DE10162413B4

DE10162413B4 - Integriertes Spreng- oder Zündelement und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10162413B4
Application number: DE10162413A
Authority: DE
Inventors: Joachim Rudhard; Hans Artmann; Thorsten Pannek; Franz Laermer; Klaus Heyers; Sabine Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: US20030183109A1; DE10162413A1

Abstract

Integriertes Sprengelement oder Zündelement mit einem Grundkörper, insbesondere einem Siliziumkörper (10), und einem diesem zugeordneten Reaktionsbereich (15), wobei der Reaktionsbereich (15) poröses Silizium (11) und ein Oxidationsmitel (12) für Silizium aufweist, und wobei ein Mittel (13) vorgesehen ist, mit dem eine explosionsartig verlaufende chemische Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel (12) und dem porösen Silizium (11) initiierbar ist, und wobei das Mittel (13) eine oder mehrere, mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Leiterbahnen (13), insbesondere aus Aluminium, AlSi oder AlSiCu, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Sprengelement oder Zündelement sowie dessen Verwendung nach der Gattung des Hauptanspruches.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten integrierten Zündelementen, wie sie zur Zündung von Sprengsätzen, beispielsweise in Airbag-Gasgeneratoren oder Gurtstraffern, eingesetzt werden, wird vielfach auf eine Dünnschichttechnik zurückgegriffen, wobei über- oder nebeneinander angeordnete Dünnschicht-Metallleiterbahnen und/oder Oxidschichten von Metallen oder Seltenen Erden, die mittels einer Sputtertechnik auf einen Wafer aufgebracht und dort strukturiert worden sind, bei Stromfluss exotherm chemisch miteinander reagieren, so dass darüber die zur Zündung des eigentlichen Treibsatzes benötigte Wärmeenergie bereitgestellt wird. Die zur Reaktion gelangende Stoffmenge ist in diesem Fall jedoch auf die nur relativ dünnen Metallbahnen bzw. Oxidbahnen beschränkt, was zu geringen Zündenergien führt.

Aus DE 693 17 514 T2 sind Zündelemente bekannt, wobei Zündeinrichtungen vorgesehen sind, die eine Zündschnur, einen Niedrigenergiezünder und einen elektrisch aktivierbaren Zünd- bzw. Schmelzkopf aufweisen. SCIENCE, VOL. 257, 1992, Seite 68 bis 69 zeigt, dass poröses Silizium mit einem Oxidationsmittel heftig reagiert. Dies geht auch aus PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL. 87, Nummer 6, Seite 068301-1 bis 068301-4 hervor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines integrierten, zuverlässigen, elektronisch leicht zündbaren Spreng- oder Zündelementes.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße integrierte Spreng- oder Zündelement hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es kostengünstig und elektronisch sehr einfach zündbar ist, dass es direkt beispielsweise in den Gasgeneratortreibsatz eines Airbagmoduls integrierbar ist, und dass es sehr einfach auch mit einem üblichen elektronischen Bussystem verbindbar ist, über das der Befehl zum Zünden des Sprengelementes bzw. Zündelementes, insbesondere im Fall eines Airbags oder eines Gurtstraffers, erfolgt, wodurch gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit durch Entfall von Verbindungsdrähten beispielsweise zu einer sonst üblichen „Zündpille" erreicht wird.
Daneben hat das erfindungsgemäß integrierte Zündelement vor allem bei einer Verwendung zur Airbagzündung den Vorteil, dass damit ohne Weiteres eine abgestufte Zündung mehrerer Gasgeneratortreibsätze mit einem diesen jeweils zugeordneten Zündelement im Sinne eines „Smart-Airbag-Konzeptes" möglich ist.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen integrierten Spreng- oder Zündelementes liegt darin, dass es nicht nur ausreichend Wärmeenergie bereitstellt, um in dem Reaktionsbereich eine chemische Reaktion zwischen dem porösen Silizium und dem Oxidationsmittel zu starten, sondern dass bereits in dem integrierten Zünd- oder Sprengelement eine heftige Explosion mit Hitze- und Druckentwicklung auftritt. Daraus resultiert zunächst eine sehr zuverlässige Zündung einer dem Zündelement in vielen Anwedungsfällen nachgeordneten Treibladung. Da dabei weiter die bei dieser Explosion umgesetzte Stoffmenge durch Einbeziehung des Materials des umgebenden Grundkörpers, der bevorzugt aus Silizium besteht, wesentlich größer ist, als bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, werden gleichzeitig auch gegen über dem Stand der Technik wesentlich höhere Energiemengen bei der Explosion freigesetzt.
