CN110132075A - 一种含有含能飞片的爆炸箔集成芯片 - Google Patents

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杨智
付帅
徐聪
陈楷
覃新
张秋
汪柯
叶迎华
沈瑞琪
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Abstract

本发明公开了一种含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，爆炸箔集成芯片包括基片、爆炸箔、含能飞片、加速膛和药剂。焊盘、过渡区和爆炸桥箔均设置在基片，且通过过渡区将焊盘和爆炸桥箔连接；基片在集成芯片中作反射背板，使爆炸桥箔电爆所产生的等离子体向上运动剪切聚合物飞片以及推动沉积在聚合物飞片表面含能薄膜运动；本发明与现有技术相比，通过制备过程采用MEMS工艺，爆炸箔起爆系统的集成化程度更高、体积更小，提高了产品的一致性、降低了制备成本；含采用能飞片本身含有金属，不需要额外沉积金属，有利于飞片速度的测试；采用含能飞片层，冲击与热的耦合作用可以增强点火或起爆效应，大幅降低了爆炸箔起爆系统的发火能量。

Description

一种含有含能飞片的爆炸箔集成芯片
技术领域
本发明涉及微型低能点火或起爆装置技术领域，具体涉及一种含有含能飞片的爆炸箔集成芯片及其制备方法。
背景技术
爆炸箔起爆系统(Exploding Foil Initiator system，EFIs)的概念是由美国Lawrence Livermore Laboratory实验室于20世纪60年代提出的，属于直列式安全点火、起爆系统，其组成包括脉冲功率单元和爆炸箔起爆单元。前者主要包括高压电源、电容器、高压开关、扁平电缆和控制电路等，为爆炸箔起爆单元提供金属电爆所需要的能量；后者主要包括基片、爆炸桥箔、飞片、加速膛和药剂等。具体而言，来自脉冲功率单元的短脉冲大电流使爆炸箔电爆并产生等离子体，迅速膨胀的等离子体在加速膛内剪切飞片，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。由于爆炸箔起爆系统结构上的特点——序列中无起爆药、桥箔与药剂之间不直接接触，因而具有耐高静电、射频、电磁等极端环境的优点，是一种极其安全可靠的点火和起爆装置，在武器系统中有着广泛应用。目前的爆炸箔集成芯片的发火(点火或者起爆)能量较高，然而武器系统 (如固体火箭发动机或者导弹引信等)所能提供的能量是极其有限的，因此如何降低爆炸箔集成芯片的发火能量将成为今后的研究热点。
含能复合薄膜具有反应迅速且放热量大的特点，在聚合物飞片上沉积一定厚度的含能薄膜，聚合物飞片层和含能薄膜层构成含能飞片层，冲击与热的耦合作用可以增强点火或起爆效应，因此可以降低爆炸箔起爆系统的发火能量。下表是几种典型的含能复合薄膜材料的能量密度。
微机电系统(Micro Electro-mechanical System,MEMS)技术是集微机械与微电子于一体的微型机电器件或系统，主要由微传感器、微执行器、微电路和电源组成。通常采用与集成电路兼容的工艺制造，具有体积小、质量轻和可批量化生产等特征。含能复合薄膜可以采用光刻、磁控溅射、剥离等工艺制备，磁控溅射原理如图5所示。
发明内容
本发明为一种基于MEMS工艺含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，能够实现降低爆炸箔起爆系统的发火能量并能批量化制备。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，含有含能飞片的爆炸箔集成芯片包括基片、爆炸桥箔、含能飞片、加速膛和药剂以及焊盘和过渡区；含能飞片包括聚合物飞片、含能薄膜；所述的焊盘、过渡区和爆炸桥箔均设置在基片，且通过过渡区将焊盘和爆炸桥箔连接；所述的基片在集成芯片中作反射背板，使爆炸桥箔电爆所产生的等离子体向上运动剪切聚合物飞片以及推动沉积在聚合物飞片表面含能薄膜运动；加速膛设置在含能薄膜的表面，药剂设置在加速膛的顶部；爆炸桥箔是横截面积最小的部分，因而此处的电流密度最大，电爆产生大量等离子体；焊盘是横截面积最大的部分，便于焊接引出导带以及减小回路的电阻和电感；过渡区是桥区到焊盘之间由宽逐渐变窄的区域，利于能量的汇聚，电子密度增大使桥箔电爆产生大量等离子体。
进一步的，含能薄膜的靶材为Au或Ag或Cu或Al中任何一种；所述含能薄膜中为Al-Ni、Al-CuO任何一种含能物质。
进一步的，含能飞片的聚合物飞片是聚氯代对二甲苯PC薄膜或聚酰亚胺PI薄膜。
进一步的，聚合物飞片采用化学气相沉积或原位聚合方法制备；
进一步的，含能薄膜可以采用磁控溅射方法制备。
进一步的，基片选择约束桥箔爆炸产生的等离子体向上运动剪切聚合物飞片和推动含能薄膜的材料。
