CN107218852A - 一种集成半导体桥换能元件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种集成半导体桥换能元件。包括两个以上的半导体桥，至少有一个半导体桥用于吸收电磁干扰能量，其他半导体桥用于将输入能量转换为等离子体点火能量；至少有一个半导体桥的电阻值、桥区面积、桥区形状与其他半导体桥不相同；根据点火的位置和时序确定各半导体桥的电阻值、桥区面积、或者桥区形状；各半导体桥之间串联连接、并联连接或者串并联混合连接，可根据点火的位置和时序确定各半导体桥的电阻值、桥区面积、或者桥区形状；在桥区或电极区集成有开路电阻。本发明既提高了安全性，又提高了可靠性，还能够实现多点有序点火。

Description

一种集成半导体桥换能元件

技术领域

本发明属于半导体桥火工品技术领域，具体涉及一种集成半导体桥换能元件。

背景技术

半导体桥火工品以其优良的品质在武器系统及民用爆破器材的点火、起爆系统中得到广泛的应用。同时，随着电磁环境的日趋恶劣，对半导体桥火工品的抗电磁环境的能力要求也越来越高。例如，对于其安全性，一般要求达到1.A.1W.5min不发火的钝感或更高钝感，对于其可靠性，一般要求其可靠度为0.995-0.9999(置信度0.95)。现有的半导体桥芯片已难以在恶劣的电磁环境下抵御外界电磁场能量干扰。另外，目前单个半导体桥芯片也不能直接可靠地点燃钝感的火工药剂。

申请号为201220055188.6的发明专利公开了一种电磁加固半导体桥雷管，该技术中，为了解决电磁干扰的问题提出在现行单个半导体桥火工品装置中增加一温度敏感元件，用来吸收由于电磁能量干扰造成热损伤，从而消除电磁辐射引起的半导体桥芯片热积累损伤，但该技术任然存在其他不足之处。例如，该技术方案需要在半导体桥火工品装置中另外增加温度敏感元件，从而引发工艺复杂、可靠性降低的问题，同时温度敏感元件也会吸收部分半导体桥的点火输入能量，因此会消耗一定的点火能量。

申请号为201210473888.1的专利申请中，公开了一种电火工品用半导体桥换能芯片，该芯片为单个半导体桥结构，将半导体桥芯片的两端的尖角改为圆弧，这样可以大幅度提高了半导体桥抗静电的能力。但该技术方案不能同时解决其他形式的电磁干扰问题，如电磁辐射和杂散电流的干扰，这些干扰会引起的电火工品热量积累造成的损伤。

总之，现有技术方案只能对电磁场的某一项损伤实现加固作用，仅是从某一方面提高半导体桥火工品的安全性，无法在提高安全性的同时兼顾点火的可靠性。例如，上述这些技术方案要么仅仅提高了防静电的能力，要么仅仅提高了对电磁辐射或杂散电流的抗干扰能力，还不能通过一个技术方案来综合解决全部电磁损伤问题。另外，现有技术方案的点火可靠性能也存在不足，传统的半导体桥只有一个桥区，对输入能量的换能利用率较低，只有一个单桥区换能形成有限的等离子作用，不能可靠点燃钝感的火工药剂。

发明内容

本发明提出一种集成半导体桥换能元件，既提高了安全性，又提高了可靠性，还能够实现多点有序点火。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种集成半导体桥换能元件，包括两个以上的半导体桥，至少有一个半导体桥用于吸收电磁干扰能量，其他半导体桥用于将输入能量转换为等离子体点火能量。

