DE19721929C1

DE19721929C1 - Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische Wirkmassen

Info

Publication number: DE19721929C1
Application number: DE1997121929
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Weis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2017-05-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Dünnschichtanzündeelement für pyrotechnische Wirkmassen.

Aus US 4,708,060 ist ein elektrisches Anzündmittel, von dem der Gegenstand des Patentan spruchs 1 ausgeht, bekannt, bei dem als Halbleitermaterial Polysilizium verwendet wird, dessen Wirkprinzip thermischer Natur ist. Vergleichbar ist hier die Ausführung als Wider standsbrücke. Im Zündmoment erfolgt der Energieeintrag über die Ausbildung eines dünnen Plasmas. Hierzu ist es notwendig das Material über seinen Schmelzpunkt zu erhitzen, der bei Polysilizium über 1680°C liegt. Der dazu notwendige Energieeintrag ist jedoch vergleichsweise hoch.

Eine andere Variante eines Brückenanzünders von dem der Gegenstand des Nebenans pruchs 2 ausgeht, ist aus US 4,976,200 bekannt. Hierbei wird eine dünne Wolframschicht auf einer dünnen Zwischenschicht aus Silizium abgeschieden, die Siliziumschicht dient dabei als elektrische Isolationsschicht zum Substrat. Diese Zwischenschicht wirkt durch ihren negativen Temperaturkoeffizienten selbst aktiv auf den Zündvorgang. Eine thermische Isolation zum unterliegenden Substrat ist durch die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit des Sili ziums hier kaum gegeben.

Vorteilhaft für die vorliegende Erfindung gemäß Nebenanspruch 2 ist im Hinblick hierauf die Anwendung einer thermischen Isolationsschicht unter der Zündbrückenschicht, die Energieverluste durch Wärmeableitung in das Trägersubstrat hinein verhindert, so daß die erforderliche Zündenergie kleiner wird. Durch die Variation der Schichtdicke der ther mischen Isolationsschicht und die Variation der Strukturgeometrie kann entsprechend die Zündzeit und die notwendige Zündspannung variiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dünnschichtanzündelement zu entwickeln, welches die Kopplung von chemischem und thermischem Energieeintrag (Plasmaerzeu gung) in eine pyrotechnische Schicht ermöglicht und die Zündung dieser Schicht bewirkt, welches eine höhere thermische Stabilität hinsichtlich seiner stofflichen Zusammensetzung im Vergleich zu anderen Metallhydridschichten und damit eine hohe Lebendauer gewähr leistet, mit welchem weiterhin kritische Zündparameter wie Zündzeit, Zündspannung und die zur Zündung aufzuwendende Energie durch eine entsprechende Dimensionierung der Strukturgeometrie und des Schichtaufbaus des Zündelementes einfach eingestellt werden können und welches bereits im Bereich weniger Millijoule sicher funktioniert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Nebenanspruchs 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzäh lung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 HfH_X-Schicht (2 ≧ x ≧ 0,025) abgeschieden und strukturiert auf einem Träger substrat mit einer thermisch isolierenden anorganischen oder organischen Schicht, Fig. 1a als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung,
Fig. 1b als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und Fig. 1c als Schnittdar stellung

Fig. 2 HfH_X-Schicht (2 ≧ x ≧ 0,025) abgeschieden und strukturiert auf einem Träger substrat, Fig. 2a als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung, Fig. 2b als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und Fig. 2c als Schnittdarstellung

Fig. 3 thermodynamisch wirksame Länge l und Breite b der Zündstruktur

Fig. 4 Prinzipschaltbild des Zündstromkreises

Fig. 5 HfH_X-Schicht (2 ≧ × ≧ 0,025) abgeschieden und strukturiert auf einem Träger substrat mit einer thermisch isolierenden anorganischen oder organischen Schicht und mit direkt aufgebrachter pyrotechnischer Schicht

Kennzeichnend ist, daß die hydrierte Hafniumschicht 2 direkt (halbleiterprozeßkompatibel) auf einer elektrisch und thermisch isolierenden Schicht 3 (z. B. SiO₂), die sich auf dem Trägersubstrat 4 (z. B. Si) befindet, abgeschieden ist. Die verbreiterten Kontaktflächen 21 (siehe Fig. 1a) der Zündschicht können mittels einer Al-Schicht oder einer anderen Schicht aus einem hochleitfähigen Material 1 metallisiert werden (siehe Fig. 1b und Fig. 1c), um eine Kontaktierung zu erleichtern. Die Abmessungen der Kontaktflächen 21 richten sich nach den jeweils geforderten Kontaktierungsbedingungen.