进一步的，爆炸桥箔采用方形或蛇形。
进一步的，加速膛为的膛孔直径是爆炸箔桥区直径的1倍、倍或者2倍。
进一步的，药剂为药柱或者药片等形式，装药密度为理论密度的85％-95％。
进一步的，药剂为点火药或者猛炸药,具体为高能钝感的猛炸药六硝基茋HNS-Ⅳ等或者常用点火药B/KNO3BPN。
与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)制备过程采用MEMS工艺，因此爆炸箔起爆系统的集成化程度更高、体积更小，可以实现批量化生产，提高了产品的一致性、降低了制备成本；(2)含能飞片本身含有金属，故不再需要额外沉积金属，有利于飞片速度的测试；(3)采用了含能飞片层，冲击与热的耦合作用可以增强点火或起爆效应，大幅降低了爆炸箔起爆系统的发火能量。
附图说明
图1是本发明含有含能飞片的爆炸箔集成芯片的立体图。
图2是本发明含有含能飞片的爆炸箔集成芯片的的俯视图。
图3是本发明含有含能飞片的爆炸箔集成芯片的制备工艺流程图。
图4是本发明含有含能飞片的爆炸箔集成芯片的发火电路连接示意图。
图5是磁控溅射的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，含有含能飞片的爆炸箔集成芯片包括基片1、爆炸桥箔4、含能飞片、加速膛7和药剂8以及焊盘2和过渡区3；含能飞片包括聚合物飞片5、含能薄膜6；所述的焊盘2、过渡区3和爆炸桥箔4均设置在基片1，且通过过渡区3将焊盘2和爆炸桥箔4连接；所述的基片1在集成芯片中作反射背板，使爆炸桥箔4电爆所产生的等离子体向上运动剪切聚合物飞片5以及推动沉积在聚合物飞片5表面含能薄膜6运动；加速膛7设置在含能薄膜6的表面，药剂8设置在加速膛7的顶部。该集成芯片的制备过程如下：
第一步，对基片1表面进行清洗，利用光刻、镀膜与剥离工艺制备Au或Ag或Cu 或Al等金属层，包括爆炸桥箔区4、过渡区3和焊盘2。所述焊盘2为两端较宽的部分，所述桥箔区4为较窄的方形或蛇形等结构部分，其对应电阻可计算；从焊盘至桥箔之间区域由逐渐变窄的过渡区连接，这有利于能量的积累，推进桥箔电爆炸形成等离子体。
第二步，制备聚合物飞片层5：采用胶带等保护焊盘区2，采用CVD或原位聚合等方法覆盖上PC或者PI等聚合物薄膜。
第三步，制备含能薄膜层6：类似第二步，首先采用光刻工艺将掩膜版上的图形转移至聚合物飞片层5，然后采用磁控溅射等镀膜方法沉积一定厚度的含能薄膜如Al/Ni 层，最后采用丙酮等有机溶剂剥离后即形成含能薄膜层6，含能薄膜层6与第二步的聚合物飞片层5一起构成含能飞片层。
第四步，制备加速膛层7：在位于爆炸箔桥区4正上方，采用光刻后具有一定深宽比和强度的任何一种材料，通过匀胶、光刻、剥离等工艺将掩膜版上的目标图形转移到位于含能飞片上方、爆炸箔桥区正上方，膛孔直径一般是爆炸箔桥区4直径的1倍、倍或者2倍。
第五步，将经压药后具有一定密度的药剂8置于加速膛7正上方，可以采用粘胶带紧贴加速膛或者外壳约束药剂的形式，即能制备出含有含能飞片的爆炸箔集成芯片。实施例1
本实施案例在爆炸箔集成芯片单元的基础上设计了爆炸箔起爆系统，结合图3和图 4，包括以下步骤注：图3a-3f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3a，对50.8mm长×50.8mm宽×0.86mm高的Al2O3陶瓷基底1表面进行清洗。
第二步，见图3b，采用光刻、剥离工艺和磁控溅射工艺在陶瓷基衬底1表面沉积 Al金属层，构成焊盘2、过渡区3和桥箔4。相关尺寸为：焊盘2宽7.5mm；从桥箔4 到焊盘2距离约为5mm；桥箔尺寸为0.3mm×0.3mm×3.6μm；焊盘2到桥箔4中间由逐渐变窄的过渡区3相连；为便于焊接与导电，焊盘2与过渡区3上沉积100nmAu层。
第三步，见图3c，使用胶带将焊盘区2保护起来，采用CVD方法沉积聚合物PC，厚度为25μm，剥离胶带后裸露焊盘，制备出PC飞片层5。
第四步，见图3d，在PC飞片层5上采用光刻、磁控溅射镀膜、剥离工艺沉积Al/Ni 含能复合薄膜6，厚度为2μm，含能复合薄膜6与第三步的PC飞片层5一起构成含能飞片层。
第五步，见图3e，采用光刻工艺，使用SU-8光刻胶在含能飞片PC飞片层5、含能薄膜6上方、桥箔4正上方制备圆柱形的SU-8胶加速膛7，直径为桥箔边长：0.3mm；高度为0.6mm。
第六步，见图3f，在SU-8胶加速膛7上采用胶带正对加速膛7紧贴钝感药柱8，装药采用对短脉冲敏感的猛炸药六硝基茋-四型HNS-Ⅳ，其装药密度为理论密度1. 74g/cm3的85％-95％，起爆能量约0.1J。
第七步，见图4，在爆炸箔集成芯片单元的基础上设计了爆炸箔起爆系统：将含有含能飞片的爆炸箔集成芯片、电容和IGBT开关组成串联电路，通过对爆炸箔集成芯片的焊盘输入短脉冲大电流，能量经过组成集成芯片的部件传递与耦合，即能完成起爆功能。

