EP0914587A1 - Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische wirkmassen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische wirkmassen und verfahren zu dessen herstellungInfo
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- EP0914587A1 EP0914587A1 EP98929356A EP98929356A EP0914587A1 EP 0914587 A1 EP0914587 A1 EP 0914587A1 EP 98929356 A EP98929356 A EP 98929356A EP 98929356 A EP98929356 A EP 98929356A EP 0914587 A1 EP0914587 A1 EP 0914587A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F42—AMMUNITION; BLASTING
- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
- F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
- F42B3/10—Initiators therefor
- F42B3/195—Manufacture
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F42—AMMUNITION; BLASTING
- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
- F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
- F42B3/10—Initiators therefor
- F42B3/12—Bridge initiators
- F42B3/13—Bridge initiators with semiconductive bridge
Definitions
- the invention relates to a thin-layer ignition element for pyrotechnic active compositions according to the preamble of patent claim 1 and a method for its production according to the preamble of patent claim 11.
- DE 42 22 223 C1 proposes a thin-layer ignition bridge made of titanium, titanium nitride or an alloy predominantly containing titanium, since titanium or titanium nitride has a large-area and uniform heating of the pyro due to its high thermal conductivity and its higher electrical resistance when melting compared to conventional ignition bridge materials - ensure technical mass.
- the ignition energy required for this is very high, since titanium has a melting point above 1660 ° Celsius; Titanium nitride above 2900 ° Celsius and usual titanium alloys are even higher.
- the hydrogen storage in metal hydrides can also be regarded as known, but this is usually undesirable as a negative effect on the strength of the metal (hydrogen disease). This effect can also be used for the targeted storage of hydrogen (cf. Bergmann / Schulfer: Textbook of Experimental Physics, Vol. 6 1992, p. 452 f.).
- the object of the present invention is to develop a thin-layer ignition element which can be ignited by a low initialization energy and which is passed on to the pyrotechnic ignition compound with the least possible loss of efficiency.
- the thin-layer ignition element should also be easy to manufacture and in large numbers.
- Characteristic of the present invention is the coupling of physical, chemical and thermal energy input from the hafnium and / or titanium hydride directly into the pyrotechnic active mass with significantly smaller amounts of initialization energy.
- a mixture of the two is also suitable for linking their respective positive properties.
- Low-voltage voltages ⁇ 50 V and an initialization energy in the range of a few millijoules are sufficient to start the ignition;
- the property of the hafnium and / or titanium hydride which is already at a local temperature of approx. 450 ° C, is essential for energy savings 800 degrees Celsius decomposed, whereas previously a melting temperature of approx. 1660 ° Celsius had to be applied.
- the decomposition temperature increases with increasing hafnium content.
- the metallic component of titanium used can be ⁇ process technically simple to control and has the basic mode of action, so that in addition to the effect of released during the decomposition of reactive hydrogen, as well as the effect of the resulting plasma and the energy input is high by the heated metal atoms, which accelerates the ignition .
- the metallic constituent hafnium is characterized by a higher specific atomic weight, so that in addition to the effect of the reactive hydrogen released during the decomposition and the effect of the resulting plasma, the energy input by the heavy metal atoms is particularly high, which accelerates the ignition process. More advantageous compared to other metal hydride barriers is the high thermal stability with hafnium hydride with regard to the out-diffusion of the hydrogen and the even higher decomposition temperature of the metal hydride layer compared to the already quite good titanium, which has a favorable effect on the stability against thermal environmental influences and on the overall service life of the ignition element.
- the thermal insulation layer below the ignition bridge layer reduces energy losses due to the heat dissipation into the carrier substrate and thus increases the amount of energy flowing and thus effective in the direction of the pyrotechnic active mass.
- a ignition bridge layer between 0.2 and 2 ⁇ m allows a fairly large surface area of the ignition bridge and good possibilities of variation due to the length and width of the ignition bridge in the preferred range of the total electrical resistance of the ignition bridge layer of 0.5 up to approx. 200 ⁇ .
