DE3717149A1 - Sprengzuender-zuendelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Einsatz von Sprengstoffen und insbesondere ein Zündelement für einen Spreng­ zünder, das in einen Sprengzünder eingebaut zur Ver­ wendung bei einem System mit aufeinanderfolgenden Sprengungen geeignet ist.

Bei einem System mit aufeinanderfolgenden Sprengungen ist es notwendig, das Zünden der einzelnen Spreng­ ladungen sicher und genau zu steuern. Es wurden ver­ schiedene Versuche unternommen, um dies mittels ver­ schiedener Arten von Sprengzündern zu erreichen. Nach Kenntnis des Anmelders erfüllen solche Sprengzünder, obgleich sie in verschiedener Hinsicht zufriedenstel­ lend sind, nicht alle der folgenden Kriterien:

niedrige Zusammenbaukosten, geringer Energiespeicher­ bedarf vor und während der Sprengung, scharfe Sicher­ heitsnormen, genaue Übermittlungs- und Zeitsteuer­ perioden, absolut zuverlässiger Betrieb und von vorne herein sichere Arbeitsweise.

Die Erfindung schafft ein Zündelement für Spreng­ zünder, welches wenigstens eine Energiedissipations­ einrichtung umfaßt, die auf oder in einem geeigne­ ten Substrat für die Herstellung eines integrierten Schaltkreises angeordnet ist.

Die Energiedissipationseinrichtung kann widerstands­ mäßig sein, von einer Halbleitereinrichtung oder ei­ ner Feldeffekteinrichtung gebildet sein.

Im ersten Fall kann die Energiedissipationseinrich­ tung als eine Widerstandsschicht ausgebildet sein, die auf dem Substrat aufgebracht ist. Ein durch die Widerstandsschicht hindurchfließender Strom bewirkt deren Erwärmung. Beispielsweise kann die Widerstands­ schicht aus wenigstens einem der folgenden, hier als "die bevorzugten Materialien" genannt, sein: Nickel­ chrom, Gold, Wolfram, Aluminium, Zirkonium, Polysili­ cium, eine Titan/Wolfram-Mischung und Metallsilika­ te.

Ein Widerstandselement kann auch beispielsweise mit­ tels einer Diffusions- oder Implantationstechnik her­ gestellt werden. Beispielsweise kann im ersten Fall eine Schicht aus P-Typ Silicium in ein Substrat von hauptsächlich N-Typ Silicium diffundiert werden, um das Widerstandselement zu schaffen. Die P-Typ und N- Typ Siliciumschichten können auch ausgetauscht sein. Im letzteren Fall können Ionenimplantationstechni­ ken verwendet werden, um das Widerstandselement zu bilden.

Das Widerstandselement kann so ausgelegt sein, daß es Wärme abgibt, wenn ein elektrischer Strom durch es hindurchfließt. Bei einer Abänderung dieser Art ist das Widerstandselement so ausgebildet, daß es eine Schmelzverbindung bildet, die schmilzt, wenn ein Strom vorbestimmter Stärke durch sie hindurch­ fließt. Das Schmelzen der Verbindung gibt dann eine vorbestimmte Energiemenge frei. Die Freigabe der Energie wird verwendet, um eine erste Zündstoffla­ dung zu zünden. Eine Vielzahl von Verbindungen kann auf dem gleichen Substrat verwendet werden, um die Zündwahrscheinlichkeit zu erhöhen.

Wenn Niederschlagtechniken verwendet werden, um das Widerstandselement zu bilden, kann das Element als eine dünne Schicht auf dem Substrat mit einer Schicht­ dicke von z.B. zwischen 10 und 1000 nm aufgebracht werden. Eine Maske kann verwendet werden, um ein er­ wünschtes Muster des Widerstandselements zu begren­ zen und Kontaktbereiche und überschüssiges Material können in irgendeiner geeigneten Weise weggeätzt oder entfernt werden. Das auf diese Weise gebildete Widerstandselement besitzt eine sehr geringe Wärme­ masse und kann durch Freigabe einer sehr geringen elektrischen Energiemenge erwärmt werden.

Die Energiedissipationseinrichtung kann, wie es be­ reits erwähnt wurde, andererseits ein Halbleiterele­ ment umfassen. Geeignete Elemente sind Transistoren, Feldeffekttransistoren oder ähnliche Einrichtungen, Vierschichteinrichtungen, Zenerdioden, Leuchtdioden oder irgendein anderes geeignetes Element, welches Wärme- oder Lichtenergie bei seiner Betätigung aus­ sendet, die vorzugsweise dadurch erfolgt, daß ein elektrischer Strom durch das Element fließt. Die Energie kann in einem kleinen Bereich zwischen den aktiven N- und P-Bereichen als Wärme freigesetzt werden. Dies ermöglicht, die freigesetzte Energie genau zu konzentrieren.

Gemäß einer dritten Abwandlung der Erfindung kann die Energiedissipationseinrichtung ein Feldeffektelement sein. Das Feldeffektelement kann durch erste und zwei­ te voneinander beabstandete Elektroden auf dem Sub­ strat und Schaltermittel gebildet sein, um ein elektrisches Potential über die Elektroden anzulegen. Auf diese Weise wird ein elektrisches Feld hoher In­ tensität zwischen den Elektroden erzeugt.

Die Elektroden können aus Metall oder aus irgendei­ nem der bevorzugten Materialien gebildet sein.

Die Elektroden können im wesentlichen zweidimensio­ nal in der Weise sein, daß sie als flache Schichten von leitenden Körpern auf dem Substrat ausgebildet sind; andererseits können sie dreidimensional in der Weise sein, daß sie Materialgrößen in den drei ortho­ gonalen Richtungen aufweisen.

Die Elektroden können irgendeine geeignete Form auf­ weisen. Die Elektroden können beispielsweise aus be­ abstandeten Platten bestehen, die parallel zueinander sind. Die Elektroden können andererseits gekrümmt, dreieckförmig oder in irgendeiner anderen Weise ge­ formt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung sind die Elektroden kammförmig oder finger­ förmig ausgebildet.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Elektroden erste und zweite Leiterkörper auf, wo­ bei der erste Körper mit einem offenen Mittenbereich ausgebildet ist, in dem der zweite Körper angeord­ net ist. Die Körper begrenzen zwischen sich einen Ringspalt, über den der Potentialunterschied erzeugt wird.

Die Elektroden können in irgendeiner geeigneten Weise ausgebildet sein und sind vorzugsweise dadurch ausge­ bildet, daß eines der bevorzugten Materialien auf ei­ ner dielektrischen Passivationsschicht des Substrats aufgebracht wird. Die Materialien können zu einer erwünschten Form geätzt werden.

Die Schaltermittel können erste und zweite Schalter­ einrichtungen umfassen, wobei die erste Einrichtung zwischen der ersten und zweiten Elektrode und die zweite Einrichtung mit der zweiten Elektrode und einem Pol der elektrischen Versorgung und die erste Elek­ trode mit dem anderen Pol der elektrischen Versorgung verbunden sind. Im Wartezustand d.h., wenn eine Sprengung nicht ausgelöst werden soll, ist die erste Schaltereinrichtung eingeschaltet und die zweite Schaltereinrichtung ausgeschaltet. Das Zündelement für den Sprengzünder wird dadurch betriebsbereit gemacht, daß die erste Schaltereinrichtung ausge­ schaltet und die zweite Schaltereinrichtung einge­ schaltet wird. Auf diese Weise wird das elektrische Potential quer zu den Elektroden gelegt. Ein Spreng­ stoff kann nahe bei oder in unmittelbarer Berührung mit der Energiedissipationseinrichtung angeordnet werden, welche bei ihrer Betätigung den Sprengstoff durch Energieumwandlung in Wärme zündet.

