DE10240053A1

DE10240053A1 - Brückenzünder-Zündelement

Info

Publication number: DE10240053A1
Application number: DE10240053A
Authority: DE
Inventors: Winfried Bernhard; Lutz MÜLLER; Ulrich Kunz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US6986307B2; US20040134371A1

Abstract

Die Erfindung gibt ein Brückenzünder-Zündelement (1) zum Initiieren der Zündung darüberliegender pyrotechnischer Materialien durch Erwärmung bei Hindurchleiten von elektrischem Strom an. Das Brückelement besteht im wesentlichen aus einer auf einem Substrat (2) aufgebrachten Widerstandsschicht (3), einer darauf aufgebrachten Reaktivschicht (9) aus insbesondere einem oxidierbaren Metall und einer darüber angeordneten polymeren Deckschicht (10), deren Material so ausgewählt ist, dass sie bei erhöhter Temperatur mit dem oxidierbaren Material der Raktivschicht (9) exotherm zu reagieren vermag. DOLLAR A Die polymere Deckschicht (1) ermöglicht nicht nur verringerten Energiebedarf, sondern erreicht auch einen Korrosionsschutz gegenüber der Umgebung bzw. dem pyrotechnischen Material.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Brückenzünder-Zündelement zum Initiieren der Zündung darüberliegenden pyrotechnischen Materials durch Erwärmung bei Hindurchleiten von elektrischem Strom, mit endseitigen Anschlusselementen für elektrische Leitungen und einem Widerstandselement zwischen diesen wobei Anschlusselemente und Widerstandselement auf einem Substrat aufgebracht sind.
Zündelemente dieser Art sind in vielfältigen Bauformen an sich bekannt und dienen dazu, das pyrotechnische Material sicher und zu einem möglichst definierten Zeitpunkt zu initiieren bzw. dessen Zündung zu initiieren. Die zu dieser Initiierung notwendige Energie soll möglichst niedrig sein.
Bei den pyrotechnischen Materialien handelt es sich dabei nicht nur um Sprengladungen, etwa bei der Sprengung von Bauwerken oder im Bergbau sondern auch um Materialen zur Auslösung sogenannter irreversibel auslösbarer Sicherheitselemente in Kraftfahrzeugen, wie Airbags, Gurtstraffern und dgl.. Insbesondere bei letzterem Anwendungsfall ist die sichere und zeitlich genau Initiierung bei möglichst geringem Energieaufwand von besonderer Bedeutung, wobei außerdem Fehlzündungen sicher zu vermeiden sind.
Es ist darüber hinaus bekannt, auf dem gleichen Substrat Schutzschaltung und Steuerschaltungen anzuordnen (vgl. DE 37 17 149 C3 ).
Bei einem typischen Aufbau ist auf einem Substrat, wie es beispielsweise für integrierte Schaltungen üblich ist, zunächst eine Haftschicht aus beispielsweise Titan aufgebracht, auf der ein Widerstandsmaterial, wie z. B. Palladium aufgebracht ist. Auf diesem Widerstandsmaterial ist wiederum eine Reaktivschicht aus z. B. Zr oder Hf aufgebracht, auf der wiederum eine Schicht eines Reaktionspartners, wie CuO, vorgesehen ist. Diese Anordnung ist in Aufsicht im allgemeinen länglich und weist an den Enden Anschlusselemente für elektrische Leiter auf. Zu diesem Zweck kann auf dem Widerstandsmaterial eine Kontaktschicht wie z. B. Gold aufgebracht sein. Diese Abschlusselemente sind in Aufsicht vergleichsweise großflächig, so dass sich insgesamt ein brückenähnliches Aussehen ergibt. Wird ein externer mechanischer oder elektronischer Schalter, der sich auch auf dem gleichen Substrat befinden kann, geschlossen, kann Strom durch den Brückenabschnitt zwischen den beiden Anschlusselementen fließen. Hierdurch wird die Widerstandsschicht und die sich auf der Widerstandsschicht befindende Reaktivschicht erwärmt. Die erwärmte Reaktivschicht wiederum reagiert mit dem Reaktionspartner (CuO) exotherm, wodurch das sich auf dieser Anordnung befindliche pyrotechnische Material initiiert wird. Die bei dem beispielhaften Aufbau erreichte exotherme Reaktion Zr + 2CuO -> ZrO₂ + Cu ergibt eine Reaktionsenthalpie ΔH = -772 kJ/mol (entsprechend: Zr + O₂: ΔH = -1089 kJ/mol, Cu + 0,50₂ -> CuO: ΔH = -157 kJ/mol; Zr + 2CuO -> Cu + ZrO₂: ΔH -108 – (2 × -157) -772 kJ/mol) .
Zündelemente des grundsätzlich gleichen Aufbaus und der gleichen Funktionsweise können je nach Art der verwendeten Materialien gegebenenfalls auch ohne Haftschicht und/oder ohne Reaktionspartner auskommen; gegebenenfalls kann auch der Brückenabschnitt alleine durch eine Reaktivschicht gebildet sein.
Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den bekannten Zündelementaufbau dahingehend zu verbessern, dass die Zündung bei noch geringerem Energieeintrag möglich ist.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reaktionsschicht durch eine polymere Deckschicht gegenüber der Umgebung bzw. dem pyrotechnischen Material abgedeckt ist.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.
Das erfindungsgemäße Brückenzünder-Zündelement ist insbesondere bei der Auslösung von irreversiblen Rückhaltemitteln in Kraftfahrzeugen, wie Airbags und Gurtstraffern besonders geeignet.
