CN103499251A

CN103499251A - 一种微型不对称陶瓷电极塞

Info

Publication number: CN103499251A
Application number: CN201310468137.5A
Authority: CN
Inventors: 严楠; 王刚; 曾雅琴; 何爱军; 熊振; 刘丽娟; 娄文忠; 焦清介
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: CN103499251B

Abstract

本发明公开了一种微型不对称电极塞。相对于传统结构简单的对称电极塞，该微型不对称电极塞包括陶瓷基体、梯形凹槽和打头脚线等，陶瓷粉末材料经模具成型、烧结、打头脚线钎封等工艺制成电极塞成品，适于装填尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的薄膜式换能元芯片，其特点是在具有传统电极塞的基本功能条件下，还兼有直径和高度尺寸最小化、保持结构强度、电绝缘强度的要求，电极塞与脚线连接力不小于50N，抗静电不小于1.9kV；与半导体桥换能元、含能材料组成的发火组件具有发火能量低、作用时间短、作用一致性好、抗静电和抗射频能力好的特点，适合微机电系统的应用。

Description

一种微型不对称陶瓷电极塞

所属技术领域

本发明专利涉及一种微型电火工品专用电极塞，尤其是能在低发火电压低电能输入条件下可靠发火、体积小型化的微型火工品中使用。

背景技术

微机电系统用发火组件包括换能元、含能材料和电极塞等。电极塞是换能元封装、与外电路连接的结构件，是决定发火组件尺寸和性能的核心元器件，电极塞的作用是兼有结构件、固定换能元、电绝缘、防静电、气密、热沉、反射点火能量等功能。

目前电极塞的种类主要有塑料电极塞、PCB板电极塞、玻璃电极塞和陶瓷电极塞等，塑料电极塞的使用较早，多用于桥丝式电火工品，如刘黛鹏在《电极塞及塞座模具的设计》一文中阐述了电极塞与塞座两种热固性小塑料模具设计的过程和设计中应注意的问题，设计了直径为6.3mm、高为6.2mm的塑料电极塞。代表了传统电极塞的主流产品的材料和尺寸。塑料电极塞由于小型化后结构强度不能满足电火工品结构强度要求，无法用于换能元芯片的安装。玻璃电极塞也多用于桥丝电火工品，中国实用型专利200520100031.0桥丝雷管玻璃电极塞中公布了一种耐高温、耐酸碱、耐油腐蚀的玻璃电极塞，由于不能加工凹槽，也不适用于半导体桥、金属膜桥、可反应式桥等薄膜类换能元芯片装配。传统的桥丝式发火件，虽然能容易达到低发火电能的要求，但却难以达到电磁安全性、发火时间、体积小和结构坚固等要求，需要研究适用于新型低发火电压换能元芯片的微型电极塞。

作为钝感电起爆器、安全电流高的设计考虑，大多数设计者采用高强度陶瓷电极塞，如95或99Al₂O₃陶瓷塞。陶瓷塞具有机械强度高，承受燃烧压力和起爆冲击波压力的耐压性能好，与脚线封装的抗拉强度高，耐电压绝缘强度高等优点；玻璃塞具有发火能量低，制造工艺简便、气密性好、绝缘强度高等优点。陶瓷塞制作成型工艺性好，结构中间可留有一个方形凹槽，将半导体桥芯片用粘接剂固定在凹槽底部，便于芯片安装和抗力学环境加固，然后用超声焊接方式将芯片焊盘与脚线电极用金属线接，使用多根金属线可提高使用可靠性。工业化生产的陶瓷塞直径一般有φ6mm（常规）和φ4.4mm（小型化设计）两种尺寸规格，它们的材料和形状相同，脚线、凹槽布局完全对称，中间留有方形凹槽，可以通过调整陶瓷塞外径和凹形槽尺寸适应了不同尺寸的半导体桥芯片，如对于钝感型薄膜类换能元尺寸长1.5mm×宽2mm×厚1mm，需选择φ6mm陶瓷塞；对于微型薄膜类换能元长0.47mm×宽0.47mm×厚0.7mm，需选择φ4.4mm陶瓷塞。玻璃塞因上无法制造凹槽，而只能将半导体桥芯片固定在玻璃塞的表面上，这使得其装药耐压性变差，因此很少使用这种结构方案。