Wie bereits dargelegt wurde, bewirkt die Dissipa­ tion von Energie bei den meisten Beispielen der Er­ findung das Freisetzen von Wärme und diese Wärme wird verwendet, um den Sprengstoff zu zünden. Jedoch ist es möglich, die Energie in der Form von Licht abzu­ geben, wobei dann Licht den Sprengstoff zündet.

Bei der dritten Abwandlung der Erfindung, d.h., diejenige, bei der eine Feldeffekteinrichtung verwen­ det wird, wird der Sprengstoff durch eine elektro­ statische Entladung oder ein hohes elektrisches Feld gezündet.

Geeignete Sprengstoffe sind Grundsprengstoffe (primary explosives) wie Silberazid, Blei- oder Bariumstyphnat, Quecksilberfulminat und irgendwelche geeigneten sekundären Sprengstoffe wie RDX und HMX, eine Mischung von irgendwelchen der vorgenannten oder irgendwelches anderes geeignetes, festes, flüssiges oder gasförmiges Material mit den erwünschten Eigen­ schaften. Das Sprengstoffmaterial kann selbst durch Zugabe kleiner Mengen eines leitenden Materials, wie Graphit oder ein organischer Halbleiter, leitend gemacht werden. Auf diese Weise kann das Sprengstoff­ material unmittelbar aufgrund des Stromflusses, der in ihm hervorgerufen wird, erwärmt werden. Im Falle der Feldeffekteinrichtung kann der Sprengstoff ei­ nen Bestandteil, wie einen organischen Halbleiter ent­ halten, in dem ein Oxidationsmittel suspendiert ist, welches chemisch in der Gegenwart des elektrischen Feldes mit einer exothermen Reaktion reagiert. Allge­ mein gesprochen kann das Sprengstoffmaterial in der Feldeffekteinrichtung einen Feldsensibilisator enthalten.

Das Substrat kann Teil einer elektronischen Festkör­ pereinrichtung sein, die integrierte Schaltkreise zum Steuern der Betätigung des Zündelements des Sprengzünders enthält. Das Zündelement für den Spreng­ zünder kann auf einer Oberfläche einer Passivations­ schicht angeordnet sein, die die elektronische Ein­ richtung überdeckt, wobei geeignete Öffnungen vorge­ sehen sind, um den elektrischen Kontakt mit der Einrichtung zu ermöglichen. Andererseits kann es auch unter der Passivationsschicht angeordnet sein, wobei eine Öffnung oder Öffnungen durch die Passivations­ schicht hindurch vorgesehen ist bzw. sind oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Abdeckung über dem Zündelement für den Sprengzünder die Empfindlichkeit verringert.

Der Zündstoff ist nahe der Energiedissipationsein­ richtung angeordnet. Vorzugsweise haftet der Zünd­ stoff wenigstens an einer Oberfläche des Substrats an, so daß er sich in enger, physischer Berührung mit dem Substrat befindet. Insbesondere können flüs­ sige oder gasförmige Sprengstoffe beispielsweise zu­ sammen mit der Energiedissipationseinrichtung in einem dichten Behälter untergebracht sein. Auf diese Weise erfolgt ein wirkungsvoller Energieüber­ gang zwischen der Energiedissipationseinrichtung und dem Sprengstoff.

Die Güte der physischen Berührung des Sprengstoffs auf dem Substrat kann durch Verwendung eines Anhaft­ unterstützers verbessert werden. Dies verbessert die Verbindung zwischen dem Sprengstoff und der Substrat­ oberfläche. Der Sprengstoff kann in Lösung oder einer Flüssigsuspension sein. Der Anhaftunterstützer kann von einem Benetzungsmittel gebildet sein. Ein Binde­ mittel wie PVC oder ein Nitrozelluloselack, können der Lösung oder Suspension hinzugefügt sein. Eine me­ chanische Festigkeit würde gleichzeitig dem Zusammen­ bau im Falle eines festen Zündstoffes hinzugefügt.

Der Zusammenbau aus dem Sprengstoff und dem Zünd­ element für den Sprengzünder kann mit einer geeig­ neten inerten Schutzdichtung beschichtet sein wie Si­ likongummi, welches an dem Substrat anhaftet und beim Aushärten den Sprengstoff und das Substrat zueinan­ der zieht.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Fen­ ster in dem Substrat vorgesehen, in dem die Energie­ dissipationseinrichtung angeordnet ist. Der Spreng­ stoff wird dann in dem Fenster in Berührung mit der Energiedissipationseinrichtung angeordnet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Fenster nicht not­ wendig ist und daß es unter gewissen Umständen aus­ reicht, wenn der Zündstoff in nächster Nähe der Ener­ giedissipationseinrichtung angeordnet wird.

Der Zündstoff kann andererseits flüssig oder gasför­ mig sein und in einem Behälter zusammen mit der Ener­ giedissipationseinrichtung dichtend verschlossen sein. Dies vermeidet Schwierigkeiten mit der Ablagerung (deposition) des Sprengstoffs.

Der Steuerschaltkreis, den die elektronische Fest­ körpereinrichtung aufweist, kann vorbestimmte, logi­ sche Baublöcke umfassen, um für den Kunden angepaßte Sprengsteuersysteme mit geringen Kosten herzustellen. Solche Baublöcke können beispielsweise Oszillatoren, Zähler und Zeitgeber, phasengesperrte Schleifen zur genauen Taktabgabe, Kommunikationschaltkreise, Sperr­ steuerschaltkreise, Selbstprüfschaltkreise und Schalt­ kreise zur Unterdrückung elektromagnetischer Stö­ rungen enthalten. Die Kombination eines miniaturi­ sierten Sprengzünderzündelements der beschriebenen Art mit einer integrierten Schaltung ergibt eine kom­ plexe Signalverarbeitung, die zu geringen Kosten und mit hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung steht.

Überspannungsschutzmittel können vorgesehen sein, um die Energiedissipationseinrichtung gegen eine unbe­ absichtigte Auslösung zu schützen. Herkömmliche Zünd­ elemente für Sprengzünder sind nicht klein ausgebil­ det, da eine Verringerung der Größe zu einer Empfind­ lichkeitszunahme bezüglich Streuspannungen oderStreu­ strömen führt. Dadurch jedoch, daß ein integrierter Schaltkreis und ein Überspannungsschutz vorgesehen werden, kann ein hohes Maß an Unempfindlichkeit ge­ genüber elektromagnetischen Störungen erreicht werden. Die Schutzanordnung kann zusätzlich Schalter­ einrichtungen aufweisen, die mit der Energiedissi­ pationseinrichtung verbunden sind, um einen Schutz gegenüber induzierten, elektrischen Strömen zu schaf­ fen.

Ein Sprengzünder-Zündelement der beschriebenen Art kann in einem Gehäuse vorgesehen sein, wobei der Sprengstoff in dem Gehäuse so angeordnet ist, daß er durch den Auslösezündstoff, der bereits angeführt wurde, ausgelöst wird, um dadurch einen Sprengzylin­ der zu bilden.

Mittel können vorgesehen sein, um elektrische Ener­ gie der Energiedissipationseinrichtung und den Schalt­ kreisen zuzuführen. Diese Mittel können einen Konden­ sator umfassen, der durch einen Zeitgeberschaltkreis gesteuert wird oder irgendeine andere elektrische Speichereinrichtung.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein System mit einer Folge von Sprengungen, welches eine Vielzahl der beschriebenen, in Reihe geschalteten Spreng­ zünder und Mittel zur Steuerung der Zündung der ein­ zelnen Sprengzünder umfaßt.

Die Steuermittel können so ausgebildet sein, daß sie bei einem Zeitgeberschaltkreis, der jeweils den ein­ zelnen Sprengzündern zugeordnet ist, eine ausgewähl­ te Verzögerungsdauer bewirkt.