Schließlich ist es ein Vorteil des erfindungsgemäßen Zünd- oder Sprengelementes, dass durch dessen hohe Detonationsgeschwindigkeit auch hochbrisante Sprengstoffe auf der Basis von Nitroverbindungen oder Plastiksprengstoffe direkt durch Initialzündung mittels kombinierter Temperatur- und Schockwelle zur Detonation gebracht werden können. Insofern eignet es sich auch zum Aufbau von Initialzündern für nonautomotive Anwendungen, beispielsweise in einem Mikroreaktor, einem Mikrobuster wie er vielfach zur Kurskorrektur von Satelliten verwendet wird, oder als Zünder von Sprengladungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
Zeichnung
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 einen Schnitt durch eine Prinzipskizze eines in Oberflächenmikromechanik hergestellten integrierten Zündelementes.
Das im nachfolgenden erläuterte Ausführungsbeispiel macht Gebrauch von einer speziellen Eigenschaft von porösem Silizium, das in bekannter Weise in einem IC-kompatiblen Prozess in einem Oberflächenbereich eines Siliziumwafers durch elektrochemische Anodisierung in einem fluorwasserstoffhaltigen Elektrolyten erzeugbar ist. Daneben nutzt man aus, dass bei der Herstellung von porösem Silizium in bekannter Weise gleichzeitig, davor oder danach auch eine elektrische Si gnalverarbeitung bzw. eine elektronische Treiberstufe in den Siliziumwafer integrierbar ist.
Insbesondere weist mikroporöses oder nanoporöses Silizium eine extrem hohe innere Oberfläche auf, die es chemisch hochreaktiv macht. Daneben setzt die Oxidation von Silizium eine vergleichsweise hohe molare Energie frei, die die Oxidationswärme von Kohlenstoff deutlich übertrifft.
Neben der Reaktivität einer großen Siliziumoberfläche an sich, führt weiter aus der Anodisierungsreaktion bei der Herstellung von porösem Silizium stammender, vielfach an die Oberfläche des porösen. Siliziums gebundener Wasserstoff und/oder dort von daher gebundene silanartige Verbindungen dazu, dass sich die Reaktivität des porösen Siliziums und die Freisetzung von Energie bei dessen Oxidation weiter erhöht.
So stellt man beispielsweise fest, dass frisch hergestelltes poröses Silizium bei Kontakt mit hochkonzentrierter Salpetersäure in heftiger Explosion reagiert. Bei einem Einsatz schwächerer oder gehemmter Oxidationsmittel kommt es dagegen erst dann zu einer explosionsartigen Reaktion, wenn zuvor eine thermische Aktivierung stattfindet.
Wird poröses Silizium mit einem in diesem Sinne „gehemmten" Oxidationsmittel gefüllt, beispielsweise unter Verwendung einer Flüssigkeitsphase oder eines Sol-Gel-Prozesses, so entsteht ein beispielsweise schichtförmiger Reaktionsbereich aus feinstverteiltem Oxidationsmittel und nanostrukturiertem oder mikrostrukturiertem porösem Silizium, das bei thermischer Aktivierung explosionsartig abreagiert. Im einfachsten Fall kann als Oxidationsmittel auch reiner Sauerstoff dienen, der im porösen Silizium gebunden ist, und der nach Abschluss der Prozessierung des Siliziumwafers in flüssiger oder gasförmiger Form in das erzeugte poröse Silizium eingebracht wird.
Im Fall der hier erläuterten Ausführungsbeispiele benutzt man zur thermischen Aktivierung dieser Reaktion bevorzugt eine oder mehrere übliche Leiterbahnen, beispielsweise mäanderförmige Widerstandsleiterbahnen, die über, unter oder neben dem Rekationsbereich mit dem porösen Silizium verlaufen.
Werden diese Leiterbahn mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, tritt zunächst eine Temperaturerhöhung in der Umgebung des mit dem Oxidationsmittel gefüllten porösen Siliziums, d. h. in zumindest einem Teil des Reaktionsbereiches, auf, und es kommt darüber zum Auslösen der explosionsartig verlaufenden Oxidationsreaktion des Siliziums.
