CN105693442A

CN105693442A - 一种网格状含能薄膜点火桥

Info

Publication number: CN105693442A
Application number: CN201610041660.3A
Authority: CN
Inventors: 蒋洪川; 幸代鹏; 张宇新; 张万里; 邓新武; 蒋书文; 赵晓辉
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: CN105693442B

Abstract

一种网格状含能薄膜点火桥，属于火工品的基础部件领域。所述点火桥包括基底、位于基底之上的电极和点火桥区、位于点火桥区之上的含能薄膜层；其特征在于，所述含能薄膜层为网格状结构，网格的单个格子内填充含能材料A或含能材料B，且填充含能材料A的格子仅与填充含能材料B的格子相接触，填充含能材料B的格子仅与填充含能材料A的格子相接触，含能材料A与含能材料B的接触面垂直于基底。本发明通过改变含能材料间的接触方式，充分利用含能薄膜反应的化学能有效提高点火所需的热能，提高能量的利用率和转换效率，确保点火的可靠性和稳定性。

Description

一种网格状含能薄膜点火桥

技术领域

本发明属于火工品的基础部件领域，特别涉及一种基于网格状含能薄膜的桥式点火器及其制造方法。

背景技术

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、导弹点火系统、火箭发动机点火系统等。桥式火工品是使用最广泛的火工品，它是靠电流通过有一定电阻的微细金属桥丝，电能产生热量，使桥丝升温达到灼热状态，加热桥丝周围的炸药使其爆炸。

随着MEMS工艺技术的发展，薄膜点火桥因具有集成化、小型化、批量化、成本低以及良好一致性等特点而广受关注。薄膜点火桥经历了金属膜桥、半导体膜桥及多层含能膜桥的发展历程，其中，复合含能反应多层薄膜点火桥是国内外薄膜点火桥的研究重点。

复合含能反应多层膜是指两种或两种以上不同的组元材料按一定的厚度(通常满足某个化学反应的计量比)，沿垂直于衬底方向周期性地沉积在点火桥区的薄膜(其结构如图1所示)，该含能反应多层薄膜桥中，单个周期性薄膜厚度可从几纳米变化到几百纳米，总周期数可从几个到上百个，多层膜总厚度可达到几十微米，不同的薄膜周期厚度和总厚度对含能薄膜桥的点火能量输入和总能量输出等性能影响很大。复合含能反应薄膜中通常含有导电的金属薄膜层，主要为化学反应多层膜(如Al/CuO、Al/NiO等)和合金化反应多层膜(如Al/Ni、Al/Ti、Ni/Ti等)，这两种反应多层膜满足：化学反应(如铝热反应)中A+B—＞C+D+能量，合金化反应中A+B—＞C+能量。这两类复合含能反应多层膜在较低的能量输入下即可发生剧烈放热反应，反应过程中伴随着物质的扩散、热量的传递、等离子体的形成等，且反应初期产生的热量足以使该反应以一定的速度自持传播，基于此类复合含能反应多层膜的点火桥所含的能量高、点火输入能量小，输出能量大。但同时存在以下缺陷：其一、复合含能反应多层膜中层与层间容易发生不同组分间的扩散、互渗，甚至预反应，从而在接触面处形成一个界面层，对物质和能量的扩散具有一定阻挡作用，且随着存储时间的增长，界面层厚度增大，导致点火过程中能量(热能)的纵向扩散传递速率变缓，点火延迟时间增大，总输出能量降低；其二，点火时通过点火桥区的电流密度瞬间增大，迅速产生热量并扩散传递，多层膜结构中的界面层更容易发生反应，且该反应会沿着界面层横向传播，形成自持反应，导致反应产生的热能和等离子体不能集中纵向传递、运动，进而冲击点火药或飞片，降低了能量的利用率和转换效率；其三，多层膜结构在制备过程中，需要不断交替制备两种薄膜，沉积工艺复杂，镀膜周期长，随着沉积时间的增长，薄膜厚度增加，热应力聚集，薄膜易发生开裂脱落，且随着薄膜周期数的增加，发生开裂的情况会更加严重。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种网格状含能薄膜点火桥及点火阵列，通过改变含能材料间的接触方式，充分利用含能薄膜反应的化学能有效提高点火所需的热能，提高能量的利用率和转换效率，确保点火的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种网格状含能薄膜点火桥，包括基底、位于基底之上的电极和点火桥区、位于点火桥区之上的含能薄膜层；其特征在于，所述含能薄膜层为网格状结构，网格的单个格子内填充含能材料A或含能材料B，且填充含能材料A的格子仅与填充含能材料B的格子相接触，填充含能材料B的格子仅与填充含能材料A的格子相接触，含能材料A与含能材料B的接触面垂直于基底。