Überspannungsschutzeinrichtungen können zwischen aus­ gewählten Paaren von Sprengzündern angeordnet sein. Dies erhöht ferner die Unempfindlichkeit des Systems gegenüber induzierten Spannungen oder Strömen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen integrierten, elektronischen Sprengzünder mit einem Spreng­ zünder-Widerstandszündelement gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Schaltkreises gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines Schaltkreises, der in jedem Sprengzünder vorgesehen sein kann,

Fig. 4 eine seitliche Teilschnittdarstellung, die den körperlichen Zusammenbau eines Spreng­ zünder-Zündelements zeigt,

Fig. 5 einen nach der Erfindung ausgebildeten Spreng­ zünder,

Fig. 6 eine Schutzeinrichtung, die bei einem System mit Folgesprengung nach der Erfindung ver­ wendet wird,

Fig. 7 ein System mit Folgesprengung nach der Erfindung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein Feldeffekt-Spreng­ zünderzündelement, welches in einem inte­ grierten Schaltkreis nach der Erfindung vorgesehen ist,

Fig. 9 eine Seiten- und Schnittdarstellung der körperlichen Anordnung eines Sprengzünder­ zündelements,

Fig. 10 eine seitliche Schnittdarstellung eines Sprengzünder-Zündelements gemäß einer ande­ ren Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 11 eine perspektivische Darstellung des Spreng­ zünder-Zündelements gemäß Fig. 10, bevor ein primärer Sprengstoff an diesem angebracht bzw. angehaftet ist,

Fig. 12A, 12B bzw.12C zeigen seitliche Teilschnittdarstellun­ gen von drei Ausführungsformen eines Sprengzünder-Zündelements nach der Er­ findung,

Fig. 13-16 andere Ausführungsformen nach der Er­ findung, und

Fig. 17 eine seitliche Schnittdarstellung eines Sprengzünders, der ein Spreng­ zünder-Zündelement nach einer Abände­ rung der Erfindung enthält.

Fig. 1 zeigt von oben einen integrierten, elektronischen Sprengzünder 10, der ein Sprengzünder-Zündelement 12, einen Transistor 14, Verbindungsanschlußflächen 16, eine Überspannungsschutz-Schaltungsanordnung 18 und Zeitgeber- und Kommunikationsschaltkreise 20 auf­ weist. Das Sprengzünder-Zündelement 12 ist tatsäch­ lich eine miniaturisierte Sicherung mit einer äußerst geringen Wärmemasse und wird durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus Widerstandsmaterial oder irgend­ einem der bevorzugten Materialien oben auf einer Passivationsschicht eines integrierten Schaltkreises ausgebildet. Die Dicke der Widerstandsschicht ist in der Größenordnung von 10 bis 1000 nm. Eine Maske wird in herkömmlicher Weise verwendet, um das Muster des Sprengzünder-Zündelements und die Anschlußbe­ reiche zu begrenzen, die bleiben sollen, und über­ schüssiges Material wird dann weggeätzt.

Der integrierte Schaltkreis, auf dem das Sprengzünder- Zündelement hergestellt wird, ist im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Beispiel ist der Schalt­ kreis vom CMOS-Typ und seine Ausgestaltung ist im we­ sentlichen von herkömmlicher Art und deshalb wird diesbezüglich keine nähere Erläuterung gegeben. Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 lassen sich die folgenden Teile erkennen: ein Siliciumsubstrat 20 vom N-Typ, aufgewachsenes Feldoxid 22, P-Diffusionsbereiche 24, niedergeschlagenes Oxid 26, ein Polysilicium-Gate 28, dünnes Gate-Oxid 30, eine Zwischenverbindungsschicht 32 aus Aluminium, eine Passivationsschicht oder Schutzschicht 34 gegenüber Kratzern, und ein Sprengzünder-Zündelement 12.

Der in Fig. 1 gezeigte Transistor 14 ist vom Feldeffekt- Typ und ist durch die Bereiche 24, das Gate 28 und das Gateoxid 30 festgelegt.

Die Verbindungsschicht 32 aus Aluminium ist mit den Anschlußflächen 16 (siehe Fig. 1) über Kontaktöff­ nungen in der Passivationsschicht 34 verbindbar.

Fig. 3 zeigt im wesentlichen als Blockdiagramm die in­ tegrierte Schaltung im einzelnen, die das Spreng­ zünder-Zündelement umfaßt. In Fig. 3 ist das Spreng­ zünder-Zündelement 12 als ein in Reihe mit dem Feld­ effekt-Transistor 14 geschalteter Widerstand 12 dar­ gestellt. Zwei Zenerdioden 36 mit sechs Volt, die in Reihe und quer zu den Bauteilen 12 und 14 geschaltet sind, sind mit den Spannungsversorgungsverbindun­ gen 38 und 40 verbunden. Diese Dioden sollen Streu­ energieen an dem Auslösen des Sprengzünders verhindern und sind unter der aufgebrachten Oxidschicht 26 ange­ ordnet. Diese Schicht ist wärmeisolierend.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 3 weist einen Oszillator 42 mit einem Zeitsteuerkondensator 44, der unter dem Sprengzünder-Zündelement vergraben ist, einen Kommu­ nikationsschaltkreis 45, der eine Phasenverriegelungs­ schleife aufweist, die den Taktgeber auf dem Chip synchronisiert und gegenüber einem genauen Datentakt instabil ist, um eine genaue Zeitsteuerung des Schalt­ kreises sicherzustellen, und einen Zeitgeber- und Sperrschaltkreis 46 auf. Der Schaltkreis wird durch den Bezugstaktgeber mit phasenverriegelter Schleife getaktet.

Der Schaltkreis enthält ferner ein Selbstprüfmodul 48, welches bei eingeschalteter Spannung alle Schalt­ kreisfunktionen prüft. Dioden 50 und Widerstände 52 bei den Leitungen D (Dateneingabetakt), DI (Daten­ eingabe), R (Antwort) und DO (Datenausgabe) liefern einen statischen Schutz für den CMOS-Schaltkreis.

Der Feldeffekttransistor 14 ist so ausgelegt, daß er die Entladung der elektrischen Energie von einem Spei­ cherkondensator 54 durch das Sprengzünder-Zündelement 12 steuert. Der Speicherkondensator ist relativ groß und bildet keinen Teil des integrierten Schalt­ kreises, sondern ist vielmehr ein getrenntes Bauteil.

Fig. 4 zeigt das Teil 10, welches in einem Gehäuse 56 angebracht ist, das aus einem geeigneten Kunststoff­ material geformt ist und einen Hohlraum 58 auf­ weist, in dem das Teil 10 eingebaut ist. Der übrige Teil des Hohlraums wird von einem Sprengstoff 60 in Anspruch genommen. Der Hohlraum ist mit einem ge­ formten Deckel 62 aus einem Kunststoffmaterial abge­ dichtet. Steckerstifte 64 erstrecken sich durch das Gehäuse 56 und sind mit dem Teil 10 über Leitungen 66 verbunden. Das Teil 10 ist so angeordnet, daß das Sprengzünder-Zündelement 12 zu dem Hohlraum 58 weist und sich in Berührung mit dem Sprengstoff 60 befin­ det.

Das Gehäuse 56 weist einen zweiten Hohlraum 67 auf, der von dem in Fig. 3 dargestellten Speicherkondensa­ tor 54 beansprucht wird. Das Gehäuse ist mit einer ersten Nut 68 an einer mittleren Stelle und einer zweiten Nut 70 ausgebildet, die sich um den Hohl­ raum 67 herum erstreckt.

Fig. 5 zeigt das mit mit einer Sprengzünderdose 72 ver­ bundene Gehäuse 56, so daß ein vollständiger Spreng­ zünder 74 gebildet wird. Die Sprengzünderdose ist mit einem geeigneten Sprengstoff gefüllt und an dem Ge­ häuse 56 dadurch befestigt, daß sie an einer Stelle 76 in die Nut 68 eingebogen ist. Das Gehäuse 56 ist so ausgerichtet, daß sich der Hohlraum 58 mit seinem Sprengstoff in die Sprengzünderdose erstreckt.

