CN104692318B

CN104692318B - 复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜mems点火器及其制备方法

Info

Publication number: CN104692318B
Application number: CN201510134205.3A
Authority: CN
Inventors: 穆继亮; 陈晓勇; 熊继军; 丑修建; 安坤; 李惠琴
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: CN104692318A

Abstract

本发明公开了一种复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器及其制备方法，该点火器自下而上依次包括SiO₂底层、腔层、防漏SiO₂层、二次辐射层、绝缘SiO₂层、下电极Au层、CuO层、Al层和上电极Au层。SiO₂底层、腔层、防漏SiO₂层和二次辐射层构成类黑体聚能结构；腔层中腔的结构为中空锥形以汇聚能量、减少器件整体热容和使二次辐射层悬浮起来。CuO层和Al层构成含能金属桥膜。本发明增加类黑体聚能结构后，减少了含能金属桥膜MEMS点火器的热耗散，提高了点火输出；也缩短了热积累时间，从而减少点火延迟时间，提高了点火瞬发性；另外微加工实现容易，利于其集成。

Description

复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器及其制备方法

技术领域

本发明涉及电火工品的基础部件领域，具体涉及一种复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器及其制备方法。

背景技术

电火工品是将电能转换为引发含能材料燃烧、爆炸和做功起始能量的装置，在爆破工程、灵巧弹药、小口径武器、微纳卫星姿态调控和汽车安全气囊等领域广泛应用，其微纳化制造并一体化集成是现代装备制造领域中轻量化、小型化、灵巧化不可回避的任务。MEMS点火器既兼有MEMS小尺寸、可大规模制造、低成本、高功能集成的优势，又可极大减少火工品中敏感点火药剂用量，进而降低制造火工品的危险和对环境的污染，因此是发火火工品工业开发、科学研究的热点之一。

金属基含能材料包括超级铝热剂如Al/CuO体系、亚稳合金如Al/Ni体系、亚稳金属与非金属复合体系如Mg/聚四氟乙烯等，以金属基含能材料为含能材料制备的含能金属桥膜MEMS点火器是目前应用最广泛的电点火火工品之一。原因在于：

(1)含能金属各组成成分的微加工工艺成熟，且与当前微器件制造工艺具有良好的兼容性；

(2)含能金属桥膜威力大，某些体系能量输出密度可达高级炸药两倍，因此无需再加装火工药剂扩大点火能量，可实现无装药点火；

(3)喷射长距离火焰可实现非接触点火，避免火工药剂与电热元件紧密接触难保证问题；

(4)另外含能金属含能材料无最小起爆量限制，理论上可以制备远小于传统火工药剂的微型点火器。

然而MEMS点火器因为微纳器件的表面积/体积比大，一直存在向环境大量耗散能量问题，进而导致点火输出不足，点火可靠性受到严重影响，为此提升点火输出成为含能金属桥膜MEMS点火器的主要改进方向。法国Taton等人的采用绝热性更好的聚对苯二甲酸乙二酯塑料做绝热封装材料，使点火器输出能量提高了40倍。然而热障封装存在如下不足：热障封装材料吸收热能后再辐射出去难、慢，甚至不辐射出去，不利于点火器瞬时高效利用以保证快速点火；热障材料多为陶瓷、聚合物，其微加工困难、将极大增加微集成难度；同时热障材料由于导热差，容易受热不均匀，接近半导体桥面温度很高而远离面低，两者温差大，容易造成热障材料中巨大热应力而破裂；热障材料与半导体桥层材质不一致，存在热传导界面热容，热障材料屏蔽的热传递给半导体桥层有障碍，以上说明热障材料降低点火器机械可靠性，因此需要新的降耗方式和思路。

近年来，MEMS红外光源中使用自吸热聚能的类黑体结构吸收红外辐射层的背向辐射，减少光源向环境的热散失，提高了能量利用率；类黑体结构聚能技术可以与红外辐射层一体加工，吸热效率高，在光源领域、太阳能领域广泛应用。然而迄今为止，尚未见到将该技术用于含能金属桥膜MEMS点火器的报道。

发明内容

为解决MEMS点火器上述点火输出低问题，本发明提供了一种复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器，自下而上依次包括SiO₂底层、腔层、防漏SiO₂层、二次辐射层、绝缘SiO₂层、下电极Au层、CuO层、Al层和上电极Au层；SiO₂底层、腔层、防漏SiO₂层、二次辐射层构成类黑体聚能结构；腔层由半导体硅构成，腔层中腔的结构为中空锥形以汇聚能量，同时可减少点火器整体热容和使二次辐射层悬浮起来。SiO₂底层是为保护所述点火器不受空气中氧气氧化；防漏SiO₂层是防止腔层开中空锥形时开通到腔层上面的层去；二次辐射层是辅助腔层吸收后述含能金属桥膜向环境辐射的能量，同时把两者吸收的能量辐射出去，即所谓二次辐射；CuO层、Al层构成含能金属桥膜。