进一步，至少有一个半导体桥的电阻值与其他半导体桥的电阻值不相同。

进一步，至少有一个半导体桥的桥区面积与其他半导体桥的桥区面积不相同。

进一步，至少有一个半导体桥的桥区形状与其他半导体桥的桥区形状不相同。

进一步，至少有一个半导体桥的电阻值、桥区面积、桥区形状与其他半导体桥不相同。

进一步，根据点火的位置和时序确定各半导体桥的电阻值、桥区面积、或者桥区形状。

进一步，各半导体桥之间串联连接。

进一步，各半导体桥之间并联连接。

进一步，半导体桥之间串并联混合连接。

进一步，根据点火的位置和时序确定各半导体桥的电阻值、桥区面积、或者桥区形状。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明所述集成半导体桥换能元件，在一颗半导体芯片的平面上，按照点火的时序和位置要求设置了多个点火位置，并在各个点火位置均生长半导体桥，各个半导体桥通过串联、并联或者串并联相结合的方式形成集成半导体桥，各个半导体桥的电阻值、面积的大小以及形状可以相同，也可以不相同。多个半导体桥各自桥区能够共同分担恶劣的电磁环境干扰，从而使得在集成半导体桥中每个单桥上所承担的电磁干扰压力成倍减少。相比于现行单桥设计，本发明使得每个单桥的点火可靠性和安全性参数设计余量更大，形成整体共同抗电磁干扰，因此抗电磁干扰性能更强；

(2)在输入电能的作用下，本发明通过改变或者设置各半导体桥的电阻值、面积的大小以及形状，能够实现不同的发火时序，在各自的点火位置按时按序自行发火。因此，本发明成功地将经典炸药起爆的热点理论应用到半导体桥的点火技术中，并且把炸药作用时随机形成的热点变为能有序控制的热点点火；

(3)本发明集成半导体桥，因为有多个桥区换能，对输入能量的利用率有大幅提高，响应的电压曲线会形成多次非线性振荡，这些振荡特别有利于点燃钝感火工药剂；

(4)本发明集成半导体桥中还可以串联一颗功能为半导体桥作用后的点火电路开路的需求，以此解决半导体桥作用后开路电阻达不到系统的问题；

(5)本发明集成半导体桥不需要增加其它部件，仅通过对模版的设计就能将传统的单桥区桥变为拥有多个桥区的集成桥，从而使半导体桥火工品的可靠性、安全性都得到极大地提高。

附图说明

图1是本发明集成半导体桥串并联电路原理图；

图2是本发明集成半导体桥串并联电路的平面图；

图3是适用于高钝感的集成半导体桥双桥并联电路的平面图；

图4是适用于高钝感的集成半导体桥三桥并联电路的平面图；

图5是钝感火工品的集成半导体桥两颗桥串联电路的平面图；

图6是钝感火工品的集成半导体桥芯片三颗桥串联电路的平面图；

图7是持续点火高钝感集成半导体桥串并联电路的平面图；

图8是点火作用后具有开路电阻功能的集成半导体桥图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明集成半导体桥换能元件的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明的基本思想是在一颗半导体芯片的平面上，设计了多个点火位置生长半导体桥区，这些桥区的电阻值、面积和形状可以相同或不相同形成串并联集成电路，各半导体桥之间的组合可以采用多种不同的方式，例如一字型(多个不同或相同特征的半导体桥并联)、川字型(并联后的半导体桥再串联)等。理论上可以根据不同的需要将N个半导体桥进行串并联组合。

本发明的集成半导体桥对于电磁环境的干扰能量，由一颗芯片上的N半导体桥区来分担吸收，每个半导体桥吸收的电能得到了有效控制，达到了对电磁加固的目的。

本发明的集成半导体芯片平面上并、串联N个电阻桥，当集成桥受到电磁环境干扰时，其电路中每个半导体桥电阻分别分担了电磁干扰的能量，电磁环境干扰的能量由现行的一颗半导体电阻桥吸收，变成为多个桥共同吸收，用这种化整为零设计方案，使每颗桥吸收的电磁干扰能量大约是N分之一。并可以通过半导体桥的体积、形状和电阻值大小的设计，分担到每颗半导体桥芯片的电磁能量完全在它们的能力承担的范围内，也可以理解为集体的力量。这一技术方案能一次性解决了电磁场多个方面的损伤问题，如静电、电磁辐射、杂散电流入侵等电磁干扰。

对于高钝感火工品的要求，可以采用N个桥的串联，其中通过对一单元桥的电阻值大、面积大和形状的设计使其主要的功能是吸收电磁干扰的能量，其他单元桥主要功能是将输入能量转换为等离子体点火能量，使不同单元的桥各自发挥自身的功能来共同满足高钝感火工品的要求。