进一步地，所述含能薄膜层中格子的形状为正方形、长方形、菱形、三角形、正六边形等。

进一步地，所述含能薄膜层的厚度为30纳米～30微米。

进一步地，当所述填充含能材料A和填充含能材料B的格子均为正方形时，其边长为10纳米～100纳米。

进一步地，所述含能薄膜层通过光刻图形化和溅射的方法沉积于点火桥区表面。

进一步地，所述含能薄膜层为Al/CuO、Al/NiO、Al/Ni、Al/Ti、Ni/Ti、B/Ti或Al/PTFE等。

进一步地，所述基底为陶瓷基片、单晶硅基片或玻璃基片等；所述电极为Cu、Au、Ag等金属薄膜；所述点火桥区为Pt、Cr等金属薄膜或TaN化合物薄膜。

进一步地，所述电极和点火桥区采用溅射法、蒸镀法等镀膜方法制备得到。

一种网格状含能薄膜点火阵列，包括基底、位于基底之上的电极和点火桥区、位于点火桥区之上的含能薄膜层；其特征在于，所述含能薄膜层为网格状结构，网格的单个格子内填充含能材料A或含能材料B，且填充含能材料A的格子仅与填充含能材料B的格子相接触，填充含能材料B的格子仅与填充含能材料A的格子相接触，含能材料A与含能材料B的接触面垂直于基底；用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干网格状含能薄膜点火桥排列成点火阵列。

进一步地，所述Au金属薄膜或Cu金属薄膜采用光刻图形化、磁控溅射制得。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的网格状结构的含能薄膜层与现有的多层周期性薄膜层叠的含能薄膜层相比，在垂直于基底方向上形成了类似于线接触的界面结构，不会形成现有结构中的界面层；且该结构具有与现有结构相同量级、甚至更大的接触面积(接触面积取决于单一格子的宽度和薄膜的厚度)。

2、在点火时，本发明提供的网格状结构的含能薄膜层中不同的含能材料之间具有较大的接触面积，物质和能量的扩散传播速度加快，输入电流进行加热后，含能材料之间的反应也会迅速进行；当反应沿着薄膜线接触结构纵向扩散传播时，反应产生的热量和等离子体迅速向上传递、运动，进而冲击点火药剂或推动飞片。一方面，这种反应自下而上的纵向传播，使得形成的等离子体相对集中、迅速、能量更高、冲击力更强；另一方面，缩短了点火的延迟时间，减少反应过程中的能量扩散和流失，进而提高反应能量利用率和能量转换效率。

3、本发明提供的网格状结构的含能薄膜层无需进行多次周期性薄膜的制备，简化了制备工艺，降低了生产成本，缩短了制备时间，减小了热应力，降低了薄膜开裂脱落情况的发生。

附图说明

图1为现有的多层含能薄膜点火桥的结构示意图；(a)现有多层含能薄膜点火桥的俯视图，(b)为现有多层含能薄膜点火桥沿A-A’面的剖面图；1为基片，2为电极，3为点火桥区，4为位于点火桥区上的复合含能反应多层膜，5为含能材料A，6为含能材料B；

图2为本发明的网格状含能薄膜点火桥的结构示意图；(a)本发明网格状含能薄膜点火桥的俯视图，(b)为本发明网格状含能薄膜点火桥沿B-B’面的剖面图，(c)为网格状含能薄膜层的俯视图；1为基片，2为电极，3为点火桥区，4为位于点火桥区上的复合含能反应多层膜，5为含能材料A，6为含能材料B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图2所示，为本发明提供的一种网格状含能薄膜点火桥，包括基底1、位于基底之上的电极2和点火桥区3、位于点火桥区3之上且完全覆盖点火桥区的含能薄膜层4；其特征在于，当俯视所述含能薄膜层时，含能薄膜层为网格状结构，如图2(c)所示；网格的单个格子内填充含能材料A或含能材料B，且填充含能材料A的格子周围全部为填充含能材料B的格子，填充含能材料B的格子周围全部为填充含能材料A的格子，含能材料A与含能材料B的接触面垂直于基底。

进一步地，所述含能材料A、含能材料B与含能薄膜层的厚度均相同。

实施例

一种网格状含能薄膜点火桥，包括氧化铝陶瓷基片、位于氧化铝陶瓷基片之上的铜电极和铂点火桥区、位于铂点火桥区之上的含能薄膜层，所述含能薄膜层为Al/PTFE，含能薄膜层的厚度为2μm，所述含能薄膜层为网格状结构，单个格子的形状为正方形，边长均为100纳米。