其中，含能金属桥膜也可以是Fe2O3和Al等铝热剂构成，也可以是Al和Ni等亚稳金属间化合物构成，也可以是PTFE和Al等非金属/金属含能体系构成。

其中，所述CuO层、Al层为多层交替设置。

其中，所述含能金属桥膜的形状为矩形或者异形中的一种。

其中，所述二次辐射层由p型掺杂单晶硅实现，p型掺杂方式为扩散掺硼或离子注入掺硼中的一种。

其中，所述下电极Au层和上电极Au层可以替换为金/银/铝或者合金。

为解决上述问题，本发明实施例还提供了一种复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将SOI材料依次用稀硫酸溶液110～130℃清洗15～25min，氨水70～80℃清洗10～20min，超声浴中分别使用丙酮、乙醇和去离子水清洗5～15min后，吹干放入110～130℃烘箱中烘0.5～1.5h以上，备用；

S2、通过硅材料标准减薄工艺将清洗干净的SOI材料的单晶硅层进行减薄，使该单晶硅层厚度达到1～3um；

S3、将减薄的SOI材料送入高温扩散炉内，1000～1100℃下进行硼原子扩散，硼原子从固态源中转移到扩散炉内，再扩散进入SOI材料的单晶硅层，持续250～350min；炉温升至1120～1170℃，持续400～500min，使扩散进入单晶硅层中的硼发生再分布，形成二次辐射层；

S4、在二次辐射层上采用低温淀积二氧化硅工艺淀积一层厚度为1～3μm的二氧化硅膜，形成绝缘SiO₂层，同时在腔层背面上也采用低温淀积二氧化硅工艺淀积一层厚度为1～3μm的二氧化硅膜；

S5、采用标准光刻工艺刻蚀腔层背面上的二氧化硅膜成SiO₂底层，以SiO₂底层的中空孔为刻蚀窗口，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀SOI的硅衬底层，在所述硅衬底层中制备中空锥形腔，得点火器的腔层；

S6、采用纳米团簇沉积系统在绝缘SiO₂层上直流溅射下电极Au层，设定转速为20～30r/min，溅射时间为20～40min；

S7、采用纳米团簇沉积系统在下电极Au层上磁控溅射CuO层，设定转速为20～30r/min，时间为90～120min；每30min停机10～12min；

S8、采用纳米团簇沉积系统在CuO层上直流溅射Al层(8)，设定转速为20～30r/min，时间为50～90min；每30min停机10～12min；

S9、采用纳米团簇沉积系统在Al层上直流溅射上电极Au层，设定转速为20～30r/min，时间为20～40min，得成品。

其中，所述步骤S5中刻蚀工艺的条件为：选用SF₆作为刻蚀气体，刻蚀速率为1.9～2.4μm/min，刻蚀时间为180～210min。

其中，所述步骤S4中低温淀积二氧化硅工艺的条件为：采用硅烷SiH4和氧为源，反应温度取380～420℃之间。

其中，所述步骤S1中的SOI材料从下到上依次为硅衬底层、二氧化硅层和单晶硅层。

本发明具有以下有益效果：

1、类黑体聚能结构吸收含能金属桥膜热辐射而自加热，类黑体聚能结构温度升高，变成辐射源，再转而向含能金属桥膜辐射热量起到聚能作用。因此，类黑体聚能结构减少了含能金属桥膜MEMS点火器的热散失，提高了能量利用率和总体点火输出，这有利于提高含能金属桥膜MEMS点火器的点火能力和可靠性。类黑体聚能结构由硅基腔体和经浓硼扩散掺杂单晶硅层等制得，单晶硅的能级分布将发生改变，某些特定的能级分布状态将有利于单晶硅从环境高效、宽频率的吸收热辐射，使该层材料变成高效、宽频吸热聚能材料，这是半导体工业中制备MEMS红外光源、进行太阳能采集的通用方法。硅腔加工和半导体硅的浓硼掺杂工艺是成熟且常用的微电子工业工艺，简单易实现。同时微电子工业亦积累了丰富的掺杂浓度控制理论和技术，对硅中硼浓度控制工艺也极为成熟，因此可以采用这些理论和技术得到合适的掺杂浓度进而获得所需硅能级分布。

