CN112254586A - 一种复合含能薄膜半导体桥 - Google Patents

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张威
邓有杞
张良
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    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F42B3/13—Bridge initiators with semiconductive bridge

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Abstract

本发明涉及一种复合含能薄膜半导体桥，包括基底、位于基底上表面的绝热层、位于绝热层上表面的半导体桥区、位于桥区两端的电极、位于桥区上表面的绝缘层和位于绝缘层上表面的复合含能薄膜层，复合含能薄膜层通过磁控溅射沉积于绝缘层表面。本发明提供的复合含能薄膜半导体桥，相比于传统的半导体桥，将磁控溅射淀积形成的复合含能薄膜层，取代了传统半导体桥的第一级人工涂敷引爆药，更可控、且安全，在能量方面，本发明选择的B/Ti材料在质量能量密度方面高于一般的复合含能薄膜，更利于能量的转换，点火能力强，同时可实现隔离点火，药剂与含能桥之间有一定的间隙空腔，在这个空腔点火通道中实现基于MEMS的微安保系统，实现智能化。

Description

一种复合含能薄膜半导体桥
技术领域
本发明属于MEMS火工品点火器领域，特别涉及一种复合含能薄膜半导体桥。
背景技术
火工品是装有火炸药，受外界刺激后产生燃烧或爆炸，以引燃火药、引爆炸药或做机械功的一次性使用的元器件和装置的总称。桥式火工品是使用最广泛的火工品，分为桥丝式、桥膜式。
随着桥式火工品与MEMS工艺的结合，桥膜式点火桥具有批量化、微型集成化、高安全、成本低等特点。根据桥膜式点火桥的材料可分为金属膜桥、半导体膜桥、复合含能薄膜桥，其中，复合含能薄膜点火桥是国内外薄膜点火桥的研究重点。
复合含能薄膜是指由纳米尺寸的颗粒镶嵌于某种薄膜材料中，或由单层膜厚在纳米量级的多层薄膜按照一定的厚度(通常满足某个化学反应计量比)，沿垂直于衬底方向周期性构成。该复合含能薄膜，单个周期性薄膜厚度范围为几纳米到几百纳米，总周期数从几到上百个，多层薄膜总厚度可达到几微米到几十微米。复合含能薄膜分为化学反应多层膜(如Al/CuO、Al/MoO3、Al/Fe2O3等)和合金化反应多层膜(如Al/Ti、Al/Ni、B/Ti等)，分别通过氧化还原反应和合金化反应释放热量。这两类复合含能薄膜在较低的能量输入下即可发生剧烈的放热反应，反应过程中伴随着等离子体的形成等，且能自蔓反应。在(蒋洪川,幸代鹏等.一种网格状含能薄膜点火桥:中国,201610041660.3[P].2016-06-22)中将含能薄膜层设置为网格状，网格的单个格子只填充A或B，且填充含能材料A的格子仅与填充B的格子接触，两者的接触面垂直于基底。提高能量的利用率和转换效率，但是交替排布的AB格子，每个格子深宽比达到20:1，工艺不好实现。在(Roland M.F,Bridge igniter:US,USP6810815B2[P].2004)提供了一种反应式半导体桥。在由钯或者镍或者铬组成H型的金属桥上，沉积绝缘层后沉积锆或者铪金属薄膜，再在金属薄膜上方沉积共反应剂(氧化铜或者氧化锰)。由于在金属桥上增加了可反应物质，靠金属及氧化物之间发生铝热反应或晶格热放出的大量的热和产生的火花使药剂发火。但是H型的桥没有热量积聚，点火效果一般。另外目前研究趋饱和的复合反应薄膜通常是Al体系，容易发生氧化，不耐高温、且不稳定，释放能量也不高。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提出了一种复合含能薄膜半导体桥，通过改变复合含能薄膜的材料，并与双V型半导体桥相结合，以提高点火的稳定性和可靠性。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种复合含能薄膜半导体桥，包括基底、位于基底上表面的绝热层、位于绝热层上表面的半导体桥区、位于半导体桥区两端的电极、位于半导体桥区上表面的绝缘层和位于绝缘层上表面的复合含能薄膜层，所述复合含能薄膜层通过磁控溅射沉积于绝缘层上表面。
进一步地，所述半导体桥区为双V型半导体桥区，双V型半导体桥区的材料为Si。
进一步地，所述双V型半导体桥区的尺寸为：长为380μm，宽为80μm，厚度为4μm，V型角度为90°。
进一步地，所述绝缘层为二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为50nm-100nm。
进一步地，所述复合含能薄膜层的膜厚为nμm，n取值范围为1-4。
进一步地，所述复合含能薄膜层是由两种或多种材料周期性交替溅射组合而成，每层均为单质。
进一步地，所述复合含能薄膜层是由B和Ti周期性交替溅射组合而成。
进一步地，所述复合含能薄膜层中B:Ti的膜厚比为22：25。
进一步地，所述复合含能薄膜层在磁控溅射时使用光刻胶作为图形掩膜。
进一步地，所述基底为陶瓷基片、单晶硅基片或玻璃基片等；所述电极的材料为Al或Ag或Cu等金属，所述复合含能薄膜半导体桥与药剂之间有一定的间隙，间隙至少为2mm。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的复合含能薄膜半导体桥，相比于传统的半导体桥，将磁控溅射淀积形成的复合含能薄膜层，取代了传统半导体桥的第一级人工涂敷引爆药，更可控、且安全。
