CN202107645U - 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和点火桥阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和点火桥阵列，在硅基片上用各向异性腐蚀技术制作出正四方锥形斜面的硅杯，点火桥由上电极、下电极和电介质层叠加在硅杯上而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极和下电极，与上电极金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极金属薄膜上，上电极金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上；用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥排列成点火阵列。本实用新型具有自身防射频的能力高、点火能力强、与火工品其他部件的集成度好的功能。

Description

硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和点火桥阵列

技术领域

本实用新型属于电火工品的基础部件领域，特别是一种硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和点火桥阵列。

背景技术

电火工品是含能材料燃烧与爆炸常用的初始能源之一，在武器装备和国民经济领域有着广泛的应用，如矿山爆破，安全保护气囊，微小型卫星推进系统，火箭发动机点火系统，战斗部的传火与传爆序列，导弹的弹道修正和安全保险装置等。

桥丝式电火工品是使用的最广泛的电火工品。它是靠电流通过有一定电阻的微细金属桥丝，电能按焦耳-楞次定律                                                

产生热量，使桥丝升温达到灼热状态，加热桥丝周围的炸药使其爆炸。桥丝式电火工品的桥丝材料通常为镍铬、康铜或铂铱等，当电流通入桥丝后，在桥丝上电能转换成热能，能量的转换效率较低。桥丝式电火工品通常是用焊锡将桥丝直接焊接在两个脚线上，防射频的效果不好，容易受到外界电磁波的影响出现意外发火。同时由于受加工方法的限制，桥丝式电火工品的集成度不好，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）火工品是指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，当向SCB通脉冲电流时，桥膜材料因焦耳热迅速汽化，在电场的作用下形成弱等离子体放电，等离子体迅速扩散到与其相邻的烟火剂或高能炸药中，向烟火剂或高能炸药进行极迅速的热量传递，使其受热达到着火温度而发火。SCB具有一定的防射频特性，但电热转换率较低，制作工艺复杂，生产成本较高，并且在装药时经常和药剂间留有缝隙，发火可靠性有待进一步提高。

薄膜电桥是把金属通过物理或化学方法制作在基片上的一种膜式点火桥，它的工作原理是，在桥体通电后，桥体经过电加热发生爆炸，产生等离子体点燃药剂。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。

发明内容

本实用新型的目的在于提供新型的硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和以该硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥为基础的点火桥阵列。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，在硅基片上用各向异性腐蚀技术制作出正四方锥形斜面的硅杯，点火桥由上电极、下电极和电介质层叠加在硅杯上而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极和下电极，与上电极金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极金属薄膜上，上电极金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。

一种以硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥为基础的点火桥阵列，用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥排列成点火阵列。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：1. 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥的硅杯式聚能结构使点火桥在发火时能量往硅杯中心集中，形成局部高温区域；2. 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和硅基底的接触面积较大，其介电式结构包含的Al/CuO复合薄膜介电层具有一定的介电性，提高了点火桥自身防射频的能力；3. Al/CuO复合薄膜介电层的化学反应能增强了点火桥的点火能力；4. 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥的MEMS制作工艺提高了与火工品其他部件的集成度。 

附图说明

图1是本实用新型点火桥的俯视图。

图2是本实用新型点火桥的横剖视图。

图3是四方锥形结构硅杯横剖视图。

图4是本实用新型点火桥阵列基片制作的示意图。

图5是本实用新型点火桥点火阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型的任意一种点火桥可用于电火工品的单点点火与起爆，任意一种点火桥组成的点火阵列可用于电火工品多点点火系统和微型雷管点火系统。

结合图1、2，本实用新型硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，在硅基片上用各向异性腐蚀技术制作出正四方锥形斜面的硅杯，点火桥由上电极1、下电极2和电介质层3叠加在硅杯上而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极1和下电极2，与上电极1金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层3，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极2金属薄膜上，上电极3金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。

本实用新型硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，所述电介质层3Al/CuO复合薄膜层为若干调制周期的Al/CuO复合薄膜，Al/CuO复合薄膜调制周期的具体参数为：Al薄膜的厚度是0.3-0.4μm，CuO薄膜的厚度是0.8-0.9μm。