Die hydrierte Hafniumschicht 2 kann ebenfalls direkt (halbleiterprozeßkompatibel) auf dem Trägersubstrat 4 abgeschieden werden (siehe Fig. 2).

Die beschriebene Gestaltung des Anzündelementes in Form der hydrierten Hafniumschicht 2 bietet den Vorteil, daß kritische Zündeigenschaften, wie Zündzeiten und Zündspannungen einerseits direkt durch eine Veränderung der Strukturgeometrie (Länge l, Breite b, siehe Fig. 3) in Folge einer Variation der elektrischen und thermodynamischen Kenngrößen der Metallhydridstruktur einstellbar sind und zusätzlich durch die Variation der Schichtdicke d (siehe Fig. 1c) der unterliegenden thermisch isolierenden Schicht 3, welche die Einstellung der Wärmeableitung in das Trägersubstrat 4 ermöglicht.

Die Zündung erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung U an die metallisierten Kontaktflächen 21 der Struktur (siehe, Fig. 4). Infolge des einsetzenden Stromflusses kommt es zu einer joulschen Erwärmung der hydrierten Hafniumschicht 2, welche darauf hin durch ihre Erwärmung und die chemische Zersetzung (Freisetzung von reaktivem Was serstoff) und eine Plasmaentladung den Zündvorgang in der direkt aufliegenden pyrotech nischen Schicht 5 initiiert (Fig. 5).

Claims

1. Dünnschichtanzündelement zur Zündung pyrotechnischer Wirkmassen, bestehend aus einem Tägersubstrat, wobei auf das Trägersubstrat eine chemisch und thermisch aktive Zündschicht aufgebracht ist, die infolge einer an ihre Kontaktflächen angelegten Span nung eine direkt aufgebrachte pyrotechnische Schicht durch eine Plasmaentladung zün det, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündschicht eine hydrierte Hafniumschicht (2) ist.

2. Dünnschichtanzündelement zur Zündung pyrotechnischer Wirkmassen, bestehend aus einem Trägersubstrat mit einer darauf befindlichen thermisch isolierenden Schicht, wobei auf diesen Aufbau eine chemisch und thermisch aktive Zündschicht aufgebracht ist, die infolge einer an ihre Kontaktflächen angelegten Spannung eine direkt aufge brachte pyrotechnische Schicht durch eine Plasmaentladung zündet, dadurch gekennze ichnet, daß die Zündschicht eine hydrierte Hafniumschicht (2) ist.

3. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zündzeit und Zündspannung direkt durch eine Veränderung der Strukturgeometrie und durch die Variation der Schichtdicke des unterliegenden Trägersubstrates (4) einstellbar sind.

4. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zündzeit und Zündspannung direkt durch eine Veränderung der Strukturgeometrie und durch die Variation der Schichtdicke (d) der unterliegenden thermisch isolierenden Schicht (3) ein stellbar sind.

5. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verbreiterten Kontaktflächen (21) der aktiven Zündschicht mit einem hochleitfähigen Material (1) metallisiert sind.

6. Dünnschichtanzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das atomare Zusammensetzungsverhältnis Wasserstoff/Hafnium der hydrierten Hafniumschicht (2) im Bereich von 0,025 bis 2,0 liegt.

7. Dünnschichtanzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der prozentuale Wasserstoffgehalt der hydrierten Hafniumschicht (2) im Bereich von 2,25 bis 66,4 Prozent liegt.