CN109612342A - 基于并联桥箔的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法 - Google Patents

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朱朋
杨智
汪柯
徐聪
张秋
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Abstract

本发明涉及微型低能点火和起爆技术领域，涉及一种基于并联桥箔的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。包括：基片；金属层：置于基片之上，包括位于两端较宽的焊盘，位于中间位置较窄的并联桥箔，以及连接焊盘和并联桥箔的过渡区；所述并联桥箔由多个条状结构并联形成；飞片层：置于金属层的并联桥箔和部分过渡区之上；加速膛：置于飞片层之上，位于桥箔正上方，为中空圆柱；药柱：置于加速膛正上方。本申请采用并联的桥箔，并联电爆产生大量蒸汽和等离子体，形成冲击波，冲击波汇聚碰撞，形成的马赫效应提升了桥箔电爆炸输出的压力，增强了桥箔剪切及驱动飞片的能力，提高了飞片速度，增强了McEFI的点火和起爆能力。

Description

基于并联桥箔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点火和起爆技术领域，具体涉及一种基于并联桥箔的微芯片爆炸箔起爆器及其制备方法。
背景技术
多个炸药柱爆炸时产生的爆轰波会发生汇聚碰撞作用，当两入射波以一定入射角度碰撞时，反射波的传播速度要比原始波快得多，因而追赶上了原始波，形成了近乎垂直的加强冲击波阵面，称为“马赫茎”。马赫反射效应使爆轰压力增大，形成超压。
爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator,EFI)一般由基片、爆炸桥箔、飞片、加速膛和药剂组成，由于序列中无起爆药且桥箔与药剂之间不直接接触，因此EFI是一种极其安全和可靠的点火和起爆装置，在武器系统中有着广泛应用。具体而言，经高压开关导通来自高压电容的短脉冲大电流，使桥箔发生电爆炸并产生等离子体，迅速膨胀的等离子体在加速膛内剪切及驱动飞片，经过加速膛后的飞片达到一定的速度，进而冲击点燃或者起爆药剂。最初的爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator,EFI)采用手动对准安装分立元件制备，导致精度低、一致性差且成本高。采用微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)工艺，集成批量化制备微芯片爆炸箔起爆器(Micro Chip Exploding FoilInitiator,McEFI)，所得McEFI的集成度高、体积小，提高了产品的一致性，降低了制备成本。
然而，目前McEFI的发火(点火或者起爆)能量较高，武器系统(如固体火箭发动机或者导弹引信等)所能提供的能量又是极其有限的。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于并联桥箔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：
一种基于并联桥箔的微芯片爆炸箔起爆器，包括：
基片：作为反射背板；
金属层：置于基片之上，包括位于两端较宽的焊盘，位于中间位置较窄的并联桥箔，以及连接焊盘和并联桥箔的过渡区，过渡区由焊盘到并联桥箔的宽度由宽逐渐变窄；所述并联桥箔由多个条状结构并联形成；
飞片层：置于金属层的并联桥箔和部分过渡区之上；
加速膛：置于飞片层之上，位于桥箔正上方，为中空圆柱；
药柱：置于加速膛正上方。
所述基片为Al2O3陶瓷。
所述金属层的材质为Au、Ag、Cu或Al。
所述焊盘尺寸为长1.5mm-3.5mm×宽5mm-10mm，过渡区的长度为5mm-6mm，并联桥箔横截面形状为正方形，边长为0.2mm-0.6mm，厚度为2μm-5μm。
所述飞片层的材质为聚氯代对二甲苯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为22μm-50μm。
所述加速膛的直径是桥箔边长的1倍、倍或2倍，高度为0.6mm-1.0mm。
所述药柱尺寸直径为3mm-8mm，厚度为2mm-4mm。
一种发火电路，包括串联的高压电容、气体开关以及上述的微芯片爆炸箔起爆器。
一种上述的微芯片爆炸箔起爆器的制备方法，具体步骤如下：
(1)清洗基片；
(2)制备金属层：采用镀膜和光刻的工艺制备金属层；
(3)制备飞片层：采用胶带保护焊盘区，采用CVD、电子束蒸发或者原位聚合方法沉积聚合物层，剥离胶带后裸露出焊盘区，制备得到飞片层；
(4)制备加速膛：使用光刻胶在飞片层上方、桥箔正上方制备中空圆柱形的加速膛；
(5)放置药柱：将经压药后的药柱置于加速膛正上方。
所述步骤具体为：在超声条件下，采用去离子水、丙酮及乙醇依次清洗基片，直至表面被洗净。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本申请采用并联的桥箔，并联电爆产生大量蒸汽和等离子体，形成冲击波，冲击波汇聚碰撞，形成的马赫效应提升了桥箔电爆炸输出的压力，增强了桥箔剪切及驱动飞片的能力，提高了飞片速度，增强了McEFI的点火和起爆能力。
(2)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，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是本发明基于并联桥箔的McEFI的立体图。