上述网格状含能薄膜点火桥的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、基片的清洗：选取大小为3英寸的氧化铝陶瓷基片作为所述点火桥的基底；将氧化铝陶瓷基片依次分别在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗10min，干燥；

步骤2、电极的制备：将步骤1清洗干燥后的基片放入磁控溅射腔体中，将背底真空抽到8×10^-4Pa以下，通氩气23sccm，腔体内气压上升至0.45Pa；然后在直流功率源110W的条件下，使Cu靶起辉并预溅射10min，再溅射处理37min至基片上沉积Cu薄膜约2μm厚，得到铜电极；

步骤3、点火桥区的制备：将步骤2得到的带铜电极的基片在100℃加热台上烘5min后涂覆光刻胶(本例采用AZ4000A正型光刻胶，转速3500转甩胶)，甩胶之后在120℃加热台烘2min；然后将光刻掩膜板上的图形正对Cu膜，经12s曝光后100℃热烘1min，显影35s后100℃热烘2min；光刻显影后的基片放入1mol/L的FeCl₃溶液中腐蚀80s，取出，先采用去离子水清洗，再先后用丙酮、酒精、去离子水超声剥离光刻胶，烘干，得到带点火桥区图形的基片；将上步得到的带点火桥区图形的基片放入磁控溅射腔体中，将背底真空抽到8×10^-4Pa以下，通氩气25sccm，在气体气压0.6Pa、直流功率源100W条件下溅射600nm厚的Pt；最后依次分别在丙酮、酒精、去离子水中超声剥离光刻胶，烘干，得到铂点火桥区；

步骤4、含能薄膜层的制备：采用与步骤3相同的光刻工艺，得到需要沉积Al薄膜的图形；然后将图形化后的基片放入磁控溅射腔体中，将背底真空抽到8×10^-4Pa以下，通氩气23sccm，在气体气压0.45Pa、直流功率源110W条件下溅射2μm厚的Al薄膜；取出，分别在丙酮、酒精、去离子水中超声剥离光刻胶，烘干；光刻得到需要沉积PTFE薄膜的图形，图形化后的基片放入磁控溅射腔体中，将背底真空抽到8×10^-4Pa以下，通氩气23sccm，在1.4Pa气压、200W射频功率源输出的条件下，溅射制备2μm厚的PTFE，取出基片，用丙酮、酒精、去离子水超声剥离光刻胶后洗净烘干。

Claims

1.一种网格状含能薄膜点火桥，包括基底、位于基底之上的电极和点火桥区、位于点火桥区之上的含能薄膜层；其特征在于，所述含能薄膜层为网格状结构，网格的单个格子内填充含能材料A或含能材料B，且填充含能材料A的格子仅与填充含能材料B的格子相接触，填充含能材料B的格子仅与填充含能材料A的格子相接触，含能材料A与含能材料B的接触面垂直于基底。

2.根据权利要求1所述的网格状含能薄膜点火桥，其特征在于，所述含能薄膜层中格子的形状为正方形、长方形、菱形、三角形、正六边形。

3.根据权利要求1所述的网格状含能薄膜点火桥，其特征在于，所述含能薄膜层通过光刻图形化和溅射的方法沉积于点火桥区表面。

4.根据权利要求1所述的网格状含能薄膜点火桥，其特征在于，所述含能薄膜层为Al/CuO、Al/NiO、Al/Ni、Al/Ti、Ni/Ti、B/Ti或Al/PTFE。

5.根据权利要求1所述的网格状含能薄膜点火桥，其特征在于，所述基底为陶瓷基片、单晶硅基片或玻璃基片；所述电极为Cu、Au、Ag薄膜；所述点火桥区为Pt、Cr薄膜或TaN化合物薄膜。

6.根据权利要求1所述的网格状含能薄膜点火桥，其特征在于，所述电极和点火桥区采用溅射法、蒸镀法制备得到。

7.一种网格状含能薄膜点火阵列，包括基底、位于基底之上的电极和点火桥区、位于点火桥区之上的含能薄膜层；其特征在于，所述含能薄膜层为网格状结构，网格的单个格子内填充含能材料A或含能材料B，且填充含能材料A的格子仅与填充含能材料B的格子相接触，填充含能材料B的格子仅与填充含能材料A的格子相接触，含能材料A与含能材料B的接触面垂直于基底；用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干网格状含能薄膜点火桥排列成点火阵列。

8.根据权利要求7所述的网格状含能薄膜点火阵列，其特征在于，所述Au金属薄膜或Cu金属薄膜采用光刻图形化、磁控溅射制得。