2、本发明增加类黑体聚能结构后，因为含能金属桥膜MEMS点火器热散失的减少有利于含能金属桥膜热累积速率加快，缩短热积累时间，进而到达含能金属桥膜反应时间也相应缩短，从而减少含能金属桥膜MEMS点火器点火延迟时间，提高了其点火瞬发性。

3、类黑体聚能结构可以做的很小，故对含能金属桥膜MEMS点火器微小型化影响不大；类黑体聚能结构主要是以硅、SiO₂等材料构成，是半导体加工常见的材料和结构，因此微加工实现容易，也利于其集成。

附图说明

图1为本发明实施例点火器的纵剖立体示意图

图2为图1的剖面图。

图3为本发明实施例点火器的含能金属桥膜示意图。

图4为本发明实施例点火器的类黑体聚能结构的示意图。

图5为本发明实施例点火器的防漏SiO₂层和绝缘SiO₂层的示意图。

图6为本发明实施例点火器的SiO₂底层的示意图。

图7为本发明实施例点火器的下电极Au层的示意图。

图8为本发明实施例点火器的上电极Au层的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-8所示，本发明实施例提供了一种复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器，自下而上依次包括SiO₂底层1、腔层2、防漏SiO₂层3、二次辐射层4、绝缘SiO₂层5、下电极Au层6、CuO层7、Al层8和上电极Au层9。SiO₂底层1、腔层2、防漏SiO₂层3、二次辐射层4构成类黑体聚能结构；腔层(2)由半导体硅构成，腔层中腔的结构为中空锥形以汇聚能量，同时可减少点火器整体热容和使二次辐射层悬浮起来。SiO₂底层1是为保护所述点火器不受空气中氧气氧化；防漏SiO₂层3是防止腔层2开中空锥形时开通到腔层2上面的层去；二次辐射层4是辅助腔层2吸收后述含能金属桥膜向环境辐射的能量，同时把两者吸收的能量辐射出去，即所谓二次辐射；CuO层7、Al层8构成含能金属桥膜，其中，含能金属桥膜也可以是Fe2O3和Al等铝热剂构成，也可以是Al和Ni等亚稳金属间化合物构成，也可以是PTFE和Al等非金属/金属含能体系构成。为了提高点火输出总能量，所述CuO层7、Al层8为多层交替设置。所述二次辐射层4由掺杂单晶硅制得，掺杂方式为扩散掺硼或离子注入掺硼。

本具体实施的工作原理为：工作时，电能经电极传递给含能金属桥膜(NRM)层，NRM层吸收热能并累积，当热能累积到NRM反应温度时，NRM反应并迅速燃烧、释放能量而引发后续导爆药、传爆药等的反应，完成点火功能。在电能转化为热能、热能传递给NRM层、NRM反应放热等过程中，总是伴随能量向环境耗散，这将减弱点火器的总点火输出。通过复合类黑体聚能结构，类黑体聚能结构将尽可能的吸收这些向环境中耗散的能量。黑体是能吸收外来任何辐射的理想化模型。基尔霍夫辐射定律指出黑体结构吸收能量的同时也向外辐射等值的能量以保持能量的动态平衡，此说明黑体结构能把吸收的能量辐射出去以再利用。类黑体结构是人类依据黑体理论制备的实际结构，其性质与黑体极为相似，因此类黑体结构也将尽可能吸收点火器向环境耗散的能量并再向外出射，形成二次辐射源，降低点火器损耗，提高点火输出，此现象称为类黑体结构的聚能作用。本发明的类黑体结构是由硅腔结构实现，类黑体结构所聚集的能量通过类黑体结构中的二次辐射层进行出射。

本具体实施采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD、紫外曝光等微制造加工技术完成制作；可以直接以市售SOI绝缘体上硅材料结合含能金属CuO层、Al为主要材料。SOI材料自下而上由硅衬底层、二氧化硅层和单晶硅层组成。