Ein Verdrahtungskabelbaum 78, der mit den Stiften 64 in elektrischem Kontakt steht, ist an dem oberen Ende des Gehäuses 56 angebracht und an dem Gehäuse durch Eingriff mit der oberen Nut 70 befestigt.

Fig. 6 zeigt eine Schutzeinrichtung 80, die zusammen mit einer Vielzahl von den in Fig. 5 dargestellten Sprengzündern 74 verwendet wird. Die Schutzeinrich­ tung umfaßt eine schnelle Spannungsdurchbruchdiode 82, die von einem Kondensator 84 überbrückt ist, der einen Pfad mit geringer Impedanz für Hochfrequenz­ störungen darstellt.

Die Einrichtung 80 weist Verbindungen auf, die mit denjenigen in Fig. 3 für das Teil 10 gezeigten iden­ tisch sind. Somit weist sie zwei Spannungsversor­ gungsverbindungen 86 und 88 auf, die den Verbindun­ gen 38 und 40 bei der Einrichtung 10 entsprechen, und D, R, DI und DO Anschlüsse, die den in gleicher Weise bezeichneten Anschlüssen bei der Darstellung gemäß Fig. 3 entsprechen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Anschlüsse Di und DO unmittelbar verbunden sind und somit eine Verbindung liefern, die für Signale durchlässig ist, die zu der Datenleitung übertragem werden. Die Anschlüsse D und R werden in keinerlei Weise verwendet.

Fig. 7 zeigt ein System zur Reihensprengung, welches eine Vielzahl von Sprengzündern 74 mit Schutzeinrich­ tungen 80 umfaßt, die zwischen aufeinanderfolgenden Paaren von Sprengzündern an ausgewählten Stellen ver­ bunden sind. Die Reihenfolge der Sprengzünder wird mittels einer Einrichtung 90 bestimmt. Die Anschlüsse DO und DI benachbarter Einrichtungen sind miteinan­ der so verbunden, daß sich eine kettenförmige Ver­ bindung längs des Systems ergibt.

Die Sprengzünder sind physikalisch an erwünschten Stellen gemäß den herkömmlichen Bergwerktechniken eingesetzt. In Umgebungen mit elektrischen Störungen wird die Anzahl der Schutzeinrichtungen 80 erhöht, um die Störungsunanfälligkeit des Systems zu erhöhen.

Das System zur Reihensprengung weist eine elektrische Schnittstelle 92 auf, die Strom zu den Sprengzündern liefert und Übertragungsprotokolle zwischen einer her­ kömmlichen Kommunikationsleitung 94 von einem Steuerungsrechner 96 und den Sprengzündersignalen umsetzt.

Es ist wünschenswert, die Einrichtung für eine Reihen­ sprengung mit niederer Spannung unter Verwendung von Feldprüfeinheiten zu prüfen, bevor die Reihensprengung tatsächlich eingeleitet wird. Im Idealfall sollte die Überprüfung bei Stromversorgungsbedingungen statt­ finden bei denen die Versorgungsspannung unter 3 Volt liegt, was sicherstellt, daß bei einem Fehlbetrieb keines der Sprengzünder-Zündelemente ausreichend erwärmt werden kann, eine Sprengung hervorzurufen. Die Prüffolge ist so ausgelegt, daß fehlerhafte Einheiten durch ihre Zahl vor ihrer Verbindung in das Sprengsystem angezeigt werden.

Der Computer wird verwendet, um Verzögerungen zur Steuerung der erwünschten Sprengfolge zu steuern. Auf welche Art die Verzögerungssignale erzeugt werden, ist für das Verständnis der vorliegenden Er­ findung nicht wichtig und ist somit in dieser Be­ schreibung nicht angegeben.

Alle Sprengzünder 74 in dem in Fig. 7 gezeigten System sind identisch und eine Adressierungsprogrammierung von dem Benutzer ist nicht wünschenswert. Damit je­ doch einzelne Sprengzünder adressiert werden können, ist in dem Kommunikationssystem ein Anheftsignal (handshake signal) vorgesehen. Dies ermöglicht, daß jede Einrichtung an ihre benachbarte übergibt, sobald sie ihre Kommunikation beendet hat. Somit lie­ fert der Computer ein Anheften, die erste Einrichtung wird adressiert und antwortet und gibt dann das Anheften an die nächste Einrichtung. Der Computer kommuniziert mit allen Einrichtungen in der Linie der Reihe nach, bis die vorletzte Einrichtung ihr Anhef­ ten an die Abschlußeinheit 90 gibt. Diese Einheit überträgt dem Computer, daß das Anheftsignal das Ende der Reihe erreicht hat, woraufhin der Computer ein Signal aus­ sendet, welches alle Anheftleitungen in dem System für einen anderen Kommunikationszyklus zurück­ setzt. Auf diese Weise kann jeder Einheit durch den Computer eine Zahl zum Fehlerauffinden und für all­ gemeine Kommunikationen zugeordnet werden.

Um ein zufälliges Zünden zu verhindern, können meh­ rere Kommunikationszyklen mit einem Sperrmechanismus verwendet werden. Beispielsweise könnte die Rei­ henfolge sein: Das System wird zu anfangs einge­ schaltet und der Computer adressiert dann jede Ein­ richtung und erhält dann die Ergebnisse des Selbst­ prüfvorgangs, der mittels der Schaltungsanordnung auf der Karte eines jeden Sprengzünders durchgeführt wird, und die Zahl des Sprengzünders. Der Computer schreibt dann eine Verzögerungszeit bei jedem Spreng­ zünder ein und jeder Sprengzünder überträgt die Ver­ zögerung zu dem Computer zur Überprüfung zurück. Die Sprengzünder werden dann mittels eines statistisch einzigen Signals scharfgemacht, d.h. ein Signal, welches eine niedere Korrelation mit zufälligem Untergrund in der besonderen Umgebung aufweist. Darauf­ hin wird eine "Feuersequenz" wieder durch ein sta­ tistisch einziges Signal ausgelöst und dieses be­ wirkt die Sprengung.

Die vorgeschlagene Sicherheitssperrfolge ermög­ licht, daß ein Strom durch jedes Sprengzünder-Zünd­ element nur dann fließen kann, wenn die für jeden besonderen Sprengzünder durchgeführte Selbstprüfung zufriedenstellend ist, die Verzögerung der Einrich­ tungen richtig programmiert wurde, eine gültige Scharfmachungssequenz erhalten wurde, ein gültiges Feuersignal erhalten wurde und die Verzöge­ rungszeit abgelaufen war.

Bei einem überprüften Beispiel der Erfindung ent­ lud ein Kondensator von 4, 7 µf eine Spannung von 17,7 V in ein Sprengzünder-Zündelement, welches eine aufgestäubte Verbindung mit den Abmessungen von 80 µm zu 8 µm aufwies. Die Verbindung war mit Blei­ styphnat überdeckt. Die gemessene Reaktionszeit vom Anlegen eines Stroms bis zum Wahrnehmen eines Lichtblitzes von dem explodierenden Bleistyphnat betrug 30 µs. Die angelegte Energie war daher etwas kleiner als 20,9 µ Joule.

Die Energie zum Erwärmen des Sprengzünder-Zünd­ elements ist in dem Kondensator 54 gespeichert. Die­ ser Kondensator besitzt eine Kapazität von 10 µF und ist auf 11 V aufgeladen, was eine geeignete Ener­ gie zur Versorung des Schaltkreises und zum Erwärmen des Sprengzünder-Zündelements ist. Somit wird jeder Sprengzünder mittels einer sich bei ihm be­ findenden Energie versorgt und explodiert, so bald die Verzögerungszeit abgelaufen ist, selbst dann rechtzeitig, wenn die Leitungen, die ihn mit der Hauptspannungsversorgung verbinden, beschädigt wor­ den sind. Da kein großer Zündstrom durch das System fließt, können Stecker geringer Güte verwendet wer­ den, um die Einrichtungen in dem System mit Spreng­ folge miteinander zu verbinden.

