CN109297364A - 一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法 - Google Patents

一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法 Download PDF

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朱朋
杨智
覃新
徐聪
张秋
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Abstract

本发明涉及微型低能量点火和起爆技术领域，具体涉及一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。起爆器包括：基片，置于基片之上的Al/PTFE双层复合含能薄膜层，包括Al金属层和PTFE层，其中Al金属层设置在基片之上，包括焊盘、过渡区和Al桥箔；PTFE层设置在Al金属层之上；设置在Al/PTFE双层复合含能薄膜层之上的聚合物飞片层；加速膛以及置于加速膛正上方的药剂。本发明Al与PTFE间的化学燃烧反应，产生大量蒸汽和等离子体，增强了桥箔剪切及驱动飞片的能力，最终将降低微芯片爆炸箔起爆器的发火能量。本发明采用微机电系统工艺制备微芯片爆炸箔起爆器，可实现批量化生产，降低了制备成本，并且所得起爆器的集成度高、体积小。

Description

一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微型低能量点火和起爆技术领域，具体涉及一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。
背景技术
低能量点火和起爆，是武器系统中实现点火和起爆的发展趋势。
爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator,EFI)又叫冲击片雷管，通常由基片、爆炸桥箔、飞片层、加速膛和药剂组成，是一种极其安全可靠的点火和起爆装置，传统的EFI，各组件采用人工手动对准安装，导致精度低且制备成本高，采用微机电系统(MicroElectro Mechanical System,MEMS)工艺，集成批量化制备McEFI成为新的研究趋势。
然而，当前McEFI的发火(点火或者起爆)能量较高，由武器系统(如固体火箭发动机或者导弹引信等)所提供的能量又是极其有限的，因此如何降低McEFI的发火能量，在McEFI基础上制备低能量爆炸箔起爆器(Low Energy Exploding Foil Initiator,LEEFI)，成为当前和今后的研究热点。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，所述起爆器包括：
作为反射背板的基片；
Al/PTFE双层复合含能薄膜层：置于基片之上，包括Al金属层和PTFE层，其中Al金属层设置在基片之上，包括焊盘、过渡区和桥箔，焊盘为两端最宽的部分，桥箔为中间最窄的部分，焊盘与桥箔通过逐渐变窄的过渡区相连；PTFE层设置在Al金属层之上，沉积在桥箔上的PTFE层向过渡区部分延伸；
聚合物飞片层：设置在Al/PTFE双层复合含能薄膜层之上；
加速膛：为一中空的圆柱，设置在聚合物飞片层之上，位于桥箔正上方，加速膛的膛孔直径大于或等于桥箔的边长；
药剂：置于加速膛的正上方。
所述基片为陶瓷、金属或玻璃。
所述聚合物飞片层为PC、PI或PMMA。
所述加速膛的膛孔直径为Al桥箔边长的1倍、倍或2倍。
所述药剂为点火药或高能猛炸药，形状为药柱或药片的形式，装药密度为理论密度的85％-95％。
所述焊盘尺寸为1.5-3mm×5mm-10mm，从桥箔到焊盘距离为5mm-6mm；PTFE层厚度为2μm-4μm；聚合物飞片层厚度为20μm-40μm；加速膛高度为0.4mm-0.8mm；药柱尺寸为直径3mm-5mm×高度3mm-5mm。
一种制备上述的一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器的方法，所述方法采用微机电系统工艺，具体包括如下步骤：
步骤一，清洗基片；
步骤二，利用镀膜工艺制备Al金属层；
步骤三，采用CVD、电子束蒸发或原位聚合方法制备PTFE层；
步骤四，采用CVD、电子束蒸发或原位聚合方法制备聚合物飞片层；
步骤五，制备加速膛：在飞片层上方、桥箔正上方，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影的工艺制备加速膛；
步骤六，将经压药后的药剂置于加速膛正上方，即能制备出一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器。
所述步骤一中清洗基片具体为在超声条件下，用去离子水、丙酮和乙醇依次对基片表面进行清洗，直至表面被洗净为止。
所述步骤二中的镀膜工艺具体为磁控溅射和湿法刻蚀工艺。
所述步骤五中，采用光刻工艺，使用SU-8光刻胶在聚合物飞片层上方、桥箔正上方制备中空圆柱形的SU-8胶加速膛。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明通过使用Al/PTFE双层复合含能薄膜层，Al与PTFE间的化学燃烧反应，进一步产生大量蒸汽和等离子体，增强了桥箔剪切及驱动飞片的能力，降低了微芯片爆炸箔起爆器的发火能量；
(2)本发明采用微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)工艺制备McEFI，可实现批量化生产，降低了制备成本，并且所得McEFI的集成度高、体积小。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明含Al/PTFE的McEFI的立体图。
