CN109425266B - 基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元，由表面长有SiO2的Si基底、Al薄膜电极以及MxOy介电层组成，采用金属Al作为叉指电极，在叉指电极上沉积MxOy介电层，作为叉指电极间隙之间的绝缘介质。本发明显著的提高了电爆换能元的安全性、适用性和点火能力，换能元的临界激发电压可以在大范围内调节，满足不同点火任务的要求，可以实现500V不发火的要求，此外换能元使用MEMS制作工艺，容易实现与其他部件的集成，提高火工器件的集成度。

Description

基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元
技术领域
本发明涉及电火工品的基础点火元件领域，特别涉及一种基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元。
背景技术
电火工品作为点火、起爆元件，是兵器、航空、航天、船舶和机动车辆等装备和装置中不可缺少的组成部分，被广泛应用于各种枪炮的弹药、火箭发动机点火系统、开舱和分离作动装置、应急救生装置、卫星解锁系统等，火工品的安全性和可靠性也直接关系到整个系统的安全和可靠作用，对火工品的提出了更高要求。
桥丝式电火工品是目前应用最广泛的火工品，其作用原理是：电流通过桥丝，产生焦耳热，并加热桥丝周围的炸药，加热到一定温度后，炸药发生爆炸。桥丝主要选用有一定电阻的金属材料，如：镍铬、康铜或铂铱等，其能量转换效率低，易受射频影响，意外发火，同时由于桥丝式电火工品受加工方法的限制，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）火工品是一种新型换能元，是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，在半导体桥两端加脉冲电流，桥区由于受焦耳热的作用，迅速升温、汽化，在电场作用下产生等离子体，并迅速扩散到周围的药剂中，进行热量传递，使药剂受热达到着火温度而发火。SCB具有一定的防射频能力，但是其电热转换效率低，制备工艺复杂。薄膜电桥是把金属通过物理或化学的方法沉积在基片上的一种薄膜式换能元，它的工作原理是：在桥体两端加上电压，桥体有电流通过，产生焦耳热，发生电爆炸，产生的等离子体点燃药剂。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，但是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。上述三种换能元适用范围有限，当面对更复杂的射频环境，不能满足火工品安全要求，需进一步与安保元件联合使用，结构比较复杂。
爆炸箔是近几年新起的高钝感起爆技术，其作用原理是：当大脉冲电流通过金属桥箔，金属桥箔发生电爆炸，产生的等离子体迅速膨胀，剪切聚酰亚胺飞片，并推动飞片通过加速膛加速，高速撞击到猛炸药上，使其爆炸。爆炸箔安全性高，防静电，防射频，药剂与桥膜不接触，可满足500V不发火的直列式火工品的要求，但应用于点火时，其发火时产生的能量过大容易将下层药柱损坏，需加衰减元件，结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元。
实现本发明目的的技术解决方案是：基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能元，所述的换能元包括表面长有SiO2的Si基底、Al薄膜电极以及MxOy介电层， Al薄膜电极为叉指结构， Al薄膜电极的叉指间隙通过MxOy介电层覆盖， Al薄膜电极设置在长有SiO2的Si基底上。
作为本发明的一个优选实施例，Al薄膜电极为矩形叉指结构。
作为本发明的一个优选实施例，Al薄膜电极为圆形叉指结构。
作为本发明的一个优选实施例，MxOy介电层选自CuO、MoO3、Fe2O3、SiO2的金属氧化物中的任意一种或组合。
作为本发明的一个优选实施例，Al薄膜电极的叉指间隙为0.025mm，Al薄膜电极的厚度为500nm。
