DE19732380B4

DE19732380B4 - Anzündelement für pyrotechnische Wirkmassen mit einer Dämmschicht

Info

Publication number: DE19732380B4
Application number: DE1997132380
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. Laucht; Heinz-Wilhelm Ehlbeck; Viktor Dipl.-Phys. Tiederle; Horst Dr. Reichardt; Markus Dipl.-Chem. Dr. Scholz; Uwe Dipl.-Ing. Weiß
Original assignee: Nico Pyrotechnik Hanns Juergen Diederichs GmbH and Co KG; Conti Temic Microelectronic GmbH; TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Rheinmetall Waffe Munition GmbH; ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: DE19732380A1

Abstract

Anzündelement zur Zündung pyrotechnischer Wirkmassen (5), bestehend aus einem Trägersubstrat (4), auf dem zwei elektrische Kontakte (1) über eine Zündbrückenschicht (2) miteinander verbunden sind, die infolge einer an ihre Kontakte (1) angelegte Spannung (U) gezündet wird,
a) wobei zwischen der Zündbrückenschicht (2) und der pyrotechnischen Wirkmasse (5) eine elektrisch isolierende Dämmschicht (7) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß,
b) diese Dämmschicht in Material und Struktur so beschaffen ist, daß sie zunächst auch thermisch isoliert und erst beim Erreichen eines definierten Druckes durch die Reaktion der Zündbrückenschicht (2) zerstört wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Anzündelement für pyrotechnische Wirkmassen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Anzündelemente sind aus der US 4,484,523 , DE 37 17 149 C3 und der DE 38 42 917 C1 bekannt. So ist aus der US-PS 4,484,523 ein Anzündelement mit einer Energiedissipationseinrichtung für hohe Zündströme bekannt, die aus einem metallischen Filmwiderstand (resistor film bridge 32) als Zündbrückenschicht besteht, der mit einer Schutzschicht (protective layer 38) aus Siliziumoxid oder ähnlichem Material versehen ist, welches korrosionsbeständig ist und so die Zündbrückenschicht schützt. Die Schutzschicht dient als elektrisch isolierende, thermisch jedoch leitende Schicht für die in der Zündbrückenschicht erzeugte Wärme. Zudem verhindert die Schutzschicht chemische Reaktionen zwischen Zündbrückenschicht und pyrotechnischer Wirkmasse.

Dies wenden in analoger Weise auch die DE 37 17 149 C3 (13: Passivationsschicht 236) sowie DE 38 42 917 C1 4, Isolationsschicht 12) an.

Aus der US 4976200 ist darüber hinaus ein üblicher Anzündelement mit einer Zündbrückenschicht bekannt.

In herkömmlichen Anzündelementen wird eine dünne Drahtbrücke geringen Widerstandes (2Ω) durch einen Stromimpuls erhitzt und verdampft. Durch diesen rein thermischen Impuls wird dann die pyrotechnische Wirkmasse entzündet. In der DE 42 22 223 C1 wird dabei eine Dünnschicht-Zündbrücke aus Titan, Titannitrid oder einer überwiegend Titan enthaltenden Legierung vorgeschlagen, da Titan oder Titannitrid aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und ihres gegenüber herkömmlichen Zündbrückenmaterialien höheren elektrischen Widerstandes beim Schmelzen eine großflächige und gleichmäßige Erhitzung der pyrotechnischen Wirkmasse gewährleisten. Die dafür erforderliche Zündenergie ist jedoch sehr hoch, da Titan einen Schmelzpunkt über 1660° Celsius aufweist ; Titannitrid über 2900° Celsius und übliche Titanlegierungen liegen noch darüber.

Eine andere Variante der Ausgestaltung der Zündbrückenschicht unter Verwendung vorzugsweise des Halbleitermaterials Polysilizium, dessen Wirkungsprinzip ebenfalls thermischer Natur ist, wird in US 4,708,060 beschrieben. Hierbei wird der ab einer erhöhten Temperatur auftretende negative Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials ausgenutzt. Dies führt im Zündmoment neben der Hitzeübertragung zur Bildung eines dünnen Plasmas und einem konvektiven Druckeffekt. Der Aufbau ist dabei vergleichbar mit einer Widerstandsbrücke.