传统的薄膜类换能元芯片用陶瓷电极塞的形状是对称型三层结构，结构比较简单，但其并不是最大限度节省空间的结构设计。如图1，所设计的陶瓷电极塞尺寸较之现有工业化生产的陶瓷电极塞尺寸有所减小，最小体积为φ2.95×2mm，装配换能元芯片后对应现行的通用电雷管标准[55]系列要求的最小管壳尺寸为3.25mm。这种设计并没有脱离现有的陶瓷塞结构的设计思想，只是传统陶瓷电极塞结构的最小化，再进一步缩小体积已无多余空间。

近年来半导体桥芯片用新发展的微机电系统迫切需要低发火电能和结构尺寸更小的微型电极塞，电极塞直径和高度每减小0.1mm都会给微机电系统体积和结构设计带来显著空间，增加微机电系统功能和强度。目前国内外尚没有现成的陶瓷电极塞结构和尺寸可以直接应用。由于受微机电系统体积的限制，因此要求发火件的体积也必须相应减小、发火电压也低，由此给发火件提出了更加严格的尺寸和性能要求，如换能元芯片尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm，电极塞尺寸尽可能小，最小发火电压不高于5V（10μF），最小发火能量不大于0.125mJ，安全电流不小于150mA（5min），发火时间不大于50μs。有些微机电系统要求电极塞的尺寸更小。这样的尺寸和发火性能的参数组合要求，依靠现有电火工品设计的技术水平无疑是个巨大的挑战。

发明内容

传统桥丝式电极塞和薄膜类换能元用陶瓷电极塞的形状都是对称型的，结构比较简单，但不是最大限度节省空间，如再减小尺寸难以达到电磁安全性、体积小、结构坚固、连接强度高等要求。要想达到微机电系统的技术要求，直接采用文献中现有技术组合是很难实现的，因此只有改进陶瓷电极塞结构和尺寸，以及与半导体桥、含能材料和装填方式等组成的发火件性能的优化方案组合，探索新的设计思想，才能解决上述的技术难点。

根据微机电系统对发火件的技术要求，针对现有电极塞结构和尺寸在结构强度、芯片装配、降低发火电压、减小发火时间、减小发火件尺寸、保持较高的安全电流等参数组合的设计方案中存在的技术难点，本发明专利通过深入细致的理论计算分析和系统全面的实验验证，提供一种微型不对称电极塞，大大减小了电极塞的尺寸，并能保证结构强度以及芯片装配，与半导体桥换能元和电热敏感发火药组成的发火组件能够在最小全发火电压、发火能量、发火时间、安全电流等性能上满足微机电系统对发火件的技术要求。

本发明专利的目的在于提供一种适合于微机电系统的点火、起爆和做功火工品用的电极塞，与半导体桥、电热敏感发火药组成的发火组件在输入电压5V（10μF）低电能条件下能够可靠发火，发火时间不大于20μs，安全电流200mA以上，具有脚线连接力大、低发火电能、作用时间快、体积小、抗静电抗射频能力好等特点。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微型不对称电极塞，它包括陶瓷塞、梯形凹槽、打头脚线，其特征在于：微型不对称陶瓷电极塞直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm（2），其结构上设计有梯形凹槽（3），短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，两根脚线（4，5）直径为0.3～0.4mm，极距为0.6～0.8mm，打头直径为0.45mm，两根脚线（4，5）的中心连线与电极塞（2）中心的距离为0.3～0.5mm，该微型电极塞适于装填外观尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的换能元芯片。在保持结构强度的情况下，电极塞与脚线连接力不小于50N，抗静电不小于1.9kV。