实施例

以稀硫酸溶液120℃下清洗20min、氨水75℃下清洗15min，然后在在超声浴中分别使用丙酮、乙醇和去离子水对SOI材料进行清洗10min，清洗SOI材料上的残留金属杂质、有机杂质等，清洗步骤完成后在空气中吹干放入120℃烘箱中烘1h以上，备用；然后通过硅材料标准减薄工艺对SOI材料的单晶硅层进行减薄，使该单晶硅层厚度达到所需的1～3um；然后将减薄的SOI材料送入高温扩散炉，炉温为1050℃，硼原子从固态源中转移到扩散炉内，再扩散进入SOI材料的单晶硅层，持续300min；然后炉温升至1150℃，持续450min，使扩散进入SOI材料单晶硅层中的硼发生再分布，此时硼离子扩散至整个单晶硅层，以此单晶硅层为二次辐射层4；接着在二次辐射层4上采用低温淀积二氧化硅工艺(硅烷SiH₄和氧为源，反应温度取400℃)淀积一层约2μm的二氧化硅膜，即绝缘SiO₂层5，用于与后述含能金属桥膜结构的隔热和绝缘，同样，腔层的下表面也淀积一层二氧化硅；然后湿法腐蚀该层二氧化硅，即SiO₂底层1；接着选用SF₆作为刻蚀气体，刻蚀速率为2.10μm/min，刻蚀时间为205min，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀腔层，制备腔层2中的中空锥形，得本发明点火器的腔层2；然后采用纳米团簇沉积系统QPrep400在二次辐射层上表面上的二氧化硅层上直流溅射下电极Au层6，设定转速为20r/min，时间为30min；然后采用纳米团簇沉积系统QPrep400在下电极Au层6上磁控溅射CuO层7，设定转速为20r/min，时间为150min；然后通过纳米团簇沉积系统QPrep400在CuO层7上直流溅射Al层8，设定转速为20r/min，时间为80min；最后采用纳米团簇沉积系统QPrep400在Al层上直流溅射上电极Au层9，设定转速为20r/min，时间为30min。其中，所述下电极Au层6和上电极Au层9可选择的金属为铂、钛、铬、金、铜或铝，形状可为圆形、正方形、长方形或三角形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器，其特征在于，自下而上依次包括SiO₂底层(1)、腔层(2)、防漏SiO₂层(3)、二次辐射层(4)、绝缘SiO₂层(5)、下电极Au层(6)、CuO层(7)、Al层(8)和上电极Au层(9)，SiO₂底层(1)、腔层(2)、防漏SiO₂层(3)、二次辐射层(4)构成类黑体聚能结构；腔层(2)由半导体硅构成，其有中空锥形以汇聚能量；CuO层(7)、Al层(8)构成含能金属桥膜。

2.根据权利要求1所述的复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器，其特征在于，所述CuO层(7)、Al层(8)为多层交替设置。

3.根据权利要求1所述的复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器，其特征在于，所述含能金属桥膜的形状为矩形或者异形中的一种。

4.根据权利要求1所述的复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器，其特征在于，所述二次辐射层(4)由p型掺杂单晶硅实现，p型掺杂方式为扩散掺硼或离子注入掺硼中的一种。

5.复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3、将减薄的SOI材料送入高温扩散炉内，1000～1100℃下进行硼原子扩散，硼原子从固态源中转移到扩散炉内，再扩散进入SOI材料的单晶硅层，持续250～350min；炉温升至1120～1170℃，持续400～500min，使扩散进入单晶硅层中的硼发生再分布，形成二次辐射层(4)；

S4、在二次辐射层(4)上采用低温淀积二氧化硅工艺淀积一层厚度为1～3μm的二氧化硅膜，形成绝缘SiO₂层(5)，同时在腔层背面上也采用低温淀积二氧化硅工艺淀积一层厚度为1～3μm的二氧化硅膜；

S5、采用标准光刻工艺刻蚀腔层背面上的二氧化硅膜成SiO₂底层(1)，以SiO₂底层(1)的中空孔为刻蚀窗口，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀SOI的硅衬底层，在所述硅衬底层中制备中空锥形腔，得点火器的腔层(2)；

S6、采用纳米团簇沉积系统在绝缘SiO₂层(5)上直流溅射下电极Au层(6)，设定转速为20～30r/min，溅射时间为20～40min；

S7、采用纳米团簇沉积系统在下电极Au层(6)上磁控溅射CuO层(7)，设定转速为20～30r/min，时间为90～120min；每30min停机10～12min；

S8、采用纳米团簇沉积系统在CuO层(7)上直流溅射Al层(8)，设定转速为20～30r/min，时间为50～90min；每30min停机10～12min；

S9、采用纳米团簇沉积系统在Al层(8)上直流溅射上电极Au层(9)，设定转速为20～30r/min，时间为20～40min，得成品。

6.根据权利要求5所述的复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中刻蚀工艺的条件为：选用SF₆作为刻蚀气体，刻蚀速率为1.9～2.4μm/min，刻蚀时间为180～210min。

7.根据权利要求5所述的复合类黑体聚能结构的含能金属桥膜MEMS点火器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中低温淀积二氧化硅工艺的条件为：采用硅烷SiH₄和氧为源，反应温度取380～420℃之间。