Die Zeit, während der jede Einrichtung betrieben wer­ den kann, so bald sie von der Stromversorgung abge­ trennt ist, ist durch die Größe des Kondensators begrenzt. Eine beträchtliche Anzahl von Sprengzün­ dern kann in einem System mit Sprengfolge mit langen Verzögerungen zwischen Sprengungen, die lange Explo­ sionszeiten beinhalten, eingebaut sein. Indem der Sprengzünder, der am weitesten von der Spannungsver­ sorgung entfernt ist, zuerst gesprengt wird, kann die gesamte Energiespeicheranforderung für jede Ein­ richtung wesentlich verringert werden. Da Energie in einer Richtung zugeführt wird, die zu der Richtung der Fortpflanzung der Explosion entgegengesetzt ist, können herumfliegende Felsbrocken die Energie ört­ lich isolieren. Somit wird es bevorzugt, die Spreng­ zünder in der umgekehrten Reihenfolge zu zünden, um den Vorteil verringerter Energiespeicheranforderungen zu erhalten.

Die Erfindung schafft Sprengzünder, die ein voll­ ständig integriertes, kostengünstiges und zuver­ lässiges Sprengsystem aufbauen. Folgeverzögerungen in dem System sind genau festgelegt und komplizierte Sprengmuster können relativ einfach programmiert werden.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt in dem Einbau bzw. der Einfügung des Sprengzünder-Zündelements in einen elektronischen Chip. Der Chip enthält ferner geeignete Schaltkreise, um "an Bord" Impuls-, Zeitsteuer- und Schutzfunktionen durchzuführen.

Zwei Überspannungsschutzstufen sind eingegliedert, nämlich die durch die Schutzeinrichtungen 80 und die durch die Schutzsysteme auf den Chips geschaffenen. Der Schutzspannungspegel auf dem Chip beträgt 12 V, während der Spannungspegel von jeder Einrichtung 80 11 V beträgt. Dies stellt eine angemessene Isolierung des Sprengzünder-Zündelements gegenüber unerwünschten Signalen in dem System mit Reihensprengung sicher.

Die Fig. 8 und 9 zeigen ein Sprengzünder-Zündele­ ment, dem eine Feldeffektstruktur zugrundeliegt.

Fig. 8 zeigt in Draufsicht einen integrierten Schalt­ kreis 90, welcher ein allgemein mit 92 bezeichnetes Sprengzünder-Zündelement, Steuertransistoren 94 und 96, einen Überspannungsschutzschaltkreis 98 und einen Zeitgeber- und Kommunikationsschaltkreis 100 enthält.

Die Funktionen der Schaltkreise 98 und 100 und die Art der Verwendung des Sprengzünder-Zündelements und ihr Einbau in ein System mit Folgesprengung kann allgemein anhand der vorhergehenden Beschreibung durch­ geführt werden.

Das Sprengzünder-Zündelement 92 weist bei diesem Beispiel eine erste, innere Elektrode 102 mit einer kreisförmigen Begrenzung und eine zweite, äußere Elektrode 104 auf, welche konzentrisch zu der inneren Elektrode angeordnet ist, wobei die zwei Elektroden zwischen sich einen Ringspalt 106 begren­ zen. Diese Formen werden lediglich beispielhaft an­ gegeben.

Die Transistoren 94 und 96 sind Feldeffekteinrich­ tungen. Die Drain des Transistors 94 ist mit einem positiven Pol 108 einer elektrischen Versorgung und die Source ist mit der Elektrode 102 verbunden. Sein Gate wird durch den Schaltkreis 100 gesteuert. Der Transistor 96 ist andererseits mit seiner Source mit einem negativen Pol 110 der elektrischen Versor­ gung und sein Drain ist mit der inneren Elektrode 102 verbunden. Das Gate der Einrichtung 96 ist mit dem Schaltkreis 100 verbunden. Die äußere Elektrode 104 ist ebenfalls mit dem Pol 110 verbunden.

Die zwei Elektroden 102 und 104 werden durch Aufbrin­ gen eines der bevorzugten Materialien oben auf einer Passivationsschicht des integrierten Schaltkrei­ ses gebildet. Das aufgebrachte Metall wird dann zu der erwünschten Form geätzt.

Fig. 9 zeigt die Befestigung des Schaltkreises 90 in einem in einem Gehäuse 110 gebildeten Hohlraum 112. Stifte 116 erstrecken sich durch eine Basis des Hohl­ raums in einen unteren Hohlraum 118. Die Stifte sind mit dem Schaltkreis 90 verbunden. In analoger Weise, wie es bereits beschrieben wurde, werden die Stifte jeweils verwendet, um dem Schaltkreis Strom zuzu­ führen, für Daten- und Taktinformationen, für Beant­ wortungsinformationen, zur Datenausgabe und zur Dateneingabe.

Der Hohlraum 118 enthält einen Speicherkondensator, der nicht dargestellt ist und mit denjenigen Stiften 116 verbunden ist, die die Pole 108 und 110 zur Stromversorgung zu dem Sprengzünder-Zündelement 92 festlegen.

Ein Einsatz 120 ist an dem Gehäuse 114 befestigt. Der Einsatz weist eine konische Ausnehmung 122 auf, deren Basis in einen zylindrischen Durchlaß 124 mündet, der sich zu und über den Elektroden 102 und 104 erstreckt.

Ein primäres Sprengstoffmaterial, wie Silberacid, Bleiacid oder Bleistyphnat wird in die Ausnehmung 122 und den Durchlaß 124 eingebracht. Der Einsatz 120 bildet eine Kappe und stellt sicher daß der Sprengstoff auf die Berührung mit den Elektroden be­ grenzt ist. Der Einsatz 120 wird vorzugsweise aus einem elektrostatisch leitenden Kunststoffmaterial herge­ stellt, um die Gefahr von elektrischen Streufeldern zu verringern, die den primären Sprengstoff zunden könnten. Der Einsatz befindet sich in physischer und elektrischer Berührung mit dem äußeren Abschnitt des Gehäuses 114, welches mit dem geeigneten Stift 116 elektrisch geerdet ist.

Das in Fig. 9 gezeigte Teil ist so ausgelegt, daß es mit einer Sprengzünderdose verbunden werden kann, die mit einem geeigneten Sprengstoff gefüllt und an dem Gehäuse 114 befestigt ist. Das Gehäuse 114 wird teilweise in die Dosenöffnung eingesetzt, wobei sich der primäre Sprengstoff in die Dose hinein erstreckt und die Stifte 116 von der Dose hervorstehen. Die Dose wird dann in eine Nut 126 in der Außenfläche des Gehäuses 114 gedrückt, um die Teile miteinander zu befestigen. Eine weitere Nut 128 wird zum Fest­ legen eines Verdrahtungskabelbaums an dem Gehäuse 114 verwendet. Der Kabelbaum liefert die elektrischen Verbindungen mit den verschiedenen Stiften 116.

Eine Vielzahl der in Fig. 9 dargestellten Einrich­ tungen ist in der beschriebenen Weise in ein System zur Reihensprengung gemäß bekannter Techniken oder gemäß dem vorbeschriebenen Vorgehen eingesetzt. Der Speicherkondensator in dem Hohlraum 118 wird mittels einer primären elektrischen Quelle aufgeladen. Die Transistoren 94 und 96 werden durch den Kreis 100 gesteuert. Die Kreise 98 und 100 werden jeweils durch Datensignale gesteuert, die den Sprengzündern über die Dateneingabe-Leitung zugeführt werden. Geeignete Zündverzögerungen können in die Schaltkreise ein­ programmiert werden.

Das Sprengzünder-Zündelement wird in der folgenden Weise gesteuert. Bei normalen Bedingungen, d.h. bei nichtscharfgemachter Betriebsart, ist der Tran­ sistor 94 gesperrt und der Transistor 96 ist lei­ tend. Wenn die letztgenannte Einrichtung leitend ist, befinden sich die Elektroden 102 und 104 auf demsel­ ben Potential. Somit liegt kein Potentialunterschied an den Elektroden über den Ringspalt 106 vor, oder anders ausgedrückt, das elektrostatische Feld in die­ sem Spalt ist Null.