本实用新型硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，所述上电极1金属薄膜、下电极2金属薄膜可选择的金属为Al、Cu、Ti或Cr。

本实用新型以硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥为基础的点火桥阵列，用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥排列成点火阵列。

发明内容主要包括以下四个方面： 

硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥基本结构如图1、2所示。

1. 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥的硅杯式聚能结构使点火桥在发火时能量集中在硅杯中心，形成局部高温区域；

硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥的基本结构如图1、2所示。利用硅的各项异性腐蚀技术在硅基片上可以加工出顶角为70.52°的正四方锥形面的硅杯，在硅杯上利用MEMS工艺制作聚能点火桥。点火桥在通电后发火时，会产生聚能效应，使能量往硅杯的中心集中，形成局部高温区域。局部高温更容易使含能材料达到燃点或爆发点，从而提高了点火桥的点火能力。

2. 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥和硅基底的接触面积较大，其介电式结构包含的Al/CuO复合薄膜介电层具有一定的介电性，提高了点火桥自身防射频的能力；

硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥为正四方锥形结构，与硅基底的接触面积较大。如图1、2所示，如果点火桥的边长是1mm，平面薄膜桥与基底的接触面面积是1mm²，而硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥的接触面积是3.46mm²，大的接触面积更有利于分散杂散电流，提高防射频的的能力。

如图1、2所示，硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥采用介电式结构，金属薄膜是导电电极，Al/CuO复合薄膜夹在两层金属薄膜之间作为电介质层，介电常数可以通过调控Al/CuO复合薄膜的调制周期数进行调整。金属薄膜电极可以根据需要选择高电阻值金属，如Ni、Cr等，也可以选择低电阻值金属，如Al、Cu等。给桥体通电时，当外界电压低于Al/CuO复合薄膜的击穿电压时，点火桥不发火，当外界电压高于Al/CuO复合薄膜的击穿电压时，在上下两层金属薄膜电极之间会形成电场，该电场可以允许瞬间大电流通过桥体，促进Al/CuO的放热反应，发生电爆炸。

3. Al/CuO复合薄膜介电层的化学反应能增强了点火桥的点火能力；

Al和CuO在加热时能激烈地发生氧化还原反应，并放出大量的热，理论放热量是4067J/g。本实用新型利用磁控溅射法制备了Al/CuO复合薄膜，并通过DSC实验确定了其放热量最大的调制周期。Al/CuO复合薄膜放热量最大的调制周期是1.2μm，其中Al薄膜的厚度是0.38μm，CuO薄膜的厚度是0.82μm，放热量是2760J/g。对于点火桥，可以通过增加Al/CuO复合薄膜的调制周期数，来增强Al/CuO复合薄膜的放热量。在点火桥实现电击穿时，电流能产生焦耳热，使桥体升温，当达到一定温度时，Al/CuO复合薄膜电介质层发生剧烈的氧化还原反应，释放出反应热。因此，在输入相同的电能时，硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥不仅产生了焦耳热，而且还释放出化学反应热，提高了点火桥的点火能力。

4. 硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥的MEMS制作工艺提高了与火工品其他部件的集成度。

（1）单个硅基聚能Al/CuO复合薄膜点火桥制作

在100面的硅基片上制作出Si₃N₄掩膜，利用硅的各向异性腐蚀技术刻蚀出如图3所示的正四方锥形结构的硅杯。腐蚀条件为：

5%质量浓度的TMAH（四甲基氢氧化铵）腐蚀溶液，腐蚀温度85℃，当达到预定深度时，改用20%的TMAH溶液+1%的AP(过氯酸铵)，温度85℃，时间半小时，进行修饰，降低粗糙度。最后用70℃的浓磷酸，去除Si₃N₄掩膜。