- the method required for producing an ignition element according to the invention is described in claim 11, wherein the temperature of about 350 ° Celsius, which is quite low compared to conventional tempering processes, is particularly advantageous for hydrogen storage. While the process time increases significantly at lower temperatures (below 300 ° Celsius), the decomposition process of the titanium hydride already begins at higher temperatures (above 400 ° Celsius), so that hydrogen is not stored or only under considerably more difficult process conditions (pressure ect.) becomes possible. If the hafnium content is high, the temperature resistance increases.
- All manufacturing steps are compatible for manufacturing in semiconductor factories and can thus be implemented for a large number of ignition elements at the same time by using a silicon wafer as the carrier substrate, which is only sawn after all manufacturing steps.
- Fig. 1 Ignition element with a deposited and structured TiH x - -
- Ignition bridge layer (0.2 ⁇ x ⁇ 2) on a carrier substrate with a thermal insulation layer, Fig.la as a top view without contact metallization,
- Fig.2b as a top view with contact metallization
- Fig. 5 Ignition element with a deposited and structured TiH x ignition bridge layer (0.2 ⁇ x ⁇ 2) on a carrier substrate without a thermal insulation layer and with a directly applied pyrotechnic active compound
- Ignition bridge layer (0.2 ⁇ x ⁇ 2) on a carrier substrate with a thermal insulation layer and with a pyrotechnic active compound applied at a short distance
- FIG. 8 Ignition element with an insulation layer on the ignition bridge It is of fundamental importance for all of the exemplary embodiments shown below that all manufacturing steps and layers are compatible by means of semiconductor processes. Only one thin-film ignition element is shown; however, this is implemented with a large number of identical ignition elements on a semiconductor substrate wafer. In principle, however, it is also possible to use a different carrier substrate, for example a glass or ceramic surface, instead of a semiconductor substrate.
- a different carrier substrate for example a glass or ceramic surface, instead of a semiconductor substrate.
- the representation of the layer thicknesses, widths and lengths is schematic and not to scale.
- FIG. 1 shows an ignition element with a deposited, structured and hydrogenated ignition bridge layer 2 made of TiH x . ( o , 2 ⁇ ⁇ ⁇ 2) and / or hafnium hydride HfH x . ( o , o 25 ⁇ x ⁇ 2) on a carrier substrate 4 with a thermal insulation layer 3.
- the thermal insulation layer 3 is designed as a closed epitaxially deposited SiO 2 layer. In principle, however, this can also be produced by oxidation of a silicon substrate surface. In addition, other materials are also suitable for thermal insulation, but it is essential for the function that the ignition bridge layer 2 is electrically short-circuited neither by the thermal insulation layer 3 nor by the carrier substrate 4, if the thermal insulation layer 3 is omitted.
- the contact surfaces 21 (see FIG. 1 a) of the ignition bridge layer are made wider in order to achieve the lowest possible contact resistance to the contacts 1.
- the contacts 1 are realized as an Al layer or another layer made of a highly conductive material (see FIGS. 1b and 1c) in order to facilitate contacting.
- the dimensions of the contact surfaces 21 depend on the contacting conditions required in each case.
- FIG. 1c shows the sequence of the layers again on average, the variable thickness d of the thermal insulation layer 3 influencing the ignition point and the minimum required ignition voltage. If current flows through the ignition bridge layer 2, the time until the critical decomposition temperature is reached depends essentially on the thermal conductivity of the insulation layer 3. Can a larger amount of heat to flow through the insulation layer 3 to the carrier substrate 4, so the ignition timing is delayed or a higher power must be implemented, which means a higher ignition voltage.
- the hafnium and / or titanium hydride layer 2 can also be deposited directly on the carrier substrate 4 if a delay in the ignition timing is desired or the ignition voltage is chosen to be high and the carrier substrate is also not electrically conductive.
- the contacts 1 are again deposited on the structured ignition bridge layer 2 (cf. FIGS. 2b and 2c).
- FIG. 4 shows the basic circuit diagram of the ignition circuit.
- the ignition takes place by applying an electrical voltage u in the low-voltage range to the metallized contacts 1.
- the ignition bridge 2 heats up, which is then caused by its heating. and the chemical decomposition (release of reactive hydrogen) and a plasma discharge initiate the ignition process in the pyrotechnic active mass 5 lying directly on top (cf. FIG. 5).