2、在能量方面，本发明选择的B/Ti材料在质量能量密度方面高于一般的复合含能薄膜(如Al/CuO、Al/MoO3、Al/Fe2O3、Al/Ti、Al/Ni等)，更利于能量的转换，点火能力强，同时可以实现隔离点火，药剂与含能桥之间有一定的间隙空腔(至少2mm)，在这个空腔点火通道中实现基于MEMS的微安保系统，实现智能化。
3、在应用方面，本发明选择的B/Ti材料在200℃以上才会发生反应，更适用于一些需要耐高温的极端环境如航天探测、石油采探等。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的复合含能薄膜半导体桥的结构俯视示意图。
图2为本发明沿图1AA’直线的截面示意图。
图中：1-绝热层；2-复合含能薄膜层；3-电极；4-绝缘层；5-半导体桥区；6-基底。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明提供的一种复合含能薄膜半导体桥，包括基底6、位于基底上的绝热层1、位于绝热层上方的半导体桥区5、位于半导体桥区两端的电极3、部分覆盖电极和完全覆盖半导体桥区的绝缘层4和位于绝缘层上方的复合含能薄膜层2，复合含能薄膜层2是由两种或多种材料周期性交替溅射组合而成，每层均为单质。
实施例
一种复合含能薄膜半导体桥，包括单晶硅基片、位于单晶硅基片上方的SiO2绝热层、位于SiO2绝热层上方的硅点火桥区和铝电极、位于硅点火桥区和铝电极上方的SiO2绝缘层和位于SiO2绝缘层上方的复合含能薄膜层，所述复合含能薄膜层的材料为B和Ti，复合含能薄膜层的厚度为1μm。
上述复合含能薄膜半导体桥的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在n型半导体桥基片上溅射1μm厚的Al金属层，光刻后刻蚀形成Al金属电极。
步骤2、将步骤1得到的带Al电极的基片涂敷光刻胶，前烘、对准曝光、显影，便得到带有含能薄膜区图形的以光刻胶作为阻挡层的基片，接着放入磁控溅射腔体中溅射沉积厚度为50nm的SiO2绝缘层。
步骤3、将步骤2得到的基片放入磁控溅射腔体中，将背底真空抽至5×10-6Pa通入氩气35/SCCM，在气体气压0.7pa、在直流电源800W下溅射266nm厚的Ti，接着关闭直流电源，通入氩气35/SCCM，在气体气压0.7pa、射频200W下溅射234nm厚的B，接着重复上述步骤，依次沉积厚度为234nm的B和厚度为266nm的Ti，总的含能薄膜厚度为1μm。
步骤4、将步骤3得到的基片，使用丙酮、酒精、去离子水超声剥离光刻胶后洗净烘干，即可得到覆盖在指定区域的含能薄膜桥区图形。
参考文献：
1、Roland M.F,Bridge igniter:US,USP6810815B2[P].2004.
2、蒋洪川,幸代鹏等.一种网格状含能薄膜点火桥:中国,201610041660.3[P].2016-06-22.
3、蒋洪川,张宇新等.一种高能量转换率复合含能薄膜:中国,201710506529.4[P].2017-06-22.
技术缩略语：
1、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微机电系统。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，包括基底、位于基底上表面的绝热层、位于绝热层上表面的半导体桥区、位于半导体桥区两端的电极、位于半导体桥区上表面的绝缘层和位于绝缘层上表面的复合含能薄膜层，所述复合含能薄膜层通过磁控溅射沉积于绝缘层上表面。
2.如权利要求1所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述半导体桥区为双V型半导体桥区，双V型半导体桥区的材料为Si。
3.如权利要求2所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述双V型半导体桥区的尺寸为：长为380μm，宽为80μm，厚度为4μm，V型角度为90°。
4.如权利要求1所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为50nm-100nm。
5.如权利要求1所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述复合含能薄膜层的膜厚为nμm，n取值范围为1-4。
6.如权利要求1所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述复合含能薄膜层是由两种或多种材料周期性交替溅射组合而成，每层均为单质。
7.如权利要求6所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述复合含能薄膜层是由B和Ti周期性交替溅射组合而成。
8.如权利要求7所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述复合含能薄膜层中B:Ti的膜厚比为22：25。
9.如权利要求1所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述复合含能薄膜层在磁控溅射时使用光刻胶作为图形掩膜。
10.如权利要求1所述的复合含能薄膜半导体桥，其特征在于，所述基底为陶瓷基片、单晶硅基片或玻璃基片；所述电极的材料为Al或Ag或Cu，所述复合含能薄膜半导体桥与药剂之间有一定的间隙，间隙至少为2mm。
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