Die polymere Deckschicht gemäß der Erfindung schützt zum einen die funktionswichtige Reaktivschicht vor einer Korrosion durch Umgebungssauerstoff oder Luftfeuchte und auch vor einer Korrosion durch das pyrotechnische Material ("Zündpulver"). Ferner reagiert die polymere Deckschicht bei erhöhter Temperatur exotherm, so dass insgesamt ein niedriger Energieeintrag für die letztendlich erwünschte Initiierung des pyrotechnischen Materials erforderlich ist.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 entsprechend dem Schnitt I:I in 2 den grundsätzlichen Aufbau eines Brückenzünder-Zündelements gemäß der Erfindung,
2 in Aufsicht das Brückenzünder-Zündelement gemäß 1.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Das erfindungsgemäße Zündelement 1 ist beim Ausführungsbeispiel auf einem Substrat 2 ausgebildet. Eine Widerstandsschicht 3 ist direkt oder über eine Haftschicht 4 auf dem Substrat 2 aufgebracht. Die Widerstandsschicht 3 und gegebenenfalls die Haftschicht 4 auf dem Substrat 2 weisen, wie sich aus der Aufsicht gemäß 2 ergibt, einen mittigen schmalen Brückenabschnitt 5 und 2 flächige endseitige Anschlussabschnitte 6 auf. Über die Anschlussabschnitte 6 erfolgt eine nicht-dargestellte Kontaktierung mit externen elektrischen Schaltungen insbesondere zur Zündung. Deshalb ist beim Ausführungsbeispiel ein Kontaktabschnitt 7 aus beispielsweise Gold oder einem anderen sehr gut leitenden und mit elektrisch leitenden Elementen gut verbindbaren Material auf den Anschlussabschnitten 6 der Widerstandsschicht 3 aufgebracht. In dem mittigen schmalen Brückenabschnitt 5 ist auf der Widerstandsschicht 3 beim Ausführungsbeispiel eine Isolationsschicht 8 aufgebracht. Auf der Isolationsschicht 8, die auch gegebenenfalls nicht vorhanden sein muss, ist eine Reaktions- oder Reaktivschicht 9 aufgebracht, auf der wiederum eine polymere Deckschicht 10 als Schutzschicht und als Reaktionspartner aufgebracht ist. Im eingebauten Zustand ist diese polymere Deckschicht 10 eines so insgesamt gebildeten Widerstandselementes 11 in Kontakt mit dem zu initiierenden pyrotechnischen Material (nicht dargestellt). Die polymere Deckschicht 10 kann auch das gesamte Substrat 2 bedecken, d.h. sie kann auch nicht strukturiert sein.
Als Material für das Substrat 2 eignet sich jedes Material, dass selbst keine chemische Reaktion mit dem Material der Widerstandsschicht 3 gegebenenfalls der Haftschicht 4 eingeht, insbesondere eignen sich Materialien, wie sie bei integrierten Schaltungen (IC) verwendet werden (Silizium, gegebenenfalls mit einer SiO₂-Isolationsschicht), Keramiken und auch Kunststoffe. Als Reaktivschicht 9 eignen sich oxidierbare Metalle, wie insbesondere Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Y, Si, Ce und alle Lanthaniden. Zur Erreichung großer Oberflächen eignen sich insbesondere poröse Schichten als Reaktivschicht 9, da dadurch bei der exothermen Reaktion das Oxidationsmittel leichteren Zutritt erhält.
Als Material für die polymere Deckschicht 10 eignen sich alle polymere Materialien, die. bei erhöhter Temperatur mit den oxidierbaren Metallen der Reaktivschicht 9 zu reagieren vermögen. Vorteilhaft sind fluorhaltige Polymere, chlorhaltige Polymere und sauerstoffhaltige Polymere. Typische Vertreter der fluorhaltigen Polymere sind z. B. der Schutzlack FC722 der Firma 3M, lösliches Teflon AF der Firma DuPont, Lösungen von Polymer von Perfluoroctylacrylat z.B. AC8 der Firma Atofina oder PTFE-Schichten, die mittels CVD-Technik abscheidbar sind. Typische chlorhaltige Polymere sind z. B. Chlorkautschuklacke oder PVC. Typischen sauerstoffhaltige Polymere sind z.B. reine Nitrocelluloselacke, Kollodiumlacke oder Schiessbaumwolllack.
Als Material für die gegebenenfalls vorzusehende Haftschicht 4 eignen sich insbesondere Ti oder eine Ni/Cr-Legierung. Als Material für die Widerstandsschicht 3 kann das herkömmlich bekannte Pd verwendet werden.
Zum Aufbringen der verschiedenen Schichten auf das Substrat eignen sich alle für das jeweilige Substrat 2 gängigen Techniken.
Insbesondere können Widerstandsschicht 3 und gegebenenfalls Haftschicht 4 mittels der bekannten Schritte der Photolithographie aufgebracht werden.
Zur wahlweise vorsehbaren Isolationsschicht 8 wird ausdrücklich verwiesen auf die deutsche Patentanmeldung ... (Rollennummer R. 40124 entsprechend Erfindungsmeldung EM 2000/2347 = R 40124).
Die Reaktivschicht 9 kann in gleicher Weise aufgebracht werden. Insbesonders eigenen sich jedoch das Abscheiden aus der Gasphase, z. B. durch Aufdampfen oder Sputtern, das Ausscheiden aus der Flüssigphase durch chemische oder elektrochemische Ausscheidung oder auch das Aufbringen mittels Dichtschichttechnik durch Siebdruck und auch das Aufbringen durch Sintern.
Die polymere Deckschicht 10 kann beispielsweise durch Eintauchen, durch Aufsprühen, durch Spinncoaten oder durch Aufrakeln aufgebracht werden.