图2是本发明基于并联桥箔的McEFI的俯视图。
图3是本发明基于并联桥箔的McEFI的制备工艺流程图，其中图(a)为基片主视图，图(a′)为基片俯视图，图(b)为沉积金属层之后的主视图，图(b′)为沉积金属层之后的俯视图，图(c)为沉积飞片层之后的主视图，图(c′)为沉积飞片层的俯视图，图(d)为制备加速膛之后的主视图，图(d′)为制备加速膛之后的俯视图，图(e)为放置药柱之后的主视图，图(e′)为放置药柱之后的俯视图。
图4是本发明基于并联桥箔的McEFI的发火电路连接示意图。
附图标记说明：
1-基片，2-金属层，21-焊盘，22-过渡区，23-并联桥箔，3-聚合物飞片层，4-加速膛，5-药柱。
具体实施方式
一种基于并联桥箔的微芯片爆炸箔起爆器(Micro Chip Exploding FoilInitiator,McEFI)，如图1-2所示，所述基于并联桥箔的McEFI主要包括基片1、并联桥箔23、飞片层3、加速膛4和药剂5以及焊盘21和过渡区22。
所述基片1在McEFI中作反射背板，约束桥箔23电爆炸产生的等离子体向上运动剪切与驱动飞片层3。
所述焊盘21、过渡区22和并联桥箔23可以采用镀膜的方法同时制备，靶材可以是Au或Ag或Cu或Al等任何一种材料；其中，桥箔23加工成含有多个条状的并联结构，并联桥箔23是横截面积最小的部分，并联桥箔电爆炸后冲击波能发生马赫反射，马赫效应提高了桥箔剪切及驱动飞片的能力；焊盘21是横截面积最大的部分；过渡区22指的是焊盘21到桥箔23之间截面积由大逐渐变小的区域，电爆过程中电子密度沿着过渡区22逐渐增大，利于能量的汇聚。
所述飞片层3为聚合物材料，聚合物可以是聚氯代对二甲苯(PC)或聚酰亚胺(PI)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，采用化学气相沉积(CVD)或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备。
所述加速膛4可以采用光刻后具有一定深宽比和拉伸强度的任何一种材料制备，或者采用对准粘贴的方法制备，为一中空的圆柱，加速膛约束飞片，并提供飞片加速的空间。
所述药柱5可以是点火药或者猛炸药等，如常用点火药B/KNO3(BPN)或者高能钝感的猛炸药六硝基茋-四型(HNS-IV)，药剂可以是药柱或者药片的形式。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，所述基于电爆耦合桥箔的McEFI主要包括基片1、并联桥箔23、飞片层3、加速膛4和药剂5以及如焊盘21和过渡区22等一些必要的连接结构。该McEFI的制备过程如下：
第一步，清洗基片1：在超声条件下，采用去离子水、丙酮及乙醇依次清洗基片1，直至表面被洗净。
第二步，制备金属层：利用镀膜和光刻工艺制备Au或Ag或Cu或Al等金属层，包括爆炸桥箔23、过渡区22和焊盘21，所述焊盘21为两端较宽的部分，所述桥箔23为多条状结构部分，从焊盘至桥箔之间区域由逐渐变窄的过渡区连接。
第三步，制备飞片层3：所述飞片层3为聚合物材料，采用胶带等保护焊盘区21，采用CVD或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备。
第四步，制备加速膛层4：对于光敏材料，在位于桥箔23正上方，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影等工艺将掩膜版上的目标图形转移到飞片上方、桥箔正上方，或者采用对准粘贴的方法制备加速膛，为一中空的圆柱，膛孔直径一般是桥箔23直径的1倍(内切)、倍(外切)或者2倍(视为无限大)。
第五步，放置药剂5：将经压药后具有一定密度的药剂5置于加速膛4正上方，药剂5可以采用胶带粘贴或者压入药环，即能制备出基于并联桥箔的McEFI。
实施例1
本实施案例先制备McEFI，后设计了McEFI的发火电路，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′)，采用磁控溅射镀膜和光刻工艺在陶瓷基衬底(1)表面沉积Cu金属层，构成焊盘21、过渡区22和并联桥箔23。相关尺寸为：焊盘21宽5mm-10mm，长1.5mm-3.5mm；从桥箔23到焊盘21距离约为5mm-6mm；桥箔边长为0.4mm，厚度为3.6μm；焊盘21到桥箔23中间由逐渐变窄的过渡区22相连。
第三步，见图3(c)和(c′)，使用胶带将焊盘区21保护起来，采用CVD方法沉积聚合物PC，厚度为22μm-50μm，剥离胶带后裸露出焊盘，制备得PC飞片层3。
第四步，见图3(d)和(d′)，采用光刻工艺，使用SU-8光刻胶在PC飞片层3上方、桥箔23正上方制备中空圆柱形的SU-8胶加速膛4，直径为桥箔边长：0.4mm；高度为0.6mm-1.0mm。
第五步，见图3(e)和(e′)，在SU-8胶加速膛4上采用胶带正对加速膛4紧贴钝感药柱5，装药采用对短脉冲敏感的猛炸药六硝基茋-四型(HNS-IV)，其装药密度取为理论密度1.74g/cm3的85％-95％，药柱尺寸为：2mm-8mm(Φ)×2mm-5mm(H)，起爆能量约0.1J。
第六步，见图4，在McEFI的基础上设计了发火电路：将基于并联桥箔的McEFI、高压电容和火花隙气体开关组成串联电路，首先在McEFI两端焊盘上通过电容施加主高压，然后通过对开关触发极(T)(另外，A代表开关阳极，K代表开关阴极)施加触发脉冲信号，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)

