CN104776759B - SCB集成Al/MxOy纳米含能复合薄膜的电爆换能元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，由下向上依次包括Si基底、SiO₂绝缘层、N型重掺杂多晶硅桥、金属焊盘、Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜，Si基底的上表面有SiO₂绝缘层，SiO₂绝缘层上表面沉积生长一层N型重掺杂多晶硅层，N型重掺杂多晶硅层的中间部分刻蚀形成N型重掺杂多晶硅桥，N型重掺杂多晶硅桥两侧的N型重掺杂多晶硅层上表面均设置金属焊盘，N型重掺杂多晶硅桥的桥区上方覆盖Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜，所述Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜的底层为M_xO_y薄膜，M_xO_y薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且M_xO_y薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。本发明提高了电爆换能元的安全性和点火能力，电爆换能元的MEMS制作工艺提高了与火工品其他部件的集成度。

Description

SCB集成Al/MxOy纳米含能复合薄膜的电爆换能元

技术领域

本发明涉及电火工品的基础部件技术领域，特别是一种SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元。

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Q＝0.24I²Rt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。

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，并且在装药时经常和药剂间留有缝隙，发火可靠性有待进一步提高。

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换能元，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安全性高、点火能力强的SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，由下向上依次包括Si基底、SiO₂绝缘层、N型重掺杂多晶硅桥、金属焊盘、Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜，所述Si基底的上表面有SiO₂绝缘层，SiO₂绝缘层上表面沉积生长一层N型重掺杂多晶硅层，N型重掺杂多晶硅层的中间部分刻蚀形成N型重掺杂多晶硅桥，N型重掺杂多晶硅桥两侧的N型重掺杂多晶硅层上表面均设置金属焊盘，N型重掺杂多晶硅桥的桥区上方覆盖Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜，所述Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜的底层为M_xO_y薄膜，M_xO_y薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且M_xO_y薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)使用SCB作为初级换能元提高了电爆换能元的安全性，可耐受1A1W5min不发火；(2)调制周期在100nm的纳米复合薄膜具有放热量高、反应速率快等特点，可提高换能元的点火能力；(3)电爆换能元的MEMS制作工艺提高了与火工品其他部件的集成度。

附图说明

图1是SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元的结构图，其中(a)是俯视图，(b)是主视图。

图2是刻蚀出预定形状的半导体桥结构图，其中(a)是俯视图，(b)是主视图。

图3是带有金焊盘的SCB图，其中(a)是俯视图，(b)是主视图。

图4是自动控制磁控溅射镀膜仪示意图。

图5是封装于陶瓷塞的电爆换能元结构图，其中(a)是俯视图，(b)是主视图。

图6是微型点火阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元的基本结构如图1所示，由下向上依次包括Si基底1、SiO₂绝缘层2、N型重掺杂多晶硅桥3、金属焊盘4、Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜5，所述Si基底1的上表面有SiO₂绝缘层2，SiO₂绝缘层2上表面沉积生长一层N型重掺杂多晶硅层，N型重掺杂多晶硅层的中间部分刻蚀形成N型重掺杂多晶硅桥3，N型重掺杂多晶硅桥3两侧的N型重掺杂多晶硅层上表面均设置金属 焊盘4，N型重掺杂多晶硅桥3的桥区上方覆盖Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜5，所述Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜5的底层为M_xO_y薄膜，M_xO_y薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且M_xO_y薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

优选地，所述N型重掺杂多晶硅桥3桥区的形状为正方形、长方形或V字形。

优选地，所述金属焊盘4的材料为Au、Al、Pt、Ti或Cu。

优选地，所述Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜5中Al/M_xO_y为Al/CuO、Al/MoO₃或Al/Fe₂O₃。所述Al/CuO纳米复合薄膜的调制周期是80nm，其中Al薄膜的厚度是26nm，CuO薄膜的厚度是54nm；Al/MoO₃纳米复合薄膜的调制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，MoO₃薄膜的厚度是45nm；Al/Fe₂O₃纳米复合薄膜的调制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，Fe₂O₃薄膜的厚度是45nm。