Die gemäß der Erfindung vorgesehene polymere Deckschicht 10 schützt zum einen die Reaktivschicht 9 vor atmosphärischer Korrosion und vor Korrosion durch das pyrotechnische Material bzw. einer chemischen Reaktion mit diesem. Darüber hinaus reagiert sie bei erhöhter Temperatur mit dem Material der Reaktivschicht 9.
Somit wird bei einem Stromfluss durch die Widerstandsschicht 3, beispielsweise durch Kondensatorentladung eines Kondensators in einer Steuerschaltung, diese erwärmt. Durch diese Erwärmung der Widerstandsschicht 3 wird die Reaktivschicht 9, gegebenenfalls durch die Isolationsschicht 8 hindurch, ebenfalls erwärmt. Die Reaktivschicht 9 reagiert nun bei Erwärmung mit der polymeren Deckschicht 10 und zwar stark exotherm. Dadurch kann das pyrotechnische Material initiiert werden, d. h. die Zündung dieses pyrotechnischen Materials initiiert werden.
Ausführungsbeispiel
Bei Zr als Material für die Reaktivschicht 9 und perfluoriertem Polymer für die polymere Deckschicht 10 ergibt sich bei der Reaktion Zr + Fluorpolymer -> ZrF₄ + C eine Reaktionenthalphie von ΔH = -1058 kJ/mol. Zugrunde liegen dabei die Reaktionen Zr + 2F₂ -> ZrF₄ mit ΔH = -1913 kJ/Mol, 7C + 8F₂ -> C₇F₁₆(l) mit ΔH = -3420 kJ/mol (wobei Perfluorhepthan als Stellvertreter für Fluorpolymer steht) ; Zr(s) + 0, 25 C₇F₁₆(l) -> 1, 75 C (s) + ZrF₄(s) mit ΔH = -1913 – (0,25 × -3420) = -1058 kJ/mol (Zahlenangaben aus dem "CRC-Handbook of Chemistry and Physics", 72. Auflage).
Zwar ist bei der Gleichsetzung von Perfluorheptan und Fluorpolymer nicht die Schmelzwärme des Perfluorheptans von ca. 10kJ/mol und ist auch die Kettenlänge des Fluorpolymers nicht berücksichtigt. Jedoch erscheint die vorstehende Abschätzung ausreichend genau.
Es empfiehlt sich ein stöchiometrischer Aufbau. Bei einem solchen ergibt sich bei Einsetzen der molaren Massen und Dichten ein Schichtdickenverhältnisse von Zr (Reaktivschicht 9) zu Perfluorpolymer (polymere Deckschicht 10) von ca. 1:3.
Somit ergibt sich nicht nur ein Korrosionsschutz für die Reaktivschicht 9 sondern auch eine Zündenergie, die etwa ein Drittel höher ist als bei der eingangs geschilderten herkömmlichen Kombination.
Für verschiedene andere Materialien für die Reaktivschicht 9 und perfluoriertem Polymer als Material für die polymere Deckschicht 10 ergeben sich folgende Reaktionsenthalpieen ΔH:
Im folgenden erfolgt nun als Beispiel die Erläuterung der Herstellung eines Brückenzünder-Zündelementes (auch reaktiver Brückenzünder genannt) als Zündelement für insbesondere Airbags unter Zugrundelegung der Dünn-Schicht-Technik auf einer integrierten Schaltung (IC). Als Grundelement eignet sich insbesondere eine anwenderspezifisch integrierte Schaltung (ASIC) auf einem Siliziumsubstrat, da, wie eingangs erwähnt, Steuerschaltungen und Schutzschaltungen auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sein können.
Wie bei dem photolithographischen Verfahren üblich, wird zunächst ein Negativ-Fotolack aufgebracht und maskiert. Es erfolgt dann eine Belichtung mit UV-Licht (z. B. 365 nm Wellenlänge). Die vom UV-Licht nicht belichteten maskierten Bereiche auf dem Fotolack bleiben bei Ätzung mit einer Entwicklerlösung stehen, die anderen Bereiche werden entfernt. Es erfolgt nun das Aufbringen einer Haftschicht 4 aus beispielsweise Titan durch Sputtern bis zu einer Dicke von etwa 30 nm. Anschließend wird für die Widerstandsschicht 3 Palladium ebenfalls aufgesputtert, und zwar bis zu einer Dicke von 300nm. Gegebenenfalls kann dann als Isolationsschicht 8 Kupferoxid CuO bis zu einer Dicke von 100nm aufgebracht werden, beispielsweise ebenfalls durch Sputtern. Schließlich wird dann die Reaktivschicht 9 aufgebracht, beispielsweise Zr in einer Schichtdicke von 1μm, beispielsweise ebenfalls durch Sputtern oder durch ein anderes Auftragverfahren.
Anschließend wird der bisher stehengebliebene Fotolack durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt und wird dann die polymere Deckschicht 10 (als Schutzschicht und Reaktionspartner) aufgebracht, beispielsweise wird der Schutzlack FC 722, ein Fluorpolymer, mit einer Dicke von 3 μm aufgeschleudert und ausgehärtet. Das Aufbringen des Polymers mittels anderer Vorgehensweisen, beispielsweise mittels eines Dispensers, ist ebenfalls möglich. Damit deckt die polymere Deckschicht 10 zumindest den Brückenabschnitt 5 bzw. das Widerstandselement 11 des Zündelementes 1 allseitig bis zum Substrat 2 ab.
Die Kontaktschicht 7 an den Anschlussabschnitten 6 kann in an sich bekannter Weise auf die Widerstandsschicht 3 in den entsprechenden Abschnitten aufgebracht werden. Ebenso kann mittels an sich bekannter Vorgehensweisen, wie sie beispielsweise auch aus der Herstellung von Hybridschaltungen, Dickschichtschaltungen und Dünnschichtschaltungen und integrierten Schaltungen bekannt sind, eine elektrisch leitende Verbindung von der Widerstandsschicht 3 im Bereich der Anschlussabschnitte 6 zu einer nicht-dargestellten, auf dem gleichen Substrat 2 vorgesehen Steuerschaltung und/oder Schutzschaltung vorgesehen werden.