- the hot metal atoms and the pressure lead to extensive ignition.
- the pyrotechnic active mass 5 can be arranged directly on the ignition bridge layer 2 (see FIG. 5) in order to use the direct heat conduction in addition to the hydrogen reaction and plasma effect. Or a short distance 7 is realized by means of distance-determining intermediate layers 6 to the ignition - bridge layer 2 (see FIG. 6), in order primarily to utilize the pure plasma effect.
- FIG. 7 now shows yet another embodiment in which the ignition bridge layer 2 is contacted in the area of the contact surfaces 21 from the lower side opposite the pyrotechnic active mass.
- the contacts 1 are, for example, embedded in the upper side of the carrier substrate. Between the contacts 1 and under the effective area of the ignition bridge layer 2, the thermal insulation layer 3 is provided, which thermally and electrically insulates the ignition bridge layer 2 from the carrier substrate 4.
- the carrier substrate has interconnect regions 4.1, which are made, for example, of highly doped carrier substrate material (Si).
- the two interconnect areas 4.1 are isolated from one another by an isolation trench 4.2 in the carrier substrate 4.
- the advantage of this exemplary embodiment is the omission of an AI layer and external connections to the contacts.
- the contact between the pyrotechnic active compound and the ignition bridge layer is simplified and improved.
- FIG. 8 again shows in section an embodiment of a further development of the invention, according to which an insulation layer 7 is deposited on the ignition bridge layer 2 in the effective region of the ignition bridge between the contacts 1.
- an insulation layer 7 made of oxide material, for example, can accelerate the heating process of the ignition bridge layer to the temperature required for the decomposition by increasing the pressure.
- the thickness of the layer and its structure (local tapering of the insulation layer 7 as a predetermined breaking point ect.) Is chosen so that after the release of the reactive hydrogen and the beginning expansion, the insulation layer 7 opens at a predetermined pressure and the hot hydrogen gas as well the hot particles of the ignition bridge layer and, if developing, the plasma can get to or into the pyrotechnic active mass 5.
- the insulation layer 7 is only so thick that it is destroyed directly at the start of the reaction of the ignition bridge layer 2.
- the insulation layer 7 can consist of a material or a sequence of layers in which at least the layer directly on the ignition bridge layer 2 lying must be electrically insulating so that the ignition bridge layer 2 is not bridged.
- a partial metal deposition as a cover layer of the insulation layer 7 is, however, conceivable, since the reflection on the metallized cover layer reflects the heat back into the ignition bridge layer 2 before the insulation layer 7 is destroyed and thus heats it up more quickly.
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Abstract
Die zum Zünden pyrotechnischer Wirkmassen verwendeten Dünnschichtanzündelemente weisen meist recht hohe Zündspannungen bzw. Initialisierungsenergiemengen auf. Sie basieren meist auf einer rein thermischen Kopplung eines erhitzten und verdampfenden Zündbrückenmaterials. Durch Verwendung von Hafnium-hydrid und/oder Titanhydrid als Zündbrückenschicht (2) und durch ein halbleiterprozeßkompatibles Herstellungsverfahren lassen sich äußerst einfach und in großer Stückzahl Anzündelemente herstellen, bei denen eine Zündspannung im Niedervoltbereich zur Initialisierung ausreicht. Es wird bereits bei einer geringen Erhitzungstemperatur ein Zersetzungsprozeß des Hafnium- und/oder Titanhydrids aktiviert, durch welchen insbesondere auch reaktiver Wasserstoff freigesetzt und ein Plasma gebildet wird. Derartige Anzündelemente ermöglichen deutlich vereinfachte Ansteuerschaltungen für Insassenschutzeinrichtungen, insbesondere Airbags in Kraftfahrzeugen.
Description
Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische Wirkmassen und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische Wirkmassen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
AUS der DE 42 22 223 C1 ist ein elektrisches Anzündmittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 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 pyro- technischen Wirkmasse gewährleisten. Die dafür erforderliche Zündenergie ist jedoch sehr hoch, da Titan einen Schmelzpunkt über 1660° Celsius aufweis ; Titannitrid über 2900° Celsius und übliche Titanlegierungen liegen noch darüber.