图2是本发明含Al/PTFE的McEFI的俯视图。
图3是本发明含Al/PTFE的McEFI的制备工艺流程示意图；其中(a)为基片主视图，(a′)为基片俯视图；(b)为制备Al金属层之后的主视图，(b′)为制备Al金属层之后的俯视图；(c)为制备PTFE层之后的主视图，(c′)为制备PTFE层之后的俯视图；(d)为制备聚合物飞片层之后的主视图，(d′)为制备聚合物飞片层之后的俯视图；(e)为制备加速膛之后的主视图，(e′)为制备加速膛之后的俯视图；(f)为放置药剂之后的主视图，(f′)为放置药剂之后的俯视图。
图4是本发明含Al/PTFE的McEFI的发火电路连接示意图。
附图标记说明：
1-基片，2-Al金属层，21-焊盘，22-过渡区，23-Al桥箔，3-PTFE层，4-聚合物飞片层，5-加速膛，6-药剂。
具体实施方式
如图1-3所示，所述含Al/PTFE的McEFI主要包括基片1、Al/PTFE层、聚合物飞片层4、加速膛5和药剂6，药剂6之前的目标层都采用MEMS工艺制备：在基片上一体化制备出包含Al/PTFE双层复合含能薄膜层、聚合物飞片层4、加速膛在内的集成芯片，再将药剂6置于加速膛5正上方即能制备出含Al/PTFE的McEFI。所述焊盘21、过渡区22和Al桥箔23可以采用磁控溅射镀膜等镀膜方法同时制备；所述PTFE层3采用CVD或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备；所述聚合物飞片层4应具有良好的抗拉性能，可以是PC或PI薄膜等，采用CVD或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备；所述加速膛5选用光敏材料，如SU-8光刻胶，采用紫外光光刻工艺制备，加速膛5位于飞片层4上方、桥箔正上方，为一中空的圆柱，其膛孔直径为桥箔直径的1倍、倍或者2倍；所述药剂6可以是药柱或者药片的形式，装药密度为理论密度的90％-95％。所述McEFI可以用于直列式点火和直列式起爆领域。
结合图1至图3，所述一种含Al/PTFE的McEFI主要包括基片1、Al/PTFE双层复合含能薄膜层，包括焊盘21、过渡区22、Al桥箔23和PTFE层3、聚合物飞片层4、加速膛5和药剂6。该McEFI的制备过程如下：
第一步，清洗基片1：在超声条件下，用去离子水、丙酮和乙醇依次对基片1表面进行清洗，直至表面被洗净为止。
第二步，制备Al金属层：利用磁控溅射等镀膜工艺制备Al金属层，包括金属焊盘21、过渡区22和桥箔23。所述焊盘21为两端最宽的部分，所述金属桥箔23为最窄的部分；从焊盘至桥箔之间的区域由逐渐变窄的过渡区连接，这有利于能量的汇聚，推进桥箔电爆炸形成蒸汽和等离子体。
第三步，制备PTFE层3：采用CVD或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备，为保证聚合物的粘附性，沉积在桥箔上的聚合物向过渡区部分延伸。
第四步，制备聚合物飞片层4：采用CVD或电子束蒸发或原位聚合等方法制备，材料为PC或者PI等。
第五步，制备加速膛5：在飞片层4上方、桥箔23正上方，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影的工艺制备加速膛，为一中空的圆柱，加速膛起着约束及加速飞片的作用，其直径直接影响等离子体量及约束效果，根据研究膛孔直径为桥箔23直径的1倍(内切)、倍(外切)或者2倍(视为无限大)。
第六步，将经压药后具有一定密度的药剂6置于加速膛5正上方，即能制备出一种含Al/PTFE的McEFI。
具体而言，Al桥箔23在短脉冲大电流作用下，一方面被激发产生大量蒸汽和等离子体，另一方面Al还能和上方PTFE发生化学燃烧反应，反应放出大量热，进一步增加了蒸汽和等离子体量。蒸汽和等离子体剪切聚合物飞片层4，并在加速膛5中驱动飞片。在出加速膛5口后，飞片具有较高的速度，为每秒数千米，高速飞片直接作用在具有一定密度的药剂6表面上，实现点火或者起爆功能。
实施案例
本实施案例是在制备McEFI的基础上设计了发火电路，结合图3和图4，包括以下步骤(注：图3中的左右两图分别为制备工艺过程的主视图和俯视图)：
第一步，见图3(a)和(a′)，对50.8mm(长)×50.8mm(宽)×0.635mm(高)的Al2O3陶瓷基片1表面进行清洗。
第二步，见图3(b)和(b′)，采用磁控溅射和湿法刻蚀工艺在Al2O3陶瓷基片1表面沉积Al金属层，构成焊盘21、过渡区22和金属桥箔23。相关尺寸为：焊盘21宽5mm-10mm；从金属桥箔23到焊盘21距离为5mm-6mm；桥箔尺寸为0.4mm(长)×0.4mm(宽)×3.6μm(高)；焊盘21到金属层中间由逐渐变窄的过渡区22相连。
第三步，见图3(c)和(c′)，在金属桥箔23及部分过渡区22上，采用电子束蒸发及图形化工艺制备PTFE层3，厚度为2μm-4μm。
第四步，见图3(d)和(d′)，在PTFE层3上方，采用CVD制备PC聚合物飞片层4，厚度为20μm-40μm。
第五步，见图3(e)和(e′)，采用光刻工艺，使用SU-8光刻胶在聚合物飞片层4上方、桥箔23正上方制备中空圆柱形的SU-8胶加速膛5，直径为桥箔边长：0.4mm；高度为0.4mm-0.8mm。
第六步，见图3(f)和(f′)，在SU-8胶加速膛5上采用胶带正对加速膛5紧贴钝感药柱，装药采用对短脉冲敏感的猛炸药六硝基芪-四型(HNS-IV)，其装药密度取为理论密度1.74g/cm3的90％-95％，药柱尺寸为：4mm(Φ)×4mm(H)，起爆能量约0.1J。
如图4所示，在McEFI的基础上设计了发火电路：将一种含Al/PTFE的McEFI、高压电容和三电极气体开关组成串联电路，首先在McEFI两端的焊盘上通过电容施加主高压，然后通过对开关触发极(T)施加触发脉冲信号(另外，A代表开关阳极，K代表开关阴极)，从而导通1000V-1300V的主高压，回路中出现短脉冲大电流，即能完成起爆功能。

