖特基结电爆换能元，其特征在于，所述电爆换能元包括：硅基衬底（1）、SiO2绝缘层（2）、金属铝层（3）、肖特基结桥区层（4）；所述的硅基衬底（1）表面设置凹槽，所述凹槽形状为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；在硅基底（1）上有一层防止漏电流的SiO2绝缘层（2）；在凹槽内放置有与凹槽相互匹配的金属铝层（3），所述金属铝层（3）分为两块分别放置在凹槽的桥基处；所述的肖特基结桥区层（4）放置在凹槽的桥区处。
2.根据权利要求1所述的肖特基结电爆换能元，其特征在于，所述的肖特基结桥区层（4）由桥区Al层（5）和桥区CuO层（6）组成，所述的桥区Al层（5）为若干中间有空隙的条状结构，所述桥区CuO层（6）由顶面为平面结构，底面为桥区Al层（5）的条状结构相互配合的若干中间有空隙的条状结构组成。
3.根据权利要求1、2所述的肖特基结电爆换能元，其特征在于，所述的肖特基结桥区层（4）由桥区Al层和桥区ZnO或桥区MoO组成。
4.一种肖特基结电爆换能元的制备方法，其特征在于，所述的电爆换能元按以下步骤来制备：
第一步，对硅基衬底进行表面清洗，利用干法刻蚀法在硅基衬底表面刻蚀凹槽，然后在其表面上利用热氧化法生成一层SiO2层；所述凹槽形状为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；
第二步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在凹槽桥基处沉积金属铝层，在凹槽桥区处沉积桥区Al层，二者相互连接，所述桥区Al层为若干中间有空隙的条状结构；
第三步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在桥区Al层的空隙处沉积桥区CuO层；
第五步，将完成的基片划片、焊丝、点银浆、封装后，制备得到肖特基结电爆换能元。
5.根据权利要求4所述的肖特基结电爆换能元的制备方法，其特征在于，桥区Al层、桥区CuO层中Al/CuO的量按完全发生化学反应的摩尔比2:3配比。
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