依据火工药剂的热点理论，炸药作用的作用是首先随机产生N个热点，随后形成爆炸，而集成半导体桥芯片上的热点是完全可以按照有序的点火需求而设置。可以通过设计不同大小体积的桥，实现有序的输出N个发火点，由于有多个热点持续输出，可以有效点燃钝感的火工药剂。

集成半导体桥芯片多点点火的位置是完全可以按照炸药起爆理论的要求而合理有序的设计，因此起爆效率高。现行的半导体桥对输入能量的利用率仅是百分之十几以上，而集成半导体桥对能量的利用率提高到百分之五十以上，输出的发火能量明显增强，可以点燃钝感火工药剂及炸药，集成半导体桥的作用可靠性也就大幅度提高了.

集成半导体桥芯片中的N个桥的优化组合，在N个桥形成并联电路时，吸收电磁环境干扰能量由一颗电阻值小面积大的来桥承担，其它的电阻值大的面积较小的多桥主要的功能是产生等离子体点燃火工药剂，这样的设计方法可以有效解决安全性能要求高，点火可靠的问题。

集成的半导体桥芯片是由微电子加工工艺来实现，因此集成半导体桥元件实现简单，仅需通过对光刻版的设计来实现，流片工艺和后道封装工艺也不需增加，光刻版的数量不增加，因此成本不增加。

制备本发明的集成半导体桥换能元件方法依次由以下步骤：

按照使用要求在一颗芯片上设计N桥形成串并联电路，单个桥的面积可以在16-800000μm²，桥的组合数量2-28个桥组合的串、并联集成桥的光刻版；

(a)选择半导体衬底材料：单面抛光的掺杂多晶硅，掺杂浓度不大于8欧姆/厘米

(b)生长氧化层，形成绝缘层厚度大于60纳米

(c)生长多晶硅层，厚度1-5微米

(d)N型掺杂浓度R_s＝1.8-8Ω/□

(e)光刻多晶硅

(f)生长多层金属层

(g)光刻金属层

(I)形成欧姆接触、流片完成

(J)划片，封装

本发明的集成半导体桥与现行的半导体都是采用微电子工艺完成，流片工艺，后道封装工艺与传统的半导体一致，仅通过对光刻版的版图的设计，就能制备出集成半导体桥，不需增加光刻版的数量，因此总体费用也不需增加。

集成半导体桥是在一颗半导体芯片的平面上，设计N个的点火位置生长半导体桥电阻，N半导体桥电阻的形成串并联电路，电磁环境干扰的能量由现行的单颗半导体电阻桥吸收，而单颗桥是不具备安全吸收目前的电磁环境干扰的能量。本发明成为N个桥共同吸收，集成半导体桥中每颗桥吸收的电磁干扰能量大约是N分之一，从而使得单个桥上所承担的电磁干扰压力成倍减少,电磁能量的干扰完全可以通过对桥的设计控制在它们的能力承担的范围内。这一技术方可同时解决了电磁场多个方面的损伤问题,用这种集成半导体桥芯片可以大幅度提高抗电磁干扰的能力，也可以理解为集体的力量。

本发明的集成半导体桥，在输入电能的作用下将按照设计的点火时序N点自行点火，现行的半导体桥对输入能量的利用率仅是百分十几以上只能产生一个发火点，而集成半导体桥对能量的利用率提高到百分五十以上发火能量增强，能产生N个发火点，因此大幅度提高了发火可靠性，可以直接对顿感药剂进行有效点火。

本发明可用于高钝感火工品，将N个桥形成并联电路，在并联电路中电磁干扰的能量主要由电阻值小的芯片吸收的多，因此将其中一个半导体桥设计成面积大，电阻值小，主要承担吸收电磁环境的干扰能量，其他半导体桥设计成、电阻值大、仅有部分电磁干扰能量需要该桥来吸收，主要由它承担可靠点火的作用，因此将这类桥设计成的芯片面积小，电阻值大的点火输入能量作用时能迅速产生等离子点火的作用。