作为本发明的一个优选实施例，MxOy介电层的厚度为800nm。
作为本发明的一个优选实施例，长有SiO2的Si基底中SiO2的厚度为1μm。
上述换能元的制备方法，包括如下步骤：将硅基片上采用热氧化生长一层SiO2层，再使用正性反转光刻胶（AZ5200），利用紫外光刻反转剥离工艺在基底上形成叉指电极的图形，在该图形上采用磁控溅射镀膜法沉积Al薄膜，去胶后，再使用正性反转光刻胶，利用紫外光刻反转剥离工艺在Al薄膜上形成所需介电层的图形，在该图形上采用磁控溅射镀膜法沉积MxOy薄膜，最后经去胶、划片、焊丝、封装工艺制备出所述换能元。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）MxOy的介电性能可提高换能元的安全性，具有临界发火电压可调的优势，可以满足500V不发火的要求；（2）Al/MxOy含能薄膜放热量高，反应速率快，换能元输出能量显著提高；（3）换能元结构简单，易于制备，同时其MEMS制备工艺提高了与火工品其他部件的集成度。
附图说明
图1为本发明矩形叉指结构换能元主视图。
图2为本发明矩形叉指结构换能元A-A方向截面图。
图3为本发明矩形叉指结构换能元的视图。
图4为本发明圆形叉指结构换能元主视图。
图5为本发明圆形叉指结构换能元A-A方向截面图。
图6为本发明圆形叉指结构换能元正视图。
其中，图1~6中，1-Si基底，2- SiO2层， 3-Al薄膜电极，4-MxOy介电层。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。任何与所记载内容相似的结构及材料皆可应用于本发明中。
本发明主要包括以下三个方面：
（1）换能元的叉指结构提高了其安全性，具有临界发火电压可调的优势，可以满足500V不发火的要求：
本设计中选用叉指形状的电极，金属Al作为电极材料，MxOy作为电极间的介电层，起到一定的绝缘作用。因为叉指结构Al/MxOy的整体结构相当于多个电容器并联，每个电容器相当于简单的平行板电容器，其击穿电压取决于两极板间的距离、极板相对的面积以及中间介电材料的介电强度，可以通过选择介电层的材料和调节电极间的叉指间距改变换能元发火电压，其中，在调节过程中要考虑Al/MxOy反应的充分性。只有当作用在换能元两端的电压大于其发火电压时，沉积的介电材料MxOy被击穿，电流急剧增大，桥区产生等离子体，并且Al与MxOy发生氧化还原反应，释放出热量，点燃上层烟火装药。所以通过介电材料的选择以及叉指结构参数的设计，可以调节换能元的临界激发电压，使其符合不同点火任务的要求，满足500V不发火的直列式点火条件，用于火箭发动机的安全点火装置中。
（2）Al/MxOy含能薄膜具有放热量高、反应速率快等特点，对输出能量有显著提高：
当激发电压大于阈值电压时，中间的MxOy介电层被击穿，电流急剧增加，产生等离子体，并且由于焦耳热的作用，Al和M x O y 含能复合薄膜温度瞬间升高，达到其反应温度，发生激烈的化学反应，进一步放出大量的热，其热量与材料M x O y 的选择有关，如：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。同时，调节换能元的薄膜厚度以及桥区大小，可以适当增加含能材料的质量，增加反应放出的热量，增强换能元的输出能力。因此，在输入一定的电能时，Al/M x O y 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）Al/MxOy叉指结构换能元结构简单，易于制备，同时其MEMS制备工艺提高了与火工品其他部件的集成度：
Al/MxOy叉指结构换能元包括表面长有SiO2的Si基底、Al薄膜电极以及MxOy介电层。采用标准的MEMS微加工工艺：将硅基片表面热氧化一层厚度为1μm的SiO2层，然后通过光刻、磁控溅射、剥离工艺分别制备出Al薄膜电极和MxOy介电层，最后经划片、焊丝、封装等工艺制备出单个成品。
整个工艺均采用标准的MEMS微细加工工艺制作，基底材料选用的是集成电路中常用的硅，因此和MEMS火工品系统具有更高的集成度。
