CN114015993B - 一种高性能三元含能薄膜点火换能元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能三元含能薄膜点火换能元，所述换能元包括基底，基底表面的绝热层，位于绝热层上表面的点火桥膜和金属电极，位于点火桥膜上表面的绝缘层，位于绝缘层上表面的三元含能薄膜层，三元含能薄膜层通过周期性磁控溅射形成。本发明将Al/B/Ti三元含能薄膜与桥膜式换能元集成在同一器件中，二者制造均采用MEMS加工工艺，一致性好；三元含能薄膜可以与桥膜紧密接触，取代了传统点火系统中第一级起爆药，可靠性高；利用桥膜到三元复合含能薄膜的逐级引爆，可以实现低输入能量，高输出能量的点火。

Description

一种高性能三元含能薄膜点火换能元
技术领域
本发明涉及MEMS火工品点火器领域，特别涉及一种高性能三元含能薄膜点火换能元。
背景技术
火工品换能元是指能够将外界输入的能量转换为热能，引燃引爆炸药，提供动力源的一类器件或装置，在航空航天、导弹发射、民用爆破等领域有广泛应用。目前最为常见的火工品换能元是基于电热转换的桥式换能元，包括桥丝式、桥膜式两类，桥体所用的材料通常为金属或半导体。与传统火工品相比，桥膜式换能元具有发火能量低，输出能量高，安全性能好的特点，且采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)加工技术进行制造，可与控制电路进行集成，推动了点火系统向着微型化、低成本、高一致性的方向发展。
在传统点火系统中，桥式换能元通常还需人工涂覆斯蒂芬酸铅、苦味酸钾等点火药，点火药需要与桥式换能元紧密接触才能确保可靠点火，而人工操作可靠性和安全性差，因而复合薄膜桥膜式换能元随之出现，通过用自持可反应放热的复合含能薄膜替代第一级点火药，进一步提升换能元的稳定性与集成度。复合含能薄膜通常是由两种或两种以上材料按照一定厚度和周期通过溅射交替沉积在基底表面，在受到外界电、热或机械刺激后能够发生自蔓反应而无需持续输入能量，同时释放出大量热量。复合含能薄膜的反应类型通常为金属的合金化反应(Al/Pt，Ni/Ti，B/Ti，Al/Ni等)或铝热反应(Al/CuO，Al/MoO3，Al/Fe2O3等)。复合薄膜桥膜式换能元在外界电能输入后，金属或半导体桥膜会迅速产生大量焦耳热，引燃桥区表面的复合含能薄膜，复合薄膜剧烈的自蔓燃烧进一步释放能量，进而引燃后续爆炸药。
然而基于铝热反应的复合薄膜虽然放热量高，但是敏感度低，易发生反应，降低了复合薄膜换能元的安全性能，因此基于合金化反应的复合薄膜更符合火工品换能元对于高输出能量和安全性的要求。在二元合金化反应薄膜中能量密度最高的是B/Ti薄膜，在B∶Ti的摩尔比为2∶1时，反应能量可达5525.32J/g，但是B/Ti二元复合薄膜引燃时需要的能量输入也高，提高了对桥式换能元能量输出的要求。
发明内容
针对现有二元B/Ti复合薄膜换能元输入能量高、沉积效率低的问题，提出一种高性能三元Al/B/Ti复合薄膜点火换能元，用Al替代部分B，通过桥式换能元电爆引发Al/Ti合金化反应进一步释放热量，进而引发B/Ti合金化反应逐级引发的形式，在保留B-Ti自蔓反应能量高的优势的同时，实现换能元低输入能量发火。
为达到以上目标，本发明采取的技术方案为：
一种高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，包括基底，基底表面的绝热层，位于绝热层上表面的点火桥膜和金属电极，位于点火桥膜上表面的绝缘层，位于绝缘层上表面的Al/B/Ti三元含能薄膜层，所述三元含能薄膜层按照一定排列顺序通过周期性磁控溅射沉积在绝缘层上表面。
进一步地，所述三元含能薄膜的总厚度为1～5μm。
进一步地，所述三元含能薄膜是通过Al，B，Ti单质靶周期性磁控溅射而成，周期数为2～100。
进一步地，所述三元含能薄膜是按照Al/B/Ti、Al/Ti/B/Ti或Ti/Al/B/Al的顺序交替溅射在点火桥绝缘层上表面，各层均为单质。
进一步地，所述三元含能薄膜中Al，B，Ti的摩尔比满足Al∶B∶Ti＝6∶38∶25。
进一步地，所述三元含能薄膜在溅射时利用光刻胶作为掩膜，覆盖点火桥区和部分金属电极。
进一步地，所述基底材料为单晶硅片或玻璃片；所述绝热层材料为SiO2；所述金属电极材料为Cu或Al；所述桥区材料为单晶硅，多晶硅或NiCr合金；所述桥区形状为“H”形或双“V”形；所述绝缘层材料为SiO2或Si3N4。
本发明的有益效果为：(1)利用三元复合含能薄膜取代传统第一级点火药，磁控溅射形成的复合薄膜一致性好，与桥式换能元紧密接触，提升了点火系统的可靠性和安全性；(2)B/Ti，Al/Ti均能发生合金化自蔓反应，通过桥膜式换能元引燃后可以输出大量能量，同时三元含能薄膜通过逐级引发的方式，降低了复合薄膜换能元的输入能量；(3)通过对Al，B，Ti三种材料溅射顺序的调整以及对含能薄膜厚度和周期的调制，可以实现对三元复合含能薄膜点火换能元的输入能量和输出能量的调整，可以适应不同应用环境；(4)三元含能薄膜点火换能元采用MEMS工艺进行加工制造，一致性好，可与控制电路进行集成。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的三元含能薄膜点火换能元的结构示意图
图2为本发明按照Al/B/Ti顺序排列沉积三元含能薄膜的结构示意图
图3为本发明按照Al/Ti/B/Ti顺序排列沉积三元含能薄膜的结构示意图
图4为本发明按照Al/B/Al/Ti顺序排列沉积三元含能薄膜的结构示意图
图中：1-基底；2-绝热层；3-点火桥膜；4-金属电极；5-绝缘层；6-三元含能薄膜；7-Al薄膜；8-B薄膜；9-Ti薄膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作详细说明。
如图1-4所示，本发明提供了一种高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，包括基底1，基底表面的绝热层2，位于绝热层上表面的点火桥膜3和金属电极4，位于点火桥膜上表面的绝缘层5，位于绝缘层上表面的Al/B/Ti三元含能薄膜层6。三元含能薄膜层是按照一定排列顺序通过周期性磁控溅射形成，包含Al薄膜层7，B薄膜层8，Ti薄膜层9，各层均为单质。
上述Al/B/Ti含能薄膜点火桥的制备方法为：在n型半导体桥或金属桥基片上涂覆光刻胶，光刻图形化后，溅射厚度为1um的Al薄膜，利用剥离工艺形成桥膜两端的金属电极；然后涂覆光刻胶，图形化后利用光刻胶作为绝缘层和复合薄膜的掩膜；利用磁控溅射沉积厚度为50nm的SiO2绝缘层；接着磁控溅射三元含能薄膜，溅射腔体背底真空为5×10-6Torr，Al单质薄膜溅射时，通入氩气的流量为20sccm，工作压强0.7Pa，直流溅射功率为300W；B单质薄膜溅射时，通入氩气的流量为35sccm，工作压强0.7Pa，射频溅射功率为200-400W；Ti单质薄膜溅射时，通入氩气的流量为35sccm，工作压强0.7Pa，直流溅射功率为800W；按照一定顺序和厚度溅射Al，B，Ti三种单质薄膜，使三者的摩尔比满足Al∶B∶Ti＝6∶38∶25。最后去除光刻胶，经过划片，压焊，封装等工艺后制备出所述三元含能薄膜点火换能元。
实施例1：Al/B/Ti含能薄膜点火换能元
如图1和图2所示，所述的点火换能元在沉积桥膜表面沉积金属电极和SiO2绝缘层后，按照Al/B/Ti的顺序依次溅射60nm厚的Al薄膜，174nm厚的B薄膜，266nm厚的Ti薄膜，其中第一周期的Al薄膜与绝缘层上表面直接接触，重复溅射6个周期，三元复合薄膜总厚度为3μm。
实施例2：Al/Ti/B/Ti含能薄膜点火换能元
如图1和图3所示，所述的点火换能元在沉积桥膜表面沉积金属电极和SiO2绝缘层后，按照Al/Ti/B/Ti的顺序依次溅射60nm厚的Al薄膜，65nm厚的Ti薄膜，174nm厚的B薄膜，201nm厚的Ti薄膜，其中第一周期的Al薄膜与绝缘层上表面直接接触，重复溅射6个周期，三元复合薄膜总厚度为3μm。
实施例3：Al/B/Al/Ti含能薄膜点火换能元
如图1和图4所示，所述的点火换能元在沉积桥膜表面沉积金属电极和SiO2绝缘层后，按照Al/B/Al/Ti顺序依次溅射30nm厚的Al薄膜，174nm厚的B薄膜，30nm厚的Al薄膜，266nm厚的Ti薄膜，其中第一周期的Al薄膜与绝缘层上表面直接接触，重复溅射6个周期，三元复合薄膜总厚度为3μm。