Die Erzeugung der benötigen Leiterbahnen kann dabei in demselben IC-Prozess erfolgen, der auch für eine integrierte Signalverarbeitung benutzt wird. Sie bestehen vorteilhaft aus Aluminium, AlSi oder AlSiCu, je nach dem, welches Metall für den entsprechenden IC-Prozess eingesetzt wird. Prinzipiell sind jedoch auch andere Metalle bzw. elektrisch leitfähige Verbindungen zur Realisierung der Leiterbahnen geeignet.
Die Herstellung des porösen Siliziums durch elektrochemische Porösifizierung kann weiter vor dem eigentlichen IC-Prozess, d. h. im sogenannten Front-end erfolgen, wobei das zunächst erzeugte poröse Silizium für die Dauer des sich anschließenden IC-Prozesses dann durch oberflächliche Oxidation vor einem thermischen Kollaps geschützt wird. Nach Abschluss des IC-Prozesses einschließlich einer Verdrahtung der erzeugten Leiterbahnen, beispielsweise zur Herstellung einer Zündleitung, wird die innere Oberfläche des porösen Siliziums dann durch kurzes Eintauchen in verdünnte Flusssäure wieder von dem stabilisierenden Oxid befreit, bevor unmittelbar danach das Oxidationsmittel in die poröse Struktur eingefüllt, getrocknet und das so in Oberflächenmikromechanik hergestellte Mikrostrukturbauelement versiegelt wird.
Zur Versiegelung eignet sich beispielsweise ein Polyimid oder ein anders Polymer, dass bevorzugt in Form einer Schicht über dem Reaktionsbereich, der einen Oberflächenbereich des eingesetzten Siliziumwafers bildet, aufgebracht wird.
In einer alternativen Prozessführung kann die elektrochemische Porösifizierung des Siliziums auch im sogenannten Backend des IC-Prozesses erfolgen, d. h. erst nach Abschluss der IC-Prozessierung und einer sich daran gegebenenfalls anschließenden Leiterbahnverdrahtung, was den Vorteil hat, dass das in diesem Stadium erzeugte poröse Silizium sofort mit Oxidationsmittel gefüllt und das Oxidationsmittel anschließend getrocknet werden kann. Daran schließt sich dann erneut bevorzugt eine Versiegelung des aus porösem Silizium und dem eingefüllten Oxidationsmittel gebildeten Reaktionsbereiches, beispielsweise durch eine Polymidschicht, an.
Im Übrigen sind auch Mischformen einer Front-end- und einer Back-end-Prozessierung möglich, d. h. die Porösifizierung des Siliziums vor dem Anlegen der Zündleiterbahnen bei ansonsten abgeschlossenen IC-Prozess ist beispielsweise ebenfalls möglich.
Als Oxidationsmittel zur Herstellung des erfindungsgemäßen integrierten Spreng- oder Zündelementes eignen sich eine Vielzahl anorganischer oder organischer Verbindungen, die bei Erwärmung Sauerstoff, Fluor, Chlor oder andere oxidierende Stoffe freisetzen, sowie auch Sauerstoff selbst. Be vorzugt wird ein Oxidationsmittel eingesetzt, das Sauerstoff freisetzt.
Beispiele für geeignete Oxidationsmittel sind anorganische Nitrate wie Kaliumnitrat, Natriumnitrat, Ammoniumnitrat, anorganische Peroxide wie Bariumperoxid oder Manganperoxid, organische Peroxide wie Benzoylperoxid, Chromate, Dichromate, Permanganat, Hypochlorite, Chlorit, Chlorate oder Perchlorate, beispielsweise Kaliumperchlorat oder Natriumperchlorat, die jeweils zunächst in geeigneten Lösungsmitteln wie Wasser gelöst und beispielsweise mittels üblicher Dispensing-Techniken lokal auf den Bereich mit dem porösen Silizium aufgebracht werden.
Bevorzugt erfolgt das Aufbringen des gelösten Oxidationsmittel durch Aufspritzen einer wohldefinierten Flüssigkeitsmenge aus einem Dispenser auf das poröse Silizium, so dass sich ein Reaktionsbereich aus porösem Silizium und Oxidationsmittel ausbildet, wobei das poröse Silizium als schwammartiges Gerüst zumindest teilweise von dem Oxidationmittel durchdrungen bzw. mit diesem getränkt wird. Durch Verwendung eines Dispensors lässt sich besonders einfach eine für das Füllen des jeweiligen Volumens mit porösem Silizium optimale Menge an Oxidationsmittel einstellen. Alternativ kann auch Sauerstoff oder ein Stickoxid wie N₂O, NO oder NO₂, verwendet werden, das in der porösen Siliziumstruktur gebunden wird.