1.一种基于并联桥箔的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，包括：
基片(1)：作为反射背板；
金属层(2)：置于基片(1)之上，包括位于两端较宽的焊盘(21)，位于中间位置较窄的并联桥箔(23)，以及连接焊盘(21)和并联桥箔(23)的过渡区(22)，过渡区(22)由焊盘(21)到并联桥箔(23)的宽度由宽逐渐变窄；所述并联桥箔(23)由多个条状结构并联形成；
飞片层(3)：置于金属层(2)的并联桥箔(23)和部分过渡区(22)之上；
加速膛(4)：置于飞片层(3)之上，位于桥箔(23)正上方，为中空圆柱；
药柱(5)：置于加速膛(4)正上方。
2.根据权利要求1所述的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述基片(1)为Al2O3陶瓷。
3.根据权利要求2所述的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述金属层(2)的材质为Au、Ag、Cu或Al。
4.根据权利要求3所述的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述焊盘(21)尺寸为长1.5mm-3.5mm×宽5mm-10mm，过渡区(22)的长度为5mm-6mm，并联桥箔(23)横截面形状为正方形，边长为0.2mm-0.6mm，厚度为2μm-5μm。
5.根据权利要求4所述的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述飞片层(3)的材质为聚氯代对二甲苯、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为22μm-50μm。
6.根据权利要求5所述的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述加速膛(4)的直径是并联桥箔(23)边长的1倍、倍或2倍，高度为0.6mm-1.0mm。
7.根据权利要求6所述的微芯片爆炸箔起爆器，其特征在于，所述药柱(5)尺寸直径为3mm-8mm，厚度为2mm-4mm。
8.一种发火电路，其特征在于，包括串联的高压电容、气体开关以及权利要求1-7任一项所述的微芯片爆炸箔起爆器。
9.一种权利要求1-7任一项所述的微芯片爆炸箔起爆器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)清洗基片(1)；
(2)制备金属层(2)：采用镀膜和光刻的工艺制备金属层(2)；
(3)制备飞片层(3)：采用胶带保护焊盘(21)区，采用CVD、电子束蒸发或者原位聚合方法沉积聚合物层，剥离胶带后裸露出焊盘(21)区，制备得到飞片层(3)；
(4)制备加速膛(4)：使用光刻胶在飞片层(3)上方、桥箔(23)正上方制备中空圆柱形的加速膛(4)；
(5)放置药柱(5)：将经压药后的药柱(5)置于加速膛(4)正上方。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在超声条件下，采用去离子水、丙酮及乙醇依次清洗基片(1)，直至表面被洗净；所述步骤(5)中药柱(5)的装药密度为理论密度的85％-95％。
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