Wenn der Transistor 94 leitend und der Transistor 96 gesperrt wird, dann wird ein Potentialunterschied über den Spalt 106 erzeugt, der gleich der Versor­ gungsspannung der elektrischen Quelle ist, d.h. der Spannung, auf die der Speicherkondensator in dem Hohl­ raum 118 aufgeladen worden ist. Das elektrische Feld in dem Spalt 106 zündet den sensibilisierten, pri­ mären Sprengstoff in der Ausnehmung 122 und dem Durchlaß 124 und die Explosion des jeweiligen Sprengzünders wird deshalb auch in Gang gesetzt.

Die Stärke des auf diese Weise erzeugten Feldes kann durch Änderung der Breite des Spalts 106 oder der angelegten Spannung verändert werden. Um weniger empfindliche Sprengstoffe zu zünden, kann das über den Spalt gelegte Potential durch Verwendung eines Span­ nungsvervielfachers erhöht werden. Der Transistor 94 kann mit einem Widerstand im durchgeschalteten Zu­ stand hergestellt werden, der größer als der des Tran­ sistors 96 ist. Dies stellt sicher, daß die Einrichtung 96 ausgeschaltet und die Einrichtung 96 einge­ schaltet werden muß, bevor die Spannung über den Spalt 106 auf ihren erwünschten Pegel ansteigt, d.h., der Pegel, bei dem die Zündung des primären Sprengstoff­ materials stattfindet. Die Sicherheitsmaßnahme stellt sicher, daß beide Transistoren richtig betrieben wer­ den müssen, damit eine Explosion stattfindet.

Das im Zusammenhang mit den Fig. 8 und 9 beschriebene Vorgehen besitzt den Vorteil, daß das Aufbringen spe­ zieller Metalle, wie Wolfram (W) oder Nickelchrom (NiCr) unnötig ist. Die Transistoren 94 und 96 können auch relativ klein ausgebildet werden, da sie nicht zum Schalten großer Ströme sondern vielmehr zur Steuerung des Anlegens der Spannung über den Spalt 106 verwendet werden.

Die Fig. 10 bis 17 betreffen weitere Ausführungsformen nach der Erfindung.

Die Fig. 10 und 11 zeigen ein Sprengzünder-Zündelement 210 in der Form eines Siliciummikrochips, der ein Si­ liciumsubstrat 212 aufweist, welches mit einer dün­ nen Schicht 214 aus einem geeigneten Passivations­ material wie Siliciumdioxid überdeckt ist. Ein Fen­ ster 216 ist in der Passivationschicht 214 ausgebil­ det, um eine Energiedissipationseinrichtung in der Form eines Elements oder einer Verbindung 218 aus einem bevorzugten Material freizulegen. Die Verbindung 218 wird auf dem Substrat 212 mittels einer herkömm­ lichen Niederschlagstechnik aufgebracht und weist einen eingeschnürten Bereich 220 auf, der im wesent­ lichen mittig in dem Fenster 216 angeordnet ist. Ein primäres Sprengstoffmaterial 222 haftet an der Passi­ vationsschicht 214 an oder ist gegen diese gedrückt und überdeckt das Fenster 216, damit es mit der Ver­ bindung 218 in Berührung ist. Die Auslöseladung 222 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 11 nicht dargestellt.

Bei gewissen Anwendungen ist das Fenster 216 nicht notwendig und die Ladung 222 ist unmittelbar auf der Passivationsschicht in nächster Nähe zu der Ver­ bindung 218 angebracht, damit sie durch die Verbindung 218, die entweder geschmolzen oder auf eine ausrei­ chend hohe Temperatur durch einen hindurchfließen­ den, elektrischen Strom erwärmt wird, gezündet wird.

Die Ladung 222 kann Bleistyphnat sein, dem ein ge­ ringer Prozentsatz eines Bindesmittels oder eines Anhaftunterstützungsmittels vor der Anwendung auf das Substrat 212 hinzugefügt worden ist, um das An­ haften an der Passivationsschicht 214 zu erhöhen.

Die Verbindung 218 zümdet die Ladung 222 entweder durch Schmelzen oder sie kann eine ausreichend hohe Temperatur aufgrund der Widerstandsheizung erhalten, um die Ladung 222 zu zünden, während sie unzerstört bleibt.

Die Fig. 12A, 12B und 12C zeigen drei weitere Ausfüh­ rungsformen eines Sprengzünder-Zündelements 225, das ein Siliciumsubstrat 227 aufweist, an dem eine Aus­ löseeinrichtung bzw. Betätigungseinrichtung angebracht ist, die eine Metallschicht oder leitende Schicht 226 und eine exotherme Schicht oder Oxidations­ schicht 228 in verschiedener Ausgestaltung umfaßt.

In Fig. 12A ist eine Schicht 224 aus einem dielektri­ schen Material an der Oberfläche des Siliciumsub­ strats gebracht oder auf dieser aufgewachsen.

Eine Schicht 226 aus einem der bevorzugten Materialien wird oben auf der Schicht 224 des dielektrischen Ma­ terials aufgebracht. Eine exotherme Schicht oder Oxidationsschicht 228 wird dann oben auf der Schicht 226 aufgebracht. Die Schicht 228 kann aus einem Poly­ imid sein, welches eine Oxidationsverbindung wie Kaliumchlorat oder ein pyrotechnisches Medium ent­ hält, welches mit der Schicht 226 reagiert.

In Fig. 12B ist die exotherme Schicht oder Oxidations­ schicht 228 auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats 212 aufgebracht und die Schicht 226 ist oben auf der Schicht 228 aufgebracht.

In Fig. 12C ist die Schicht 226 zwischen zwei exother­ men Schichten oder Oxidationsschichten 228 einge­ schlossen.

Die Ausführungsformen gemäß Fig. 12 verlassen sich be­ züglich ihres Betriebs auf die Tatsache, daß eine exotherme Reaktion zwischen der Schicht 226 und der exothermen oder oxidierenden Schicht 228 unmittelbar auf und/oder unter der Schicht 226 in Gang gesetzt wird. Die exotherme Reaktion wird durch die Wider­ standsheizung der Schicht 226 aufgrund des durch sie hindurchfließenden elektrischen Stroms hervorgerufen. Die primäre Sprengladung (nicht dargestellt) spricht auf die exotherme Reaktion an und wird durch diese in Gang gesetzt.

Die oxidierende Schicht 228 wird während des Her­ stellungsverfahrens des Sprengzünder - Zündelements 210 aufgebracht.

Ein Vorteil bei diesen Ausführungsformen besteht darin, daß sich das Aufbringen des primären Spreng­ stoffes nicht auf eine gute Berührung, die gleichför­ mig erzielt wird, mit dem aktiven Bereich auf dem Sprengzünder - Zündelement 200 verlassen muß. Demge­ mäß können Herstellungstoleranzen während des Auf­ bringens des Sprengstoffes zugelassen werden. Eine Passivation des Sprengzünder-Zündelements 210 kann auch durchgeführt werden, um Lebensdauervariationen zu verringern. Die für die Passivation verwendeten Materialien können Polyimide sein, die eine niedere Niederschlagstemperatur aufweisen oder im Vakuum auf­ gebracht worden sind.

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung, bei der das Sprengzünder-Zündelement 230 die Form einer elektronischen Festkörpereinrichtung mit einem Siliciumsubstrat 231 aufweist.