Eine andere Variante 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 und 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 Dünnschichtanzündelement zu entwickeln, welches durch eine geringe Initialisierungsenergie gezündet werden kann und diese mit möglichst geringen Wirkungsgradverlusten an die pyrotechnischen Zündmasse weitergibt. Das Dünnschichtanzündelement soll des weiteren einfach und in großen Stückzahlen herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches sowie durch das Verfahren zur Herstellung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist die Kopplung von physikalischem, chemischem und thermischem Energieeintrag aus dem Hafnium- und/oder Titanhydrid direkt in die pyrotechnische Wirkmasse bei wesentlich kleineren Initialisierungsenergiemengen. Neben Zündbrückenschichten aus Titan oder Hafnium bietet sich auch ein Gemisch aus beiden zur Verknüpfung ihrer jeweils positiven Eigenschaften an.
So reichen Niedervoltspannungen < 50 V und eine Initalisierungsenergie im Bereich einiger Millijoule aus, um die Zündung in Gang zu setzen, wesentlich für die Energieeinsparung ist dabei die Eigenschaft des Hafnium- und/oder Titanhydrids, welches sich bereits bei einer Lokaltemperatur ca. 450° bis 800 Grad Celsius zersetzt, währenddessen bisher eine Schmelztemperatur von ca. 1660° Celsius aufgebracht werden mußte. Mit zunehmendem Hafniumanteil erhöht sich dabei jeweils die Zersetzungstemperatur.
Beim zersetzen des Hafnium- und/oder Titanhydrids wird aber atomarer Wasserstoff frei, was zu l 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 Piasmas kommen.
Der verwendete metallische Bestandteil Titan läßt sich^ prozeßtechnisch einfach beherrschen und weist die grundlegende Wirkungsweise 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 Metallatome hoch ist, was den Zündvorgang beschleunigt.
Der verwendete metallische Bestandteil Hafnium zeichnet sich durch ein höheres spezifisches Atomgewicht aus, so daß neben der Wirkung des bei der Zersetzung freiwerdenden reaktiven Wasserstoff sowie der Wirkung des entstehenden Plasmas auch der Energieeintrag durch die schweren Metallatome besonders hoch ist, was den Zündvorgang beschleunigt. Vorteilhafter im Vergleich zu anderen Metallhydridschϊchten ist die bei Hafniumhydrid hohe thermische Stabilität hinsichtlich der Ausdiffusion des Wasserstoffs sowie die gegenüber dem bereits recht guten Titan noch höhere Zersetzungstemperatur der Metallhydridschicht, was sich für günstig auf die Stabilität gegenüber thermischen Umwelteinflüssen, uocLauf die Gesamtlebensdauer des Zündelementes auswirkt.
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.a. 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.
Durch die Anwendung eines halbleiterprozeßkompatiblen Hersteilungs- Prozesses sowie die Verwendung eines Halbleitersubstrates als Trägersubstrat wird die Integration von Sensoren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit (z.B, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren) sowie von Ansteuer- und Überwachungselektronik in einer mikroelektronischen Schaltung auf kleinstem Raum möglich. Schaltungstechnische Maßnahmen zur Absicherung des Anzündelements gegen hochfrequente störimpulse und EMV-Einflüsse können ebenso vorteilhaft realisiert werden.
Um einen möglichst geringen Übergangswiderstand zwischen ZCrndbrücke und den Kontakten zu gewährleisten, werden zunächst aus der Zünd¬ brückenschicht gegenüber der Zündbrücke großflächige Kontaktflächen ausgeformt und diese möglichst vollständig die Metallisierungsschichten der Kontakte berühren. Neben der Abscheidung der Metallisierungsschicht auf der Zündbrückenschicht ist auch eine Face-Down-Kontaktierung aus im Trägersubstrat integrierte Leitbahnbereiche denkbar, die Zündbrückenschicht von der entgegengesetzten Seite zu kontaktieren. Die zündbrücken- Schicht kann dann auf die Trägersubstratoberfläche oder gegebenenfalls- auch auf die zwischengeschobene strukturierte Metalllisierungsschicht abgeschieden wird.
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.