Ein anderes Zündprinzip, beschrieben in US 5,080,016 , basiert auf der Verwendung einer Metallhydridfolie. Auf dieser freitragenden Folie ist ein Kunststoffstreifen aufgebracht, der durch die thermische Zersetzung der Hydridschicht (Gasdruckentwicklung) infolge eines Spannungsimpulses zerteilt wird, wobei Teile des Kunststoffstreifens (Flyer) beschleunigt werden und auf die in einigem Abstand angeordnete pyrotechnische Wirkmasse treffen, wobei diese durch die Druckwirkung (Schockwelle) des auftreffenden Kunststoffteils gezündet wird. Die zugeführte elektrische Energie wird somit zunächst in thermische Energie und Druck umgesetzt, was wiederum zu einer kinetischen Energie des Flyers führt, welche dieser beim Auftreffen auf die pyrotechnische Wirkmasse in Druck und Wärme umsetzt. Durch diese mehrfache Energieumwandlung treten jedoch erhebliche Wirkungsgradverluste auf, so daß die zur Zündung verwendete Spannung dabei im kV-Bereich liegen muß. Das Patent US 5,080,016 benennt die Elemente Titan, Zirkonium, Nickel und Palladium als geeignete Metalle, um entsprechend Wasserstoff einzulagern.

Generell ist auch die Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden als bekannt anzusehen, was jedoch meist als negativer Effekt auf die Festigkeit des Metalls (Wasserstoff-Krankheit) unerwünscht ist. Dieser Effekt kann auch zur gezielten Speicherung von Wasserstoff eingesetzt werden (vgl. Bergmann/ Schäfer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 6 1992, S. 452 f.).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Anzündelement zu entwickeln, welches ein verbessertes Anzündverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist die Kopplung von physikalischem, chemischem und thermischem Energieeintrag aus der Zündbrückenschicht, vorzugsweise aus Titanhydrid, über eine Dämmschicht in die pyrotechnische Wirkmasse bei wesentlich kleineren Initialisierungsenergiemengen. Durch eine derartige, bspw. aus Oxidmaterial bestehende Dämmschicht kann der Aufheizprozeß der Zündbrückenschicht auf die für die Zersetzung erforderliche Temperatur durch eine Druckerhöhung beschleunigt werden.

Zu einer weiteren Energieeinsparung führt dabei die bevorzugte Verwendung des Titanhydrids, welches sich bereits bei einer Lokaltemperatur ca. 450° Celsius zersetzt, währenddessen bisher eine Schmelztemperatur von ca. 1660° Celsius aufgebracht werden mußte. So reichen Niedervoltspannungen < 50 V und eine Initalisierungsenergie im Bereich einiger Millijoule aus, um die Zündung in Gang zu setzen.

Beim Zersetzen des Titanhydrids wird aber atomarer Wasserstoff frei, was zu einem erheblichen Druckanstieg zwischen Zündbrückenschicht und pyrotechnischer Wirkmasse führt. Außerdem wirkt der atomare Wasserstoff selbst als Zündmittel (chemische Reaktion mit dem Sauerstoff und Bestandteilen der pyrotechnischen Wirkmasse). Dabei kann es auch zur Ausbildung eines Plasmas kommen.

Der verwendete metallische Bestandteil Titan weist ein relativ hohes Atomgewicht auf, so daß neben der Wirkung des bei der Zersetzung freiwerdenden reaktiven Wasserstoffs sowie der Wirkung des entstehenden Plasmas auch der Energieeintrag durch die erhitzten schweren Metallatome besonders hoch ist, was den Zündvorgang beschleunigt.

Die Dicke der Dämmschicht und ihre ist dabei so gewählt, daß nach dem Freisetzen des reaktiven Wasserstoffs und der beginnenden Expansion die Dämmschicht bei einem vorab definierten Druck öffnet und das heiße Wasserstoffgas sowie die heißen Partikel der Zündbrückenschicht und, falls sich ausbildend, auch das Plasma an bzw. in die pyrotechnische Wirkmasse gelangen können.

Diese Kopplung von Energieeinträgen führt zu einer sehr schnellen, im Mikrosekundenbereich liegenden Zündung der pyrotechnischen Wirkmasse, was bei nahezu allen praktischen Anwendungen von Zündelementen äußerst vorteilhaft ist.

Durch die geringe Zündspannung und Initialisierungsenergie reichen bereits Autobatterien o. ä. direkt und ohne aufwendige Spannungsverstärker zur Spannungsversorgung aus. Deshalb können diese Anzündelemente besonders vorteilhaft als Zünder für Airbags und andere Insassenschutzeinrichtungen verwendet werden.

Die thermische Isolationsschicht unter der Zündbrückenschicht verringert Energieverluste durch die Wärmeableitung in das Trägersubstrat hinein und erhöht somit die in Richtung der pyrotechnischen Wirkmasse fließende und somit wirksame Energiemenge. Durch Variation der Strukturgeometrie und insbesondere Dicke der thermischen Isolationsschicht kann daher auch die Zündzeit und die minimal erforderliche Zündspannung beeinflußt werden.