Claims (7)

1.一种高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，包括基底，基底表面的绝热层，位于绝热层上表面的点火桥膜和金属电极，位于点火桥膜上表面的绝缘层，位于绝缘层上表面的Al/B/Ti三元含能薄膜层，所述三元含能薄膜层按照一定排列顺序通过周期性磁控溅射沉积在绝缘层上表面。
2.如权利要求1所述的高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，所述三元含能薄膜的总厚度为1～5μm。
3.如权利要求1所述的高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，所述三元含能薄膜是通过Al、B、Ti单质靶周期性磁控溅射而成，周期数为2～100。
4.如权利要求1所述的高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，所述三元含能薄膜是按照Al/B/Ti、Al/Ti/B/Ti或Ti/Al/B/Al的顺序交替溅射在点火桥绝缘层上表面，各层均为单质。
5.如权利要求1所述的高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，所述三元含能薄膜中Al，B，Ti的摩尔比满足Al∶B∶Ti＝6∶38∶25。
6.如权利要求1所述的高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，所述三元含能薄膜在溅射时利用光刻胶作为掩膜，覆盖点火桥区和部分金属电极。
7.如权利要求1所述的高性能三元含能薄膜点火换能元，其特征在于，所述基底材料为单晶硅片或玻璃片；所述绝热层材料为SiO2；所述金属电极材料为Cu或Al；所述点火桥材料为单晶硅，多晶硅或NiCr合金；桥区形状为“H”形或双“V”形；所述绝缘层材料为SiO2或Si3N4。
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