Eine Energiedissipationseinrichtung 232 mit ei­ nem Widerstandsabschnitt eines elektrischen Schalt­ kreises ist mittels eines Abschnitts eines diffundier­ ten, eines Ionen-implantierten oder eines epitaxia­ len Elements vorgesehen, welches in oder auf dem Silicumsubstrat 231 ausgebildet ist. Metallverbin­ dungen 234, die auf der Oberfläche des Siliciumsub­ strats 231 in elektrischer Berührung mit der Einrich­ tung 232 aufgebracht worden sind, können mit einem Treiberschaltkreis (nicht dargestellt) verbunden werden. Eine Passivationsschicht 236 ist auf den Metallverbindungen 234 sowie der Einrichtung 232 aufgebracht oder oben aufgewachsen.

Die Energiedissipationseinrichtung 232 kann irgendein Schaltkreiselement wie ein Widerstand, ein Transistor oder eine Vierschichtdiode sein. Es wird darauf hingewiesen, daß, wenn die Einrichtung eine Zenerdiode oder eine aktive Einrichtung einer anderen Art ist, die durch sie erzeugte Energie genau eingestellt werden kann.

Die Energiedissipationseinrichtung 232 kann durch eine Schicht aus P-Typ Silicium gebildet werden, welches in ein Substrat 231 aus hauptsächlich N-Typ Silicium diffuniert wird, um den Widerstandsabschnitt des Schaltkreises zu schaffen. Die Schichten aus P-Typ Silicium und N-Typ Silicium können natürlich gegen­ einander ausgetauscht werden. Mehr Energie kann von einem diffundierten Widerstand vor dessen Zerstörung abgegeben werden, als es der Fall bei einer her­ kömmlichen Metallverbindung ist. Dies gibt den Vor­ teil, daß er eine weit bessere voraussagbare Zündung besitzt. Zusätzlich ist es einfach, die Dotierung des Widerstands zu ändern, um die elektrische Anpas­ sung an einen nahezu optimalen Pegel zu verbessern und auch die Größe kann ohne weiteres eingestellt werden. Ferner ist diese Art von Einrichtung besser für Kondensatorspeichersysteme geeignet, da die gesamte, verbleibende Energie in einem Kondensator in den Widerstand gebracht werden kann.

Fig. 14 zeigt ein Sprengzünder-Zündelement 240, wel­ ches eine elektronische Festkörpereinrichtung mit ei­ nem Siliciumsubstrat 241 ist. Eine Schicht aus einem dielektrischen Material (nicht dargestellt) kann auf das Siliciumsubstrat 241 aufgebracht werden. Eine ein elektrisches Feld erzeugende Struktur in der Form eines Kammes oder einer Struktur 242 in­ einandergreifender Finger ist auf das Siliciumsub­ strat 241 aufgebracht oder kann in dieses eindiffun­ diert sein. Selbstverständlich ist dies eine abge­ änderte Anordnung von der in den Fig. 8 und 9 gezeigten. Verbindungsmittel 244 sind zur Verbindung der Kamm­ struktur 242 mit einem Treiberschaltkreis (nicht dargestellt) vorgesehen. Die Kammstruktur 242 weist eine Vielzahl von beabstandeten Gliedern 246 auf. Der Abstand zwischen benachbarten Gliedern 246 liegt in der Größenordnung von 10 µm oder weniger.

Die Struktur 242 ermöglicht, daß ein sehr hohes elek­ trisches Feld gleichförmig über einen ausgedehnten Bereich aufrechterhalten werden kann. Die Zündladung (nicht dargestellt) ist unmittelbar oben auf der Struktur 42 aufgebracht. Die Zündladung ist mit fein­ gemahlenem Graphit oder mit einem organischen Halb­ leitersensibilisator sowie einem Bindemittel vermischt oder verbunden. Die unmittelbare Berührung zwischen der Zündladung und der Metallstruktur 242 bewirkt, daß sich die Zündladung in ihrem Inneren erwärmt, wo­ durch deren Zündung hervorgerufen wird. Andererseits kann die Zündladung eine Verbindung wie einen organi­ schen Halbleiter mit einem suspendierten Oxidations­ mittel, aufweisen, der chemisch in der Gegenwart eines geeigneten, hohen elektrischen Feldes mit ei­ ner exothermen Reaktion reagiert. Bezüglich dieses Gesichtspunkts der Erfindung kann eine Einrichtung hergestellt werden, die zwischen einigen wenigen Volt und ungefähr 1 kV und mit einem begrenzten Strom in der Größenordnung von Pico-Amperen arbeiten kann.

Fig. 15 zeigt ein Sprengzünder-Zündelement 25, welches eine elektronische Festkörpereinrichtung mit einem Siliciumsubstrat 251 aufweist, auf das eine eine Entladung hervorrufende Struktur aufgebracht oder eindiffundiert ist. Die eine Entladung bewirkende Struktur umfaßt ein Paar beabstandeter zahnähnlicher Strukturen 252 und 254. Die Struktur 252 weist ein Paar beabstandeter Zähne 256 auf. In ähnlicher Weise besitzt die Struktur 254 ein Paar beabstandete Zähne 258. Die Zähne 256 und 258 sind in beabstandeter Beziehung zueinander ausgerichtet, um ein Paar von Entladestrecken 260 zu bilden. Die Strukturen 252 und 254 weisen jeweils Verbindungsmittel 262 bzw. 264 zur Verbindung mit einem Treiberschaltkreis (nicht dargestellt) auf. Die Zähne 256 und 258 werden verwendet, um ein elektrisches Feld in dem Spalt 260 zu konzentrieren. Bei elektrischen Feldern von mehr als 5 V/µm kann eine Entladung zwischen den Zähnen 256 und 258 stattfinden. Sobald eine Entladung beginnt, bleibt diese bestehen, bis die elektrische Energie verringert oder eine Erosion der Zähne 256 und 258 oder eine Zerstörung des Kristallgitters ausreichend weit fortgeschritten ist, so daß das Feld zu gering wird, die Entladung aufrecht zu erhalten.

Ein primärer Sprengstoff (nicht dargestellt) kann un­ mittelbar von der Entladung zwischen den Zähnen 256 und 258 oder mittelbar durch eine exotherme, chemi­ sche Reaktion mit einer Schicht, die in Berührung mit der die Entladung bewirkenden Struktur steht, ge­ zündet werden. Ein Vorteil bei dieser Ausführungs­ form besteht darin, daß eine gutdefinierte Schwellen­ spannung als Funktion des Abstandes zwischen den Zäh­ nen 256 und 258 erhalten wird und daß die Schwellen­ spannung zwischen einigen wenigen Volt und ungefähr 1 kV geändert werden kann.

Fig. 16 zeigt ein Sprengzünder-Zündelement 270, welches einen Licht erzeugenden Mikrochips 272 aus N-Typ Material mit einer Schicht 272 A aus P-Typ Material aufweist, auf der ein primärer Sprengstoff 274 aufge­ bracht ist. Der Sprengstoff 274 spricht auf von dem Mikrochips 272 erzeugtes Licht an, der ein zusammen­ gesetzter Halbleiterlaser oder eine Licht erzeugende Einrichtung oder irgendeine andere Licht erzeugende Einrichtung sein kann, z.B. eine herkömmliche Halb­ leitereinrichtung, die durch Plasmaeffekt Licht erzeugt.

Wenn der Licht erzeugende Mikrochip 272 ein Laser ist, kann eine ausreichend hohe Energiedichte erreicht werden, um die Ladung 274 unmittelbar zu zünden. Wenn der Mikrochip 272 eine niederere Beleuchtungs­ intensität aussendet, kann eine optisch sensibili­ sierte, pyrotechnische Verbindung für die Ladung 274 verwendet werden.