Eine Zündbrückenschicht zwischen 0,2 und 2 μm erlaubt bei einem spezifischen Widerstand des Titanhydrids von ca 0,50 μΩ m eine recht große Oberfläche der Zündbrücke und gute Variationsmöglichkeiten durch Länge und Breite der Zündbrücke im bevorzugten Bereich des elektrischen Gesamtwiderstands der Zündbrückenschicht von 0,5 bis ca. 200 Ω.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiH_x-Zündbrückenschicht (0,2 < x < 2) auf einem Trägersubstrat mit einer thermischen Isolationsschicht vor der Aufbringung der Dämmschicht,
1a als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung,
1b als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und
1c als Schnittdarstellung
2 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiH_x Zündbrückenschicht (0,2 < x < 2) auf einem Trägersubstrat mit einer thermischen Isolationsschicht,
2a als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung,
2b als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und
2c als Schnittdarstellung
3 thermodynamisch wirksame Länge l und Breite b der Zündstruktur
4 Prinzipschaltbild des Zündstromkreises
5 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiH_x Zündbrückenschicht (0,2 < x < 2) auf einem Trägersubstrat mit einer thermischen Isolationsschicht und einer Dämmschicht auf der Zündbrücke
Die 1 zeigt ein Anzündelement mit bereits abgeschiedender, strukturierter und hydrierter TiH_x:(0,2<x<2) -Zündbrückenschicht 2 auf einem Trägersubstrat 4 mit einer thermischen Isolationsschicht 3 vor der Aufbringung der Dämmschicht (vgl. dazu 5).
Die thermischen Isolationsschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als geschlossene epitaktisch abgeschiedene SiO₂-Schicht ausgestaltet. Grundsätzlich kann diese aber auch durch Oxidation einer Siliziumsubstratoberfläche hergestellt werden. Darüber hinaus sind auch andere Stoffe zur thermischen Isolation geeignet. Wesentlich für die Funktion ist jedoch, daß weder durch die thermische Isolationsschicht 3 noch durch das Trägersubstrat 4, falls auf die thermische Isolationsschicht 3 verzichtet wird, die Zündbrückenschicht 2 elektrisch kurzgeschlossen wird.
Die Kontaktflächen 21 (siehe 1a) der TiH_x:(0,2<x<2)-Zündbrückenschicht 2 sind verbreitert ausgeführt, um einen möglichst geringen Übergangswiderstand zu den Kontakten 1 zu erreichen. Entsprechend werden die Kontakte 1 als eine Al-Schicht oder eine andere Schicht aus einem hochleitfahigen Material realisiert (siehe 1b und 1c), um eine Kontaktierung zu erleichtern. Die Abmessungen der Kontaktflächen 21 richten sich nach den jeweils geforderten Kontaktierungsbedingungen. In 1c wird noch einmal die Abfolge der Schichten im Schnitt deutlich, wobei die variable Dicke d der thermischen Isolationsschicht 3 den Zündzeitpunkt und die mindestens erforderliche Zündspannung beeinflußt. Wird nämlich die Zündbrückenschicht 2 vom Strom durchflossen, so ist die Zeit bis zum Erreichen der kritischen Zersetzungstemperatur im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht 3 abhängig. Kann eine größere Wärmemenge über die Isolationsschicht 3 an das Trägersubstrat 4 abfließen, so verzögert sich der Zündzeitpunkt oder aber es muß eine höhere Leistung umgesetzt werden, was eine höhere Zündspannung bedeutet.
Wie 2 als zweites Ausführungsbeispiel zeigt, kann die Titanhydrid-Zündbrückenschicht 2 auch direkt auf dem Trägersubstrat 4 abgeschieden werden, falls eine Verzögerung des Zündzeitpunktes gewünscht oder die Zündspannung entsprechend hoch gewählt wird und außerdem das Trägersubstrat 4 nicht elektrisch leitfähig ist. Die Kontakte 1 sind dabei wieder auf der strukturierten Zündbrückenschicht 2 abgeschieden (vgl. 2b und 2c).
3 verdeutlicht die letztlich wirksame Oberfläche der Zündbrückenschicht 2. Auch in dieser 3 wurde eine rechteckfömige Struktur der Zündbrückenschicht 2 der wirksamen Länge l und Breite b gewählt. Diese Struktur ist besonders einfach über die bekannten Gleichungen R = ρ I/A und P = U²/R theoretisch zu berechnen und außerdem fertigungstechnisch einfach zu dimensionieren. Die kritische Zündeigenschaften, wie Zündzeiten und Zündspannungen können dadurch angepaßt werden.
4 zeigt das Prinzipschaltbild des Zündstromkreises. Die Zündung erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung U im Niedervoltbereich an die metallisierten Kontakte 1. Infolge des einsetzenden Stromflusses kommt es zu einer joulschen Erwärmung der Titanhydrid-Zündbrückenschicht 2, welche daraufhin durch ihre Erwärmung und die chemische Zersetzung (Freisetzung von reaktivem Wasserstoff) und eine Plasmaentladung den Zündvorgang in der pyrotechnischen Wirkmasse 5 initiiert.
Neben den vorangehend beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen sind insbesondere auch andere, zum Beispiel kreisförmige Ausgestaltungen der Zündbrückenschicht denkbar.
In 5 wird nun dargestellt, daß auf der Zündbrückenschicht 2 im wirksamen Bereich der Zündbrücke zwischen den Kontakten 1 eine Dämmschicht 7 abgeschieden ist. Durch eine derartige, bspw. aus Oxidmaterial bestehende Dämmschicht 7 kann der Aufheizprozeß der Zündbrückenschicht 2 auf die für die Zersetzung erforderliche Temperatur durch eine Druckerhöhung beschleunigt werden. Die Dicke der Dämmschicht 7 und ihre Struktur (lokale Verjüngung der Dämmschicht 7 als Soll-Bruchstelle ect.) ist dabei so gewählt, daß nach dem Freisetzen des reaktiven Wasserstoffs und der beginnenden Expansion die Dämmschicht 7 bei einem vorab definierten Druck öffnet und das heiße Wasserstoffgas sowie die heißen Partikel der Zündbrückenschicht 2 und, falls sich ausbildend, auch das Plasma an bzw. in die pyrotechnische Wirkmasse 5 gelangen können. Vorzugsweise ist auch die Dämmschicht 7 nur so dick, daß diese direkt beim Beginn der Reaktion der Zündbrückenschicht 2 zerstört wird. Die Dämmschicht 7 kann aus einem Material oder einer Folge von Schichten bestehen, bei der zumindest die direkt an der Zündbrückenschicht 2 liegende elektrisch isolierend sein muß, damit die Zündbrückenschicht 2 nicht überbrückt wird. Eine teilweise Metallabscheidung als Deckschicht der Dämmschicht 7 ist jedoch denkbar, da durch die Reflexion an der metallisierten Deckschicht die Wärme vor der Zerstörung der Dämmschicht 7 in die Zündbrückenschicht 2 zurück reflektiert wird und sich diese somit schneller erhitzt.