本发明发明可用于钝感集成半导体桥芯片，将N桥形成串联电路，如三颗桥串联是，当系统对集成芯片的电阻值要求是1欧姆时，可以将三颗串联的桥电阻值分别设计成一颗0.6欧姆，另外两颗分别设计成0.2欧姆，这颗0.6欧姆的半导体桥主要承担吸收电磁干扰的能量，将其设计成面积大，当1A电流作用时持续5分钟不发火。而另外两颗0.2欧姆的半导体桥主要承担可靠点火的作用，当在1A电流作用时仅需该类桥吸收0.2W的电磁干扰能量，因此将其设计成小面积的有利于迅速气化产生等离子体辐射的点火的半导体桥芯片。

因此当N个桥的串联时可以设计每个单元桥的电阻值不同，桥的面积不同，利用面积大、电阻大的桥以承担吸收电磁干扰的能量为主要功能，而面积小、电阻小的桥在输入能量作用下迅速气化产生等离子体辐射的点火燃火工药剂。

本发明可用于高钝感持续点火的集成半导体桥，三颗桥并联后与另外三颗桥并联的桥串联，这样当系统对集成半导体桥芯片要求为1欧姆时，每三颗并联桥的电阻值仅为0.5欧姆，这样在每组并联桥的单个桥的电阻值都不会大，在电磁环境中每颗桥承担的电磁干扰能量是可控的，因此安全性高，而且可以通过优化设计每颗桥的面积和电阻值，可以使这些桥在输入电量的作用下小面积的桥先作用，面积大的桥持续作用，形成在设计的位置有序持续点火，实现控制点火位置有序点火的功能。

实施例

图1是集成半导体桥的串并联电路原理图，该集成半导体桥是根据点火系统对安全性和可靠性的要求设计各个单元桥的面积、形状、电阻值、掺杂浓度以及N个单元桥组成串联、并联和串并联混合电路，

结合图2，图中1、2、3、4、5和6分别是六个半导体桥区形成的串并联的半导体桥，各具有不同的位置，7是电极层，8是绝缘层。电磁环境干扰能量的加固是由六个桥共同承担，点火输入能量作用时六个桥在各自的位置分别换能输出六颗等离子体点燃火工药剂。

结合图3和图4，高钝感火工品集成并联半导体桥中将N个桥形成并联电路，两颗桥并联如图3、三颗桥并联如图4。

武器系统对钝感半导体桥点火元件安全的指标为通过1A.1W.5min时火工药剂不发火的要求，并且要求电阻值为1欧姆。现行的单颗半导体桥芯片独自承担吸收1W电量桥必须安全的指标，这样的指标单颗桥是难以承担的，因此安全性能差。本发明集成并联桥中，每颗桥所吸收的能量分配为：当两颗桥并联时，将两颗桥的电阻值设计成相等时，如每颗桥为2欧姆，这样并联后的总电阻值为1欧姆符合系统要求，而1A的电流在并联电路中分配到每颗桥为0.5A,根据能量定律E＝I²R，每颗桥上吸收的电量为0.5W,因此每颗桥所承受的电量只是现行单桥的一半，集成并联桥时对每颗桥的安全指标压力大幅度减少，因此安全性有效的提升。同时在点火输入能量的作用时这两颗桥都换能输出等离子体点燃火工药剂，能量利用率提高，因此点火可靠性也大幅提升。

为了进一步提高安全性和点火作用的可靠性，还可采用优化并联桥的技术方案，将并联的N颗桥设计成电阻值不同、桥区面积不同。以主要承担吸收电磁环境的干扰能量的桥设计成桥区面积大，电阻值偏小，如图3中的1号桥，或图4中2号桥；以主要承担可靠点火的作用桥设计成桥区面积小，电阻值大如图3中2号桥，图4中的1号桥和2号桥，在点火输入能量作用时多颗桥区迅速作用产生等离子体点燃火工药剂。