Nachdem das in den Reaktionsbereich mit dem porösen Silizium eingefüllte Oxidationsmittel getrocknet worden ist, wird die entstandene feuchtigkeitsempfindliche Struktur versiegelt, d. h. gegenüber dem Zutritt von Wasser und/oder Luftfeuchtigkeit zumindest weitgehend hermetisch dicht abgeschlossen. Dazu wird beispielsweise ein Polymer auf den Reaktionsbereich mit Hilfe eines Dispensers aufgebracht oder aufge schleudert, so dass eine abdichtende Polymerschicht entsteht.
Im Zusammenhang mit der erwähnten Feuchteempfindlichkeit des Reaktionsbereiches mit porösem Silizium und Oxidationsmittel sei im Übrigen noch betont, dass sich vor allem Oxidationsmittel eignen, die möglichst wasserabweisend und nicht hygroskopisch sind, was beispielsweise für Kaliumperchlorat der Fall ist. Weiter ist zu beachten, dass viele Polymere wie Polyimide nicht völlig dicht sind, sondern im Laufe der Zeit zur Einlagerung von Wasser neigen, so dass ein möglichst wasserabweisendes Oxidationsmittel vorteilhaft ist, um die Reaktivität in dem erzeugten Reaktionsbereich auch in feuchter Umgebung für längere Zeit zu erhalten.
Neben dem Einfüllen eines flüssigen Oxidationsmittels in den Reaktionsbereich mit porösem Silizium und das anschließende Versiegeln oder Abdichten des Reaktionsbereiches ist es schließlich auch möglich, das Oxidationsmittel bereits mit einem versiegelnden Material zu kombinieren. Dazu eignet sich beispielsweise ein in Styrol gelöster Überschuss von Benzoylperoxid oder in Polyimid oder in geschmolzenem Paraffin feinst verteiltes Kaliumperchlorat.
Im ersten Fall wird ein Teil des Benzoylperoxids beim Trocknen das zunächst sehr niedrig viskose Styrol zu Polystyrol radikalisch polymerisieren, was einen relativ dichten, kompakten Kunststoff liefert, der dank seines Überschusses an Benzoylperoxid immer noch sehr stark oxidierend wirkt.
Im zweiten Fall wird das Polyimid durch Trocknen bzw. das Paraffin durch Abkühlen aushärten, und so den Reaktionsbereich mit porösem Silizium und dem Oxidationsmittel als gehärtetes Wachs versiegeln. Dabei ist natürlich darauf zu achten, dass die Temperatur der Paraffinschmelze unterhalb eines kritischen Wertes gehalten wird, ab dem die Oxidation von porösem Silizium durch Kaliumperchromat einsetzt.
Schließlich ist auch eine Kombination der vorgenannten Beispiele möglich, d. h. man verwendet beispielsweise eine Lösung von Benzoylperoxid in Styrol, der gleichzeitig feinst verteiltes Kaliumperchlorat oder Kaliumdichlorat zugesetzt ist.
Die 1 erläutert die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen am Beispiel eines als Grundkörper dienenden Siliziumwafers 10, in den zunächst oberflächlich durch elektrochemische Porösifizierung in einem definierten Reaktionsbereich 15 poröses Silizium 11 erzeugt worden ist.
Danach wurde in den Reaktionsbereich 15 eines der erläuterten Oxidationsmittel 12 eingebracht, so dass sich dort eine innige Mischung aus porösem Silizium und Oxidationsmittel, ähnlich einem voll gesogenen und danach getrockneten Schwamm, ausbildet.
Schließlich wurden auf der Oberfläche des Silziumwafers 10 in einer Umgebung des Reaktionsbereiches 15 bereichsweise übliche Leiterbahnen 13 erzeugt, die beispielsweise aus Aluminium, AlSi oder AlSiCu bestehen. Diese gewährleisten, dass bei deren Beaufschlagung mit einem geeigneten elektrischen Strom thermische Energie in den Reaktionsbereich 15 eingetragen wird, der dort eine exotherme explosionsartige chemische Reaktion zwischen dem porösen Silizium 11 und dem Oxidationsmittel 12 zündet.