Claims

Anzündelement zur Zündung pyrotechnischer Wirkmassen (5), bestehend aus einem Trägersubstrat (4), auf dem zwei elektrische Kontakte (1) über eine Zündbrückenschicht (2) miteinander verbunden sind, die infolge einer an ihre Kontakte (1) angelegte Spannung (U) gezündet wird, a) wobei zwischen der Zündbrückenschicht (2) und der pyrotechnischen Wirkmasse (5) eine elektrisch isolierende Dämmschicht (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß, b) diese Dämmschicht in Material und Struktur so beschaffen ist, daß sie zunächst auch thermisch isoliert und erst beim Erreichen eines definierten Druckes durch die Reaktion der Zündbrückenschicht (2) zerstört wird.
Anzündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßüber die Dicke der Dämmschicht (7) derjenige Druck eingestellt ist, ab dem die Dämmschicht zerstört wird.
Anzündelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmschicht (7) eine lokale Verjüngung als Soll-Bruchstelle aufweist.
Anzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmschicht (7) eine teilweise Metallabscheidung als Deckschicht aufweist, durch welche die Wärme vor der Zerstörung der Dämmschicht (7) an der metallisierten Deckschicht in die Zündbrückenschicht (2) zurück reflektiert wird und sich die Zündbrückenschicht (2) somit schneller erhitzt.
Anzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) eine hydrierte Titanschicht (TiH_x) ist.
Anzündelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das atomare Zusammensetzungsverhältnis (x) von Titan zu Wasserstoff der Titanhydrid (TiH_x)-Zündbrückenschicht (2) im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt.
Anzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) eine näherungsweise konstante Schichtdicke von 0,2 bis 2 μm hat.
Anzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter der Zündbrückenschicht (2) zu der der pyrotechnischen Wirkmasse (5) entgegengesetzten Seite eine thermische Isolationsschicht (3) befindet.
Anzündelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (3) eine näherungsweise konstante Schichtdicke von 0,5 bis 3 μm hat und aus Siliziumoxid ist.