Fig. 17 zeigt eine unterschiedliche Packungsanord­ nung eines Sprengzünder-Zündelements, um einen Spreng­ zylinder zu ergeben. Das Sprengzünder-Zündelement ist auf einem Metallführungsrahmen 276 befestigt, welcher wiederum in einer Sprengzylinderkapsel 278 angebracht ist. Eine Grundladung 280 ist in einem En­ de der Sprengzünderkapsel 278 vorgesehen. Die Grund­ ladung 280 kann aus einem Sprengstoff wie PETN be­ stehen. Eine Zündladung 282 aus einem geeigneten Spreng­ stoff, wie eine Mischung von Bleiacid und Bleistyphnat im Verhältnis von 4:1 ist der Grundladung 280 benach­ bart vorgesehen. Die Zündladung 282 ist in nächster Nähe einer primären Sprengladung 222, 274 irgendeines der vorhergehend beschriebenen und hier mit 300 be­ zeichneten Sprengzünder-Zündelemente angeordnet. Die Zündladung 282 wird mittels einer Halteglocke 284 in ihrer Lage gehalten. Der Führungsrahmen 276 aus Metall, der das Sprengzünder-Zündelement 300 trägt, geht durch einen geeigneten Stopfen 286 hindurch, der dichtend ein Ende der Kapsel 278 gegenüber dem Ende schließt, in dem die Grundladung 280 vorgesehen ist. Der Stopfen 286 dient ferner dazu, den Führungsrahmen in seiner Lage zu halten. Der Führungsrahmen 276 liefert elektri­ sche Leiter zur Übertragung eines elektrischen Signals an das Sprengzünder-Zündelement 300.

Das Sprengzünder-Zündelement 300 weist vorzugsweise Steuerschaltkreise (nicht dargestellt) der in den Fig. 3 und 6 gezeigten Art auf, um die Zündung des primären Sprengstoffs 222, 274 zu steuern, wobei die Schalt­ kreise in dem Siliciumsubstrat des Sprengzünder-Zünd­ elements 300 unter Verwendung herkömmlicher mikroelek­ tronischer Techniken gebildet sind. Eine Sicherheits­ verbindung 301, die von der Zündladung 222, 274 iso­ liert ist, und Kurzschlußsteuerdrähte für den Führungs­ rahmen 276 sind aus Sicherheitsgründen eingebaut.

Eine Betätigung der Energiedissipationseinrichtung d.h. der in Fig. 10 dargestellten Zirkoniumverbindung 218, bewirkt eine Energiefreisetzung, um die Ladung 222, 274 zu aktivieren, die daraufhin die Zündladung 282 zündet, welche wiederum die Grundladung 280 zündet, die die durch den Sprengzünder zu zündende, beabsich­ tigte Explosion auslöst.

Es ist offensichtlich, daß die Grundgedanken der Er­ findung mittels einer Vielzahl vom Ausführungsformen ausgedrückt werden können, von denen jede eine minia­ turisierte Energiedissipationseinrichtung enthält, die in Kombination mit einem integrierten Schaltkreis gebildet ist. Diese Lösung ermöglicht, komplexe Steuer­ funktionen bei von vorneherein vorliegender Zuverläs­ sigkeit und sicherem Betrieb mit geringen Kosten durch­ zuführen.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine feste Zündladung beschrieben. Wie angegeben, können die Grund­ gedanken der Erfindung in Kombination mit einem flüs­ sigen oder gasförmigen Zündstoff verwendet werden. Bei diesen Beispielen kann das Sprengzünder-Zündelement vorzugsweise von der Art sein, die auf der Verwendung einer schmelzbaren Verbindung oder einer Hochspannungs­ entladung basiert. Wenn die Schmelzverbindung schmilzt, werden glühende Teile der Verbindung in den flüssigen oder gasförmigen Zündstoff gestreut, was eine erfolg­ reiche Explosion sicherstellt. Eine im hohen Maße er­ folgreiche Zündung wird auch mit einer Hochspannungs­ entladung erhalten. Beim Zusammenbau wird das Sprengzün­ der-Zündelement in einem Behälter, wie die Dose 72 gemäß Fig. 5 abgedichtet, der auch das flüssige oder gasförmige Zündstoffmaterial enthält. Die Schwierig­ keit des Aufbringens des Zündstoffs auf dem Sprengzün­ der-Zündelement wird dadurch vermieden.

Der Sprengzünder nach der Erfindung und das Spreng­ zünder-Zündelement können zusammen mit irgendeinem Sprengstoff auf militärischem Gebiet, dem Gebiet des Bergbaus oder anderen Gebieten verwendet werden.

Claims (14)

1. Sprengzünder-Zündelement mit wenigstens einer Energiedissipationseinrichtung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Energiedissipa­ tionseinrichtung (12; 102; 104; 225) auf oder in einem geeigneten Substrat (10) für die Herstellung eines integrierten Schaltkreises angeordnet ist.

2. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedissipationseinrichtung (12) ein Widerstands­ element auf einer Oberfläche des oder in dem Substrat (10) ist, wobei das Widerstandselement aus wenigstens einem der Bestandteile Nickelchrom, Wolfram, Aluminium, Zirkonium, Polysilicium und Metallsilicate gebildet ist oder durch einen diffunierten oder implantier­ ten Widerstand gebildet ist.

3. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Energie­ dissipationseinrichtung ein Halbleiterelement (225) ist, welches wenigstens eines der folgenden Teile umfaßt: einen Transistor, einen Feldeffekttransistor, eine Vierschichteinrichtung, eine Zenerdiode und ei­ ne Leuchtdiode.

4. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedissipationseinrichtung ein Feldeffektelement (90) ist, welches auf dem Substrat zwei beabstande­ te Elektroden (102, 104) aufweist, und daß eine Spannung über die Elektroden bei der Verwendung anzu­ legen ist, um ein elektrisches Feld hoher Intensität oder eine elektrische Entladung hoher Intensität zwi­ schen den Elektroden zu erzeugen.

5. Sprengzünder-Zündelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß es einen Explosivstoff (60; 222) nahe der Energiedissipationseinrichtung aufweist, welche bei ihrer Betätigung den Explosivstoff durch die Dissipationsenergie zündet.

6. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 5, mit einem Behälter, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Explosivstoff flüs­ sig oder gasförmig und in dem Behälter zusammen mit dem Sprengzünder-Zündelement dicht verschlossen ist.

7. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Explo­ sivstoff (22) mindestens an einer Oberfläche des Substrats (20, 212) oder an einer an diesem be­ festigten Oberfläche anhaftet, und daß ein Anhaft­ unterstützungsmittel verwendet wird, um die Verbin­ dung zwischen dem Explosivstoff und der Substrat­ oberfläche zu verbessern.

8. Sprengzünder-Zündelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20; 212) eine elektronische Fest­ körpereinrichtung bildet, die eine integrierte Schalt­ kreisanordnung zur Steuerung der Betätigung des Sprengzünder-Zündelements aufweist.

9. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Festkörpereinrichtung Überspannungs­ schutzmittel (30) aufweist, die mit der Energiedissi­ pationseinrichtung verbunden sind.

10. Sprengzünder-Zündelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Festkörpereinrichtung Schaltermittel (14) aufweist, die mit der Energiedissipationsein­ richtung verbunden sind, um einen Schutz gegenüber induzierten elektrischen Strömen und eine genaue Steuerung der Zündung des Explosivstoffes zu schaffen.

11. Sprengzünder-Zündelement nach einem der Ansprü­ che 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedissipationseinrichtung einstückig mit der elektronischen Festkörpereinrichtung ausge­ bildet ist.

12. Sprengzünder mit einem Gehäuse da­ durch gekennzeichnet, daß ein Spreng­ zünder-Zündelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11 in dem Gehäuse (72) zusammen mit Explosivstoff­ material angeordnet ist, welches zur Zündung durch den Explosivstoff angeordnet ist.

13. Sprengzünder nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er Energiespeichermittel (84) aufweist, um elektrische Energie der Energie­ dissipationseinrichtung und der integrierten Schal­ tungsanordnung zuzuführen.

14. System zur Reihensprengung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine Vielzahl von Sprengzündern nach Anspruch 12 oder 13, die mit­ einander verbunden sind, und Mittel zur Steuerung der Zündung der einzelnen Sprengzünder aufweist (Fig. 7).