本发明专利与现有技术相比，其显著优点在于：微型不对称电极塞具有结构尺寸更小、并保持现有技术的优点，与半导体桥、电热敏感发火药组成的发火件的发火电压低、作用时间短、安全电流高的特点，结构连接力高、抗静电能力强，能满足微机电系统电性能要求。与传统的对称电极塞和矩形凹槽相比，不对称电极塞直径明显减小，从最小φ2.95mm减小到φ2.2mm，安装换能元芯片方便快捷，与半导体桥换能元、电热敏感发火药组成发火组件可用于替代敏感型桥丝式电火工品的使用场合，而抗静电抗射频能力显著增强；与传统的钝感半导体桥发火件相比，低发火电压低电能输入条件下发火可靠性好、作用迅速，且抗电磁安全性良好。

本发明专利的技术效果是，相对于传统对称结构电极塞和矩形凹槽，通过数值仿真计算和大量的试验验证，采用不对称结构的陶瓷电极和梯形凹槽，可以节省空间设计尺寸，在强度要求相同的条件下可以最大限度的减小电极塞直径尺寸，达到最小直径2.0～2.2mm，同时便于安装尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm半导体桥或金属膜桥换能元芯片；所设计不对称电极塞尺寸适用于国家标准中规定更小的现行φ2.54mm的通用电雷管标准系列管壳上安装，便于微型化和通用化设计。与半导体桥换能元、超细化电热敏感发火药组合的发火组件，实现了低电压可靠点火，又具有较好的抗静电抗射频性能，发火组件的最小全发火电压为3.83V（10μF），发火能量为0.074mJ，安全电流为不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，能够满足微机电系统低电能发火的要求。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明专利作进一步说明。

图1是微型不对称陶瓷电极塞的三维结构示意图。

图2是微型不对称陶瓷电极塞的俯视图。

图3是图2微型不对称陶瓷电极塞A-A剖视图

具体实施方式

结合图1-3，根据陶瓷电极塞的具体尺寸设计加工模具，其中陶瓷电极塞直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm，梯形凹槽的短边长为0.55～0.6mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，两根脚线直径为0.3～0.4mm，极距为0.6～0.8mm，打头直径为0.45mm，两根脚线的中心连线与电极塞中心的距离为0.3～0.5mm。

采用注浆成型法将陶瓷粉料中加入适量的水和少量的电解质形成相对稳定的浆料，将浆料注入金属模中，除去水分，达到成型。好的浆料具有良好的流动性、足够小的粘度、良好的悬浮性、足够的稳定性、干燥后胚体易于与模壁脱落、胚体有足够的强度与尽可能大的密度。陶瓷材料成型后，经过烧结，便可成为陶瓷塞；将可伐合金脚线一端进行打头，然后采用铜锰法金属化钎焊封接脚线与陶瓷塞封接，保证脚线与电极塞连接强度。

通过与半导体桥换能元、电热敏感发火药组成发火组件，采用10μF电容放电进行发火试验，测得该微型半导体桥发火组件的最小全发火电压为3.83V，发火能量为0.074mJ，安全电流为不小于200mA，发火时间为12.6～16.5μs，可以满足微机电系统点火性能要求（5V/10μF，发火能量不大于0.125mJ等）。

Claims

1.一种微型不对称陶瓷电极塞，它包括陶瓷基体、梯形凹槽、打头脚线，其特征在于：微型不对称陶瓷电极塞（1）直径为2.0～2.2mm，高度为1.0～1.2mm，其结构上设计有梯形凹槽（2），短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，两根脚线（3，4）直径为0.3～0.4mm，极距为0.6～0.8mm，打头直径为0.45mm，两根脚线（3，4）的中心连线与电极塞（1）中心的距离为0.3～0.5mm，该微型电极塞适于装填外形尺寸不大于长0.5mm×宽0.5mm×高0.5mm的换能元芯片。

2.根据权利要求1所述的微型不对称陶瓷电极塞，其特征是：保持结构强度的情况下，电极塞与脚线连接力不小于50N，脚壳间抗静电不小于1.9kV。