本发明内容主要包括以下三个方面：

1.使用SCB作为初级换能元提高了换能元的可靠性。

SCB使用微电子技术制造，用半导体桥膜做发火元件，它具有发火能量低、作用时间短等优越性能，是现代火工品的典型代表。焊盘和半导体桥膜与底层硅基底接触紧密，如图1。硅具有良好的散热性，且硅基底体积较发火层体积大很多，当有外界能量持续注入到换能元区时，产生的热量可及时通过底层硅基底导走，防止桥区因热积累而意外发火，提高了换能元的安全性。将换能元封装于陶瓷塞，可通过1A1W5min不发火的钝感实验。

2.调制周期在100nm的纳米复合薄膜具有放热量高、反应速率快等特点，可提高换能元的点火能力。

先在SCB表面使用磁控溅射工艺溅射一层厚度在100nm以下的M_xO_y薄膜作为绝缘层，防止复合薄膜对SCB发火产生影响，之后交替溅射Al和M_xO_y纳米含能复合薄膜。Al和M_xO_y纳米含能复合薄膜在加热时能激烈地发生氧化还原反应，并放出大量的热，Al和CuO的理论放热量是4067J/g，Al和MoO₃的理论放热量是4703J/g，Al和Fe₂O₃的理论放热量是3956J/g。本发明利用程序自动控制磁控溅射仪制备出了Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜，并通过DSC实验测定了调制周期接近理论化学计量比时的放热量。Al/CuO纳米复合薄膜的调制周期是80nm，其中Al薄膜的厚度是26nm，CuO薄膜的厚度是54nm，放热量是2181J/g；Al/MoO₃纳米复合薄膜的调制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，MoO₃薄膜的厚度是45nm，放热量是3198J/g；Al/Fe₂O₃纳米复合薄 膜的调制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，Fe₂O₃薄膜的厚度是45nm，放热量是1680J/g。换能元通电时，瞬间大电流通过SCB产生焦耳热，使多晶硅桥区融化并电离产生高温等离子体，当达到一定温度时，点燃覆盖于SCB之上的Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜，纳米复合薄膜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，SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元不仅产生了焦耳热，而且还释放出化学反应热，提高了换能元的点火能力。

3.SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元的MEMS制作工艺提高了与火工品其他部件的集成度。

使用标准的半导体桥制备工艺技术在硅片上制备出呈阵列分布的SCB：将硅基片上沉积生长一层厚度约为2μm的N型重掺杂多晶硅层，经氧化、光刻、掩膜、洗蚀工序形成预定形状的半导体桥，在桥上沉积一层厚度1μm的金层，再经过光刻、掩膜、洗蚀工序形成具有金焊盘的半导体桥；使用正性反转光刻胶(AZ5200)，利用紫外光刻反转剥离工艺在每个SCB桥区制备出1mm×1mm镂空图形用于溅射纳米复合薄膜，使用程序自动控制磁控溅射镀膜仪交替溅射Al/氧化物纳米复合薄膜，最后经去胶、划片、焊丝、封装等工艺制备出单个成品。也可以将制备完成的SCB圆片经划片、焊丝、封装于陶瓷塞后再使用程序自动控制磁控溅射镀膜仪在单个SCB上直接交替溅射沉积Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜。

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，因此和MEMS火工品系统具有很好的相容性。

实施例1

本实施例提供SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元制备过程：

将硅基片上沉积生长一层厚度约为2μm的N型重掺杂多晶硅层，经氧化、光刻、掩膜、洗蚀工序形成预定形状的半导体桥，桥区尺寸为长80μm，宽380μm，厚2μm，V型夹角为90°，如图2，Si基底1厚度为500μm，SiO₂绝缘层2厚度为2μm，N型重掺杂多晶硅桥3厚度为2μm。