本发明所述的换能元采用Al金属薄膜作为叉指电极，在叉指电极上沉积MxOy介电层，作为叉指电极间隙之间的绝缘介质，再设置在长有SiO2层的Si基底上。本结构旨在提高换能元的输出能量以及安全性，由于MxOy的介电性能，换能元存在一定的阈值电压，当作用的电压小于阈值电压时，换能元不发火；当高于阈值电压时，沉积的MxOy介电层被击穿，电流急剧增大，产生等离子体，Al与MxOy发生氧化还原反应，释放出热量，点燃上层烟火装药。
叉指结构换能元工艺流程为：将表面长有1μm SiO2层的Si基底分别用丙酮、乙醇、去离子水先后各超声清洗10min，然后用吹风机吹干，放入100℃烘箱烘烤备用。用正性反转胶（AZ5200）在基片上涂覆后烘干，放置Al薄膜电极的铬板掩模版进行初次曝光和反转曝光，然后显影，显影液选用与光刻胶相匹配的碱性液体400R，显影后形成Al薄膜电极形状，之后在显影完成的基片上采用磁控溅射镀膜法沉积Al薄膜，溅射完成后，放入丙酮中进行剥离，完成Al薄膜电极的制备；同样，再使用正性反转光刻胶，利用紫外光刻反转剥离工艺在Al薄膜电极上形成MxOy介电层的图形，在图形上采用磁控溅射镀膜法沉积MxOy薄膜，最后经去胶、划片、焊丝、封装工艺制备出所述换能元。
实施例1：矩形叉指结构换能元
如图1~3所示，所述的矩形叉指结构换能元包括表面长有1μm SiO2层2的Si基底1、Al薄膜电极3以及MxOy介电层4，整体包括焊盘和桥区两部分，尺寸为1.7mm*1.5mm，桥区尺寸为1.0mm*1.5mm。其中，Al薄膜电极3的叉指宽0.025mm，间距为0.025mm，长0.8mm（与另一端电极边缘预留0.2mm，防止电极边缘击穿）。桥区的两端为焊盘，用于连接外部激发电源。Al薄膜电极的厚度为500nm，MxOy介电层为800nm。
该电爆换能元可应用于电火工品的点火，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：圆形叉指结构换能元
如图4~6所示，所述的圆形叉指结构换能元包括表面长有1μm SiO2层2的Si基底1、Al薄膜电极3以及MxOy介电层4。整体包括焊盘和桥区两部分，尺寸为1.7mm*1.5mm，桥区尺寸为R=0.45mm的圆。桥区中心为直径0.075mm的圆，Al薄膜电极3环形叉指的环与环之间的间距为0.025mm，环电极宽度为0.025mm，电极两端为直径50nm的半圆倒圆角。两端焊盘分别为3mm*4mm，连接外部激发电源。Al薄膜电极的厚度为500nm，MxOy介电层厚度为800nm。
与Al/MxOy的矩形结构相比，圆形结构使得Al与MxOy接触面积更大，不仅有利于Al/MxOy反应的充分性，更有利于安全性的防护，因为其击穿电压与击穿面积有关，一定范围内，击穿面积面积越大，击穿电压也越大。
该电爆换能元可实现500V 不发火，并且可以点燃B/KNO3，满足对直列式火工品的要求，可应用于火箭发动机的安全点火系统中，实现直列式点火的方式。

Claims (2)

1.基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能点火元，其特征在于，所述的换能点火元包括表面长有SiO2的Si基底、Al薄膜电极以及MxOy介电层，Al薄膜电极为叉指结构，Al薄膜电极的叉指间隙通过MxOy介电层覆盖，Al薄膜电极设置在长有SiO2的Si基底上；
其中，Al薄膜电极的厚度为500nm；MxOy介电层的厚度为800nm；MxOy介电层选自CuO、MoO3、Fe2O3、SiO2中的任意一种或组合；Al薄膜电极为矩形叉指结构，其叉指宽0.025mm，间距为0.025mm，长0.8mm；或Al薄膜电极为圆形叉指结构，其叉指的环与环之间的间距为0.025mm，环电极宽度为0.025mm，电极两端为直径50nm的半圆倒圆角。
2.如权利要求1所述的基于Al/MxOy含能薄膜的叉指结构换能点火元，其特征在于，长有SiO2的Si基底中SiO2的厚度为1μm。
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