Claims

Brückenzünder-Zündelement zum Initiieren der Zündung darüber liegenden pyrotechnischen Materials durch Erwärmung bei Hindurchleiten von elektrischem Strom, mit endseitigen Anschlusselementen (6) für elektrische Leitungen und einem Widerstandselement (11) zwischen diesen, wobei Anschlusselemente und Widerstandselement auf einem Substrat (2) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktivschicht (9) des Widerstandselementes (11) durch eine polymere Deckschicht (10) gegenüber der Umgebung bzw. dem pyrotechnischen Material abgedeckt ist.
Zündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Widerstandselement (11) das Substrat (2) eine Haft-(4) und eine Widerstandschicht (3) trägt, auf der die Reaktivschicht (9) aufgebracht ist.
Zündelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Widerstandsschicht (3) und Reaktivschicht (9) eine Isolationsschicht (8) vorgesehen ist.
Zündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivschicht (9) durch oxidierbare Metalle gebildet ist.
Zündelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivschicht (9) porös ausgebildet ist.
Zündelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Reaktivschicht (9) mindestens eines verwendet ist von Zr, Al, Hf, Ta, Nb, Y, Si, Ce und allen Lanthaniden.
Zündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Deckschicht (10) so ausgebildet ist, dass sie bei erhöhter Temperatur mit dem Material der Reaktivschicht (9) zu reagieren vermag.
Zündelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der polymeren Deckschicht (10) durch fluorhaltige Polymere, chlorhaltige Polymere und/oder sauerstoffhaltige Polymere gebildet ist.
Verwendung des Zündelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Auslösung pyrotechnisch auslösbarer Rückhalteelemente in Fahrzeugen, wie Airbags und Gurtstraffer.