点火桥加工过程为：

用丙酮和去离子水超声清洗基片30min，在空气中吹干后放入200℃烘箱烘烤备用。用正性反转光刻胶（AZ5200）在基片上涂覆后烘干，加底层金属薄膜电极的掩膜后进行初次曝光和反转曝光，显影后出现倒台型轮廓。用磁控溅射在显影后的基片上镀上底层金属薄膜电极，镀好后把基片放入丙酮溶液超声清洗30sec去除残胶，再用去离子水清洗，烘干后即得到完整底层金属薄膜电极。重复以上操作步骤，分别制作出Al/CuO复合薄膜和上层金属薄膜电极即可得到如图1所示的单个硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥。

（2）硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥阵列制作

制作点火桥阵列所需的硅杯阵列的制作过程如图4所示。

在制作完成的基片上，利用（1）相同的步骤，可以制作出阵列式的硅基聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，在此基础上，制作出引线，即可得到硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥阵列。

实施例1

单个硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥

在100面的硅基片上制作出Si₃N₄掩膜，利用硅的各向异性腐蚀技术刻蚀出如图2所示的正四方锥形结构的硅杯，边长为1mm。腐蚀条件为：5%质量浓度的TMAH（四甲基氢氧化铵）腐蚀溶液，腐蚀温度85℃，当达到预定深度时，改用20%的TMAH溶液+1%的AP(过氯酸铵)，温度85℃，时间半小时，进行修饰，降低粗糙度。

点火桥加工过程为：用丙酮和去离子水超声清洗基片30min，在空气中吹干后放入200℃烘箱烘烤备用。用正性反转光刻胶（AZ5200）在基片上涂覆后烘干，加底层金属薄膜电极的掩膜后进行初次曝光和反转曝光，显影后出现倒台型轮廓。用磁控溅射在显影后的基片上镀上2μm厚的Cr金属薄膜作为上电极，镀好后把基片放入丙酮溶液超声清洗30sec去除残胶，再用去离子水清洗，烘干后即得到完整底层金属薄膜电极。重复以上操作步骤，制作出6个调制周期（厚度为7.2μm）的Al/CuO复合薄膜作为电介质层，2μm厚的Cr金属薄膜作为下电极，即可得到如图1所示的单个硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥。

该点火桥可应用于电火工品的单点点火，也可与火工品其他部件集成，实现点传火、传爆功能。

实施例2

硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥为基础单元的点火阵列

硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥阵列全部是由微细加工工艺制作而成，可以以实施例1所述的单个点火桥为基础，制作微型点火阵列。点火阵列的结构如图4所示。

图4中黑色的部分为点火桥，组成了6×6个点火单元，通过点火母线与单元的逻辑寻址电路可以实现点火单元的独立发火。逻辑寻址电路材料采用Cu或Au薄膜，Cu或Au薄膜具有较低的电阻率，对点火桥的影响较小，线路的宽度为50μm。类似于这种的逻辑寻址点火电路，可以用于微推进器系统的点火，也可以用于多点点火系统和微型雷管点火系统等。

Claims (4)

1.一种硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，其特征在于:在硅基片上用各向异性腐蚀技术制作出正四方锥形斜面的硅杯，点火桥由上电极[1]、下电极[2]和电介质层[3]叠加在硅杯上而成，两层尺寸相同方向相反的金属薄膜分别作为上电极[1]和下电极[2]，与上电极[1]金属薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO复合薄膜层夹在两层金属薄膜之间作为电介质层[3]，Al/CuO复合薄膜层的一部分覆盖叠加在下电极[2]金属薄膜上，上电极[3]金属薄膜完全覆盖叠加在Al/CuO复合薄膜层上。

2.根据权利要求1所属的硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，其特征在于: 所述电介质层[3]Al/CuO复合薄膜层为若干调制周期的Al/CuO复合薄膜，Al/CuO复合薄膜调制周期的具体参数为：Al薄膜的厚度是0.3-0.4μm，CuO薄膜的厚度是0.8-0.9μm。

3.根据权利要求1所属的硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥，其特征在于: 所述上电极[1]金属薄膜、下电极[2]金属薄膜可选择的金属为Al、Cu、Ti或Cr。

4.一种以硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥为基础的点火桥阵列，其特征在于：用Au金属薄膜或Cu金属薄膜制作成引线连接若干硅杯聚能Al/CuO复合薄膜点火桥排列成点火阵列。

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