在已经刻蚀出预定形状的半导体桥上沉积一层厚度1μm的金层，再经过光刻、掩膜、洗蚀工序形成具有金焊盘的半导体桥，如图3。

Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜制备工过程为：用丙酮和去离子水超声清洗带有SCB阵列的基片15min，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，加正方形复合薄膜的掩膜后进行初次曝光和反转曝光，显影后在每个SCB桥区中央形成1000μm×1000μm的正方形倒台型轮廓，之后向显影完成的带有SCB的基片上溅射纳米复合薄膜。使用自主设计的自动控制磁控溅射镀膜仪，同时起辉对称方向的两个靶头，由程序自动控制基片在双靶之间来回循环，实现纳米含能薄膜的高效制备，如图4所示，自动控制磁控溅射镀膜仪包括真空室6、磁控溅射靶7、Al靶材8、CuO或MoO₃或Fe₂O₃靶材9、换能元样品10、程序控制电动旋转承片台11、挡板12、水冷13。

将镀好纳米复合薄膜的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，烘干后即得到电爆换能元芯片，其结构示意图如图1所示，其中，硅片厚度为500μm；SiO₂厚度为2μm；n型掺杂多晶硅厚度为2μm；Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜厚度可根据需要确定，纳米复合薄膜最底层须为一定厚度的氧化物层，此氧化物层可起到绝缘层的作用，防止纳米复合薄膜对SCB发火产生影响。

覆有纳米复合薄膜的SCB基片经划片、焊丝、封装在陶瓷塞14中，制备成单个成品换能元，如图5所示，为确保焊丝可靠导通，在焊丝上覆盖导电银浆17，外接输入源通过第一脚线15和第二脚线16激发换能元实现换能电爆。

该电爆换能元可应用于电火工品的单点点火，也可与火工品其他部件集成，实现点火、传火、传爆功能。

实施例2

本实施例提供SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元的点火阵列应用：

阵列全部是由微细加工工艺制作而成，可以以实施例1所述的单个换能元为基础，制作微型点火阵列。点火阵列的结构如图6所示。

图6中黑色的部分为换能元，组成了6×6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点火单元的独立发火。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50μm。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SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，其特征在于，由下向上依次包括Si基底(1)、SiO₂绝缘层(2)、N型重掺杂多晶硅桥(3)、金属焊盘(4)、Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜(5)，所述Si基底(1)的上表面有SiO₂绝缘层(2)，SiO₂绝缘层(2)上表面沉积生长一层N型重掺杂多晶硅层，N型重掺杂多晶硅层的中间部分刻蚀形成N型重掺杂多晶硅桥(3)，N型重掺杂多晶硅桥(3)两侧的N型重掺杂多晶硅层上表面均设置金属焊盘(4)，N型重掺杂多晶硅桥(3)的桥区上方覆盖Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜(5)，所述Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜(5)的底层为M_xO_y薄膜，M_xO_y薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且M_xO_y薄膜和Al薄膜的厚度均为纳米级。

2.根据权利要求1所述的SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，其特征在于，所述N型重掺杂多晶硅桥(3)桥区的形状为正方形、长方形或V字形。

3.根据权利要求1所述的SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，其特征在于，所述金属焊盘(4)的材料为Au、Al、Pt、Ti或Cu。

4.根据权利要求1所述的SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，其特征在于，所述Al/M_xO_y氧化物纳米复合薄膜(5)中Al/M_xO_y为Al/CuO、Al/MoO₃或Al/Fe₂O₃。

5.根据权利要求4所述的SCB集成Al/M_xO_y纳米含能复合薄膜的电爆换能元，其特征在于，所述Al/CuO纳米复合薄膜的调制周期是80nm，其中Al薄膜的厚度是26nm，CuO薄膜的厚度是54nm；Al/MoO₃纳米复合薄膜的调制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，MoO₃薄膜的厚度是45nm；Al/Fe₂O₃纳米复合薄膜的调制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，Fe₂O₃薄膜的厚度是45nm。