结合图5和图6，集成串联半导体桥将N桥形成串联电路，三颗桥串联，当系统对集成芯片的电阻值要求是1欧姆时，可以将三颗串联的桥电阻值分成1号桥0.2欧姆；2号桥0.2欧姆；3号桥0.6欧姆，这颗0.6欧姆的半导体桥主要承担吸收电磁干扰的能量，将其设计成面积大，当1A电流作用它承担0.6W.5min不发火。而另外两颗0.2欧姆的半导体桥主要承担可靠点火的作用，当在1A电流作用时该类桥时仅需吸收0.2W的电磁干扰能量，因此将其设计成小面积的有利于迅速气化产生等离子体辐射的点燃火工药剂。因此当N个桥的串联时可以设计每个单元桥的电阻值不同，桥的面积不同，利用面积大、电阻大的桥以承担吸收电磁干扰的能量为主要功能，而面积小、电阻小的桥在输入能量作用下迅速气化产生等离子体辐射的点火燃火工药剂。小面积桥作用后，大面积桥继续吸收输入电量转换为等离子点火，这就反映出集成半导体桥能量利用率高的特性。

结合图7，持续点火的火工品用的集成半导体桥将三颗桥并联电路和另外三颗桥并联电路形成串联电路，这样当系统对集成半导体桥芯片要求为1欧姆时，每三颗并联桥的电阻值仅为0.5欧姆，这样在每组并联桥的单个桥的电阻值都不会大，因此在电磁环境中每颗桥承担的电磁干扰能量是可控的，因此安全性高，而且可以通过优化设计每颗桥的面积和电阻值，使这些桥在输入电量的作用下小面积的桥先作用，面积大的桥持续作用，形成在设计的位置有序持续点火，实现控制点火位置有序点火的功能。如图6在输入能量的作用下就会形成1、2、3小面积桥先作用，4、5、6大面积桥持续作用，这种设计方案增加了发火作用时间，并且在设计的位置有序点火，实现控制点火位置有序点火的功能。

结合图7，本发明还设计了半导体桥点火作用后确保桥路开路电阻值符合系统规定要求的技术方案。电火工品发火后对开路电阻有规定的要求，而现行的半导体桥发火后往往开路电阻不能满足系统要求，用户只能在点火回路中增加熔断丝等措施，本发明可以在半导体桥电极区如图8中4电极区作为熔断后的开路电阻，根据系统规定的开路电阻要求和点火输入能量下的条件设计4电极区的长宽或在集成半导体桥中串联一颗开路桥，该桥区的电阻设计为0.2欧姆左右，设计桥区的长度和宽。通过电极区或桥区的设计实现开路规定电阻值的符合系统要求。以上技术方案可以有效确保点火作用后开路电阻值符合规定要求。

Claims (11)

1.一种集成半导体桥换能元件，其特征在于，包括两个以上的半导体桥，至少有一个半导体桥用于吸收电磁干扰能量，其他半导体桥用于将输入能量转换为等离子体点火能量。

2.如权利要求1所述集成半导体桥换能元件，其特征在于，至少有一个半导体桥的电阻值与其他半导体桥的电阻值不相同。

3.如权利要求1所述集成半导体桥换能元件，其特征在于，至少有一个半导体桥的桥区面积与其他半导体桥的桥区面积不相同。

4.如权利要求1所述集成半导体桥换能元件，其特征在于，至少有一个半导体桥的桥区形状与其他半导体桥的桥区形状不相同。

5.如权利要求1所述集成半导体桥换能元件，其特征在于，至少有一个半导体桥的电阻值、桥区面积、桥区形状与其他半导体桥不相同。

6.如权利要求1所述集成半导体桥换能元件，其特征在于，根据点火的位置和时序确定各半导体桥的电阻值、桥区面积、或者桥区形状。

7.如权利要求1至6所述任意一集成半导体桥换能元件，其特征在于，各半导体桥之间串联连接。

8.如权利要求1至6所述任意一集成半导体桥换能元件，其特征在于，各半导体桥之间并联连接。

9.如权利要求1至6所述任意一集成半导体桥换能元件，其特征在于，半导体桥之间串并联混合连接。

10.如权利要求1至6所述任意一集成半导体桥换能元件，其特征在于，根据点火的位置和时序确定各半导体桥的电阻值、桥区面积、或者桥区形状。

11.权利要求1至6所述任意一集成半导体桥换能元件，其特征在于，在桥区或电极区集成有开路电阻。