Claims (10)

1.一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述起爆器包括：
作为反射背板的基片(1)；
Al/PTFE双层复合含能薄膜层：置于基片(1)之上，包括Al金属层(2)和PTFE层(3)，其中Al金属层(2)设置在基片(1)之上，包括焊盘(21)、过渡区(22)和Al桥箔(23)，焊盘(21)为两端最宽的部分，桥箔(23)为中间最窄的部分，焊盘(21)与Al桥箔(23)通过逐渐变窄的过渡区(22)相连；PTFE层(3)设置在Al金属层(2)之上，沉积在Al桥箔(23)上的PTFE层向过渡区(22)部分延伸；
聚合物飞片层(4)：设置在Al/PTFE双层复合含能薄膜层之上；
加速膛(5)：为一中空的圆柱，设置在聚合物飞片层(4)之上，位于Al桥箔(23)正上方，加速膛(5)的膛孔直径大于或等于Al桥箔(23)的边长；
药剂(6)：置于加速膛(5)的正上方。
2.根据权利要求1所述的含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述基片(1)为陶瓷、金属或玻璃。
3.根据权利要求1所述的含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述聚合物飞片层(4)为PC、PI或PMMA。
4.根据权利要求1所述的含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述加速膛的膛孔直径为Al桥箔(23)边长的1倍、倍或2倍。
5.根据权利要求1所述的含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述药剂(6)为点火药或高能猛炸药，形状为药柱或药片的形式，装药密度为理论密度的85％-95％。
6.根据权利要求1所述的含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述焊盘(21)尺寸为1.5-3mm×5mm-10mm，从Al桥箔(23)到焊盘(21)距离为5mm-6mm；PTFE层(3)厚度为2μm-4μm；聚合物飞片层(4)厚度为20μm-40μm；加速膛(5)高度为0.4mm-0.8mm；药柱尺寸为直径3mm-5mm×高度3mm-5mm。
7.一种制备权利要求1-6所述的含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器的方法，其特征在于，所述方法采用微机电系统工艺，具体包括如下步骤：
步骤一，清洗基片(1)；
步骤二，利用镀膜工艺制备Al金属层(2)；
步骤三，采用CVD、电子束蒸发或原位聚合方法制备PTFE层(3)；
步骤四，采用CVD、电子束蒸发或原位聚合方法制备聚合物飞片层(4)；
步骤五，制备加速膛(5)：在飞片层(4)上方、桥箔(23)正上方，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影的工艺制备加速膛(5)；
步骤六，将经压药后的药剂(6)置于加速膛(5)正上方，即能制备出一种含Al/PTFE的微芯片爆炸箔起爆器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤一中清洗基片具体为在超声条件下，用去离子水、丙酮和乙醇依次对基片(1)表面进行清洗，直至表面被洗净为止。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤二中的镀膜工艺具体为磁控溅射和湿法刻蚀工艺。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤五中，采用光刻工艺，使用SU-8光刻胶在聚合物飞片层(4)上方、Al桥箔(23)正上方制备中空圆柱形的SU-8胶加速膛(5)。
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