Das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Anzündelements erforderliche Verfahren wird in Patentanspruch 11 beschrieben, wobei insbesondere die gegenüber herkömmlichen Temperungsprozessen recht niedrige Temperatur von etwa 350° Celsius für die Wasserstoffeinlagerung sehr vorteilhaft ist. Während die Prozeßdauer bei niedrigeren Temperaturen (unter 300° Celsius) erheblich ansteigt, setzt bei höheren Temperaturen (über 400° Celsius) bereits der Zersetzungsprozeß des Titanhydrids ein, so daß eine Einlagerung von Wasserstoff nicht oder nur unter erheblich schwierigeren Prozeßbedingungen (Druck ect.) möglich wird. Bei hohem Hafniumanteil steigt die Temperaturfestigkeit.
In Zusammenhang damit ist auch die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 zu betrachten, wonach beim Abscheiden der Metallisierungsschicht die Zündbrückenschicht gekühlt wird, so daß die lokale Temperatur die 350° Celsius nicht übersteigt.
Alle Herstellungsschritte sind dabei kompatibel für die Fertigung in Halbleiterfabriken ausgestaltet und können somit für eine Vielzahl von Anzündelementen gleichzeitig realisiert werden, indem als Trägersubstrat ein Siliziumwafer verwendet wird, der erst nach allen Herstellungsschritten zersägt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiHx- -
Zündbrückenschicht (0,2<x<2) auf einem Trägersubstrat mit einer thermischen Isolationsschicht,
Fig.la als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung,
Fig.lb als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und
Fig.lc als Schnittdarstellung
Fig.2 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiHx- Zündbrückenschicht (0,2<x<2) auf einem Trägersubstrat mit einer thermischen Isolationsschicht,
Fig.2a als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung,
Fig.2b als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und
Fig.2c als Schnittdarstellung
Fig.3 thermodynamisch wirksame Länge I und Breite b der
Zündstruktur
Fig.4 Prinzipschaltbild des Zündstromkreises
Fig.5 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiHx- zündbrückenschicht (0,2 <x<2) auf einem Trägersubstrat ohne eine thermische Isolationsschicht und mit einer direkt aufgebrachten pyrotechnischen Wirkmasse
Fig.6 Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter TiHx-
Zündbrückenschicht (0,2<x<2) auf einem Trägersubstrat mit einer thermischen Isolationsschicht sowie mit einer in geringem Abstand aufgebrachten pyrotechnischen Wirkmasse
Figur 7 Anzündelement mit aus dem Trägersubstrat herausgeführten
Kontaktierung der Zündbrückenschicht
Figur 8 Anzündelement mit einer Dämmschicht auf der zündbrücke
Von grundlegender Bedeutung für alle im folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele ist, daß alle Herstellungsschritte und Schichten durch halbleiterprozeßkompatibel sind. Es wird jeweils nur ein Dünnschichtanzündelement gezeigt ; dieses wird jedoch mit einer Vielzahl identischer Anzündelemente auf einer Halbleitersubstratwaferscheibe realisiert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, anstelle eines Halbleitersubstrates ein anderes Trägersubstrat, bspw. eine Glas- oder Keramikfläche zu verwenden. Die Darstellung der Schichtdicken, -breiten und -längen ist schematisch und nicht maßstäblich.
Die Figur 1 zeigt ein Anzündelement mit bereits abgeschiedender, strukturierter und hydrierter Zündbrückenschicht 2 aus TiHx . (o,2<χ<2) und/oder Hafniumhydrid HfHx . (o,o25<x<2) auf einem Trägersubstrat 4 mit einer thermischen Isolationsschicht 3.
Die thermischen Isolationsschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als geschlossene epitaktisch abgeschiedene Siθ2-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 es weder durch die thermische Isolationsschicht 3 noch durch das Träger- substrat 4 , falls auf die thermische Isolationsschicht 3 verzichtet wird, die Zündbrückenschicht 2 elektrisch kurzgeschlossen wird.