Auf dem Siliziumwafer 10 befindet sich schließlich eine Polyimidschicht 14, die den Reaktionsbereich 15 gegenüber dem Zutritt von Wasser oder Luftfeuchtigkeit zumindest weitgehend dicht abschließt.

Claims

Integriertes Sprengelement oder Zündelement mit einem Grundkörper, insbesondere einem Siliziumkörper (10), und einem diesem zugeordneten Reaktionsbereich (15), wobei der Reaktionsbereich (15) poröses Silizium (11) und ein Oxidationsmitel (12) für Silizium aufweist, und wobei ein Mittel (13) vorgesehen ist, mit dem eine explosionsartig verlaufende chemische Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel (12) und dem porösen Silizium (11) initiierbar ist, und wobei das Mittel (13) eine oder mehrere, mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Leiterbahnen (13), insbesondere aus Aluminium, AlSi oder AlSiCu, aufweist.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reaktionsbereich (15) bereichsweise in dem Grundkörper (10) oder bereichsweise auf der Oberfläche des Grundkörpers (10) befindet, oder dass der Reaktionsbereich (15) einen Oberflächenbereich des Grundkörpers (10), insbesondere eines Siliziumwafers, bildet.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein in Oberflächenmikromechanik hergestelltes Mikrostrukturbauelement ist.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Mittel (13) thermische Energie erzeugbar ist, und dass das Mittel (13) derart angeordnet ist, dass die erzeugte thermische Energie auf den Reaktionsbereich (15) einwirkt und dort eine exotherme, chemische Reaktion zwischen dem porösen Silizium (11) und dem Oxidationsmittel (12) zündet.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (13) bereichsweise auf oder unter dem Reaktionsbereich (15) verlaufen und/oder in einer Umgebung des Reaktionsbereiches (15) angeordnet sind.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (15) ein schwammartiges Gerüst aus porösem Silizium (11) aufweist, das zumindest teilweise von dem Oxidationsmittel (12) durchdrungen, mit diesem getränkt oder oberflächlich von diesem bedeckt ist, oder dass der Reaktionsbereich (15) eine innige Mischung von porösem Silizium (11) und Oxidationsmittel (12) aufweist.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (15) insbesondere gegenüber dem Zutritt von Wasser oder Luftfeuchtigkeit zumindest weitgehend hermetisch dicht abgeschlossen ist.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (15) mit einem Polymer oder einer Polymerschicht, insbesondere einem Polyimid, versiegelt ist.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (12) eine organische oder anorganische Verbindung ist oder enthält, die bei Erwärmung Sauerstoff, Fluor, Chlor oder einen anderen Silizium oxidierenden Stoff freisetzt.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (12) ein anorganisches Nitrat insbesondere Kaliumnitrat, Natriumnitrat, Ammoniumnitrat, ein anorganisches Peroxid insbesondere Bariumperoxid oder Manganperoxid, ein organisches Peroxid insbesondere Benzoylperoxid, ein Chromat, ein Dichromat, ein Permanganat, ein Hypochlorit, ein Chlorit, ein Chlorat oder ein Perchlorat insbesondere Kaliumperchlorat oder Natriumperchlorat ist oder enthält, oder dass das Oxidationsmittel ein Gas insbesondere Sauerstoff oder ein Stickoxid ist.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktionsbereich (15) eine Mischung, Dispersion oder Lösung des Oxidationsmittels (12) mit oder in einem den Reaktionsbereich (15) gegenüber dem Zutritt von Wasser oder Luftfeuchtigkeit zumindest weitgehend hermetisch dicht abschließenden Material vorgesehen ist, insbesondere eine Lösung von Benzoylperoxid in Styrol, eine Mischung von fein verteiltem Kaliumperchlorat in einem Polyimid oder einem Paraffin, oder eine Mischung von Benzoylperoxid, Styrol und fein verteiltem Kaliumperchlorat.
Integriertes Sprengelement oder Zündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel (12) wasserabweisend und/oder nicht hygroskopisch ist.
Verwendung eines integrierten Sprengelementes oder eines integrierten Zündelementes (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Mikroreaktor, einem Mikrobooster, insbesondere zur Kurskorrektur von Satelliten, als Zündelement (5) in einem Gasgenerator für einen Gurtstraffer oder einen Airbag, insbesondere in Kraftfahrzeugen, oder als Initialzündelement zur Zündung von Sprengladungen.