Claims (10)

1.一种含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片包括基片(1)、爆炸桥箔(4)、含能飞片、加速膛(7)和药剂(8)以及焊盘(2)和过渡区(3)；含能飞片包括聚合物飞片(5)、含能薄膜(6)；所述的焊盘(2)、过渡区(3)和爆炸桥箔(4)均设置在基片(1)，且通过过渡区(3)将焊盘(2)和爆炸桥箔(4)连接；所述的基片(1)在集成芯片中作反射背板，使爆炸桥箔(4)电爆所产生的等离子体向上运动剪切聚合物飞片(5)以及推动沉积在聚合物飞片(5)表面含能薄膜(6)运动；加速膛(7)设置在含能薄膜(6)的表面，药剂(8)设置在加速膛(7)的顶部。
2.根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述的含能薄膜(6)的靶材为Au或Ag或Cu或Al中任何一种；所述含能薄膜(6)中为Al-Ni、Al-CuO任何一种含能物质。
3.根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述的含能飞片的聚合物飞片(5)是聚氯代对二甲苯(PC)薄膜或聚酰亚胺(PI)薄膜。
4.根据权利要求3所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述聚合物飞片(5)采用化学气相沉积或原位聚合方法制备。
5.根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述含能薄膜(6)采用磁控溅射方法制备。
6.根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述的基片(1)选择约束桥箔(4)爆炸产生的等离子体向上运动剪切聚合物飞片(5)和推动含能薄膜(6)的材料。
7.根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，所述爆炸桥箔(4)采用方形或蛇形。
8.根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，加速膛为(7)的膛孔直径是爆炸箔桥区(4)直径的1倍、倍或者2倍。
9.根据根据权利要求1所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片，其特征在于，药剂(8)为药柱或者药片等形式，装药密度为理论密度的85％-95％。
10.根据权利要求9所述的含有含能飞片的爆炸箔集成芯片所述药剂为点火药或者猛炸药,具体为高能钝感的猛炸药六硝基茋(HNS-Ⅳ)等或者常用点火药B/KNO3(BPN)。
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