Die Kontaktflächen 21 (siehe Fig la) der Zündbrückenschicht 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 Fig.lb und Fig lc), um eine Kontaktierung zu erleichtern. Die Abmessungen der Kontaktflächen 21 richten sich nach den jeweils geforderten Kontaktierungsbedingungen. In Figur 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 zündbrücken- - Schicht 2 vom Strom durchflössen, 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 Figur 2 als zweites Ausführungsbeispiel zeigt, kann die Hafnium- und/oder Titanhydridschicht 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 nicht elektrisch leitfähig ist. Die Kontakte 1 sind dabei wieder auf der strukturierten Zündbrückenschicht 2 abgeschieden (vgl. Fig. 2b und 2c).
Figur 3 verdeutlicht die letztlich wirksame Oberfläche der Zündbrückenschicht 2. Auch in dieser Figur 3 wurde eine rechteckfomige Struktur der Zündbrücke 2 der wirksamen Länge I und Breite b gewählt. Diese Struktur ist besonders einfach über die bekannten Gleichungen R = p l/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..
Figur 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 zündbrücke 2 , welche daraufhin durch ihre Erwärmung . und die chemische Zersetzung (Freisetzung von reaktivem Wasserstoff) und eine Plasmaentladung den Zündvorgang in der direkt aufliegenden pyrotechnischen Wirkmasse 5 ( vgl. Fig. 5) initiiert. Die heißen Metallatome und der Druck führen dabei zu einer großflächigen Entzündung.
Die Anordnung der pyrotechnischen Wirkmasse 5 kann einerseits direkt auf der Zündbrückenschicht 2 erfolgen (siehe Fig. 5), um neben der Wasserstoffreaktion und Plasmawirkung auch die direkte Wärmeleitung zu nutzen. Oder es wird mittels abstandsbestimmender Zwischenschichten 6 zur zünd- - brückenschicht 2 ein geringer Abstand 7 realisiert (siehe Fig. 6), um vornehmlich die reine Plasmawirkung auszunutzen.
Figur 7 zeigt nun noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Zündbrückenschicht 2 im Bereich der Kontaktflächen 21 von der unteren, der pyrotechnischen Wirkmasse entgegengesetzten Seite kontaktiert wird. Die Kontakte 1 sind bspw. in die Trägersubstratoberseite eingelassen. Zwischen den Kontakten 1 und unter dem wirksamen Bereich der Zündbrückenschicht 2 ist die thermische Isolationsschicht 3 vorgesehen, welche die Zündbrückenschicht 2 thermisch und elektrisch vom Trägersubstrat 4 isoliert. Zu den Kontakten 1 hin weist das Trägersubstrat Leitbahnbereiche 4.1 auf, die bspw. aus hochdotiertem Trägersubstratmaterial (Si) sind. Die beiden Leitbahnbereiche 4.1 sind durch einen Isolationsgraben 4.2 im Trägersubstrat 4 voneinander isoliert. Vorteil dieses Ausführungsbeispieles ist ggfs. der Verzicht auf eine AI-Schicht und externe Anschlüsse an die Kontakte. Außerdem wird die Berührung zwischen pyrotechnischer Wirkmasse und Zündbrückenschicht vereinfacht und verbessert.
Neben den vorangehend beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen sind insbesondere auch andere, zum Beispiel kreisförmige Ausgestaltungen der Zündbrückenschicht denkbar.
in Figur 8 wiederum im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer weitere Weiterbildung der Erfindung dargestellt, wonach auf der Zündbrücken- schicht 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 auf die für die Zersetzung erforderliche Temperatur durch eine Druckerhöhung beschleunigt werden. Die Dicke der Schicht 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 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 seien 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
1. Dünnschichtanzündelement zur Zündung pyrotechnischer Wirkmassen (5), bestehend aus einem Trägersubstrat (4), auf dem zwei elektrische
Kontakte (1) über eine chemisch und thermisch aktive Zündbrückenschicht (2) miteinander verbunden sind, die infolge einer an ihre Kontakte (1) angelegte Spannung (U) gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) eine hydrierte Hafnium- oder/und Titanschicht ist.
2. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) durch eine Plasmaentladung gezündet wird.
3. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß sich unter der Zündbrückenschicht (2) zum
Trägersubstrat (4) hin eine thermische Isolationsschicht (3) befindet.
4. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (1) als zwei Metallisierungsschichten ausgeführt sind, welche aus der Zünd- brückenschicht (2) ausgeformte Kontaktflächen (21) großflächig berühren.
5. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zündzeit und minimal erforderliche Zündspannung (U) direkt durch eine Veränderung der Strukturgeometrie und durch die Variation der schichtdicke der
Zündbrückenschicht (2) eingestellt wird.
6. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) eine näherungsweise konstante schichtdicke von 0,2 bis 2 μm hat .
7. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zündzeit und minimal erforderliche Zündspannung (U) direkt durch eine Veränderung der Strukturgeometrie und durch die Variation der schichtdicke der unter der Zündbrückenschicht (2) liegenden thermischen Isolationsschicht (3) eingestellt wird.
8. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Isolationsschicht (3) eine näherungsweise konstante schichtdicke von 0,5 bis 3 μm hat und aus Siliziumoxid ist.
9. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Zündzeit und der minimal erforderlichen Zündspannung die Strukturgeometrie und schichtdicke der Zündbrückenschicht (2) dergestalt eingestellt wird, daß sich ein ohmscher widerstand der zündbrücken- schicht zwischen 0,5 und 200 Ω, vorzugsweise bei etwa 20 Ω zustande kommt und die Oberfläche der Zündbrückenschicht (2) zur pyrotechnischen Wirkmasse (5) und zur thermischen isolationssschicht (3) hin eine Größe zwischen 25 und 100 000 μm2 aufweist.
10. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht
(2) aus Titan ohne Hafniumanteil ist und das atomare Zusammensetzungsverhältnis (x) von Titan zu Wasserstoff der Titanhydrid (Ti Hx) im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt.
11. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) aus Hafnium ohne Titananteil ist und das atomare Zusammensetzungsverhältnis (x) Wasserstoff/Hafnium der hydrierten
Hafniumschicht (Hf Hx) im Bereich von 0,025 bis 2,0 liegt.
12. Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der prozentuale Wasserstoffgehalt der hydrierten Hafniumschicht im Bereich von 2,25 bis 66,4 Prozent liegt.
13. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) aus einem hydrierten Hafnium-Titan-Gemisch ist.
14. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zündbrücken- schicht (2) eine thermisch und elektrisch isolierende Dämmschicht (7) zur pyrotechnischen Wirkmasse (5) hin aufgebracht wird, welche in Material und Struktur so beschaffen ist, daß sie beim Erreichen eines definierten Druckes durch die Reaktion der Zündbrückenschicht (2) zerstört wird.
15. Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (4) ein Halbleitersubstrat mit integrierten Bauelementen zur zünd- ansteuerung ist und die Kontaktflächen (21) der Zündbrückenschicht (2) mit im Trägersubstrat (4) integrierten Leitbahnbereichen (4.1) verbunden sind.
16. verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtanzündelements nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß a) zunächst eine Schicht aus Titan oder/und Hafnium abgeschieden und entsprechend der gewählten Strukturgeometrie der Zündbrückenschicht (2) sowie der Kontaktflächen (21) strukturiert wird, und b) nachfolgend Wasserstoff durch Temperung eingelagert wird, wobei die Temperatur während der Temperung vorzugsweise bei etwa 350° Celsius gehalten wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem
Abscheiden des Titans und/oder Hafniums zunächst in einem Halbleiterprozeß eine mikroelektronische Schaltung im Trägersubstrat (4) und die thermische Isolationsschicht (3) realisiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Hydrieren des Titans und/oder Hafniums eine Aluminiumschicht abgeschieden und als Kontakte (1) entsprechend der Form der Kontaktflächen (21) der Zündbrückenschicht (2) strukturiert wird, wobei vorzugsweise die Anordnung aus Trägersubstrat (4) und Zündbrückenschicht (2) lokal derart gekühlt wird, daß die Temperatur der Zündbrückenschicht (2) unter 350° Celsius bleibt.
19. verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Anzündelementen auf einem siliziumwafer als Trägersubstrat (4) realisiert werden.
20. Verwendung eines Dünnschichtanzündelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 als Zünder für Insassenschutzeinrichtungen, insbesondere Airbags in Kraftfahrzeugen.
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