EP0914587B1 - Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische wirkmassen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische wirkmassen und verfahren zu dessen herstellung Download PDFInfo
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- EP0914587B1 EP0914587B1 EP98929356A EP98929356A EP0914587B1 EP 0914587 B1 EP0914587 B1 EP 0914587B1 EP 98929356 A EP98929356 A EP 98929356A EP 98929356 A EP98929356 A EP 98929356A EP 0914587 B1 EP0914587 B1 EP 0914587B1
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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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- 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 materials according to the preamble of claim 1 and method for its production according to the preamble of claim 11.
- a thin wire bridge is reduced Resistor (2 ⁇ ) heated and evaporated by a current pulse. Through this one thermal impulse is then ignited the pyrotechnic active mass.
- Resistor (2 ⁇ ) heated and evaporated by a current pulse Through this one thermal impulse is then ignited the pyrotechnic active mass.
- DE 42 22. 223 C1 becomes a thin-film ignition bridge made of titanium, titanium nitride or one Alloy containing predominantly titanium is proposed as titanium or titanium nitride due to their high thermal conductivity and their compared to conventional ignition bridge materials higher electrical resistance when melting one Ensure large and uniform heating of the pyrotechnic active mass.
- the ignition energy required for this is very high because titanium has a melting point over 1660 ° Celsius; Titanium nitride over 2900 ° Celsius and common titanium alloys are still above.
- the object of the present invention is to develop a thin-layer ignition element, which can be ignited by a low initialization energy and this with the lowest possible loss of efficiency passes on to the pyrotechnic ignition compound.
- the thin-layer ignition element should also be simple and in large numbers be producible.
- Characteristic of the present invention is the coupling of physical, chemical and thermal energy input from the hafnium hydride directly into the pyrotechnic active mass with significantly smaller amounts of initialization energy.
- a mixture with titanium is also available Linking their positive properties.
- hafnium hydride or hafnium / titanium hydride mixture is decomposed atomic hydrogen released, resulting in a significant increase in pressure between Ignition bridge layer and pyrotechnic active mass leads.
- the atomic also works Hydrogen itself as an igniter (chemical reaction with oxygen and Constituents of the pyrotechnic active mass). It can also be used for training of a plasma.
- the metallic component titanium which is preferably used in a supplementary manner, can be used easy to master in terms of process technology and has the basic mode of operation, so that in addition to the effect of the reactive hydrogen released during the decomposition as well as the effect of the resulting plasma and the energy input by the heated metal atoms is high, which accelerates the ignition process.
- the metallic component hafnium used is characterized by a higher specific atomic weight, so that in addition to the effect of the decomposition released reactive hydrogen as well as the effect of the resulting plasma also the energy input through the heavy metal atoms is particularly high, which Ignition process accelerated. More advantageous compared to other metal hydride layers is the high thermal stability with regard to the out diffusion of the hafnium hydride Hydrogen and the even higher compared to the already quite good titanium Decomposition temperature of the metal hydride layer, which has a favorable effect on the stability against thermal environmental influences and on the overall service life of the Ignition element affects.
- the thermal insulation layer under the ignition bridge layer reduces energy losses through the heat dissipation into the carrier substrate and thus increases the direction of the pyrotechnic active mass flowing and thus effective amount of energy.
- Variation of the structure geometry and in particular thickness of the thermal Insulation layer can therefore also the ignition time and the minimum required Ignition voltage can be influenced.
- the ignition bridge layer In order to minimize the contact resistance between the ignition bridge and the Ensuring contacts are first across from the ignition bridge layer the ignition bridge formed large-area contact surfaces and these as completely as possible touch the metallization layers of the contacts. In addition to the separation of the Metallization layer on the ignition bridge layer is also a face-down contact possible from interconnect areas integrated in the carrier substrate, the ignition bridge layer to contact from the opposite side. The ignition bridge layer can then on the carrier substrate surface or optionally also on the interposed structured metallization layer is deposited.
- a spark plug layer between 0.2 and 2 ⁇ m allows for a specific one Resistance of the titanium hydride of approx. 0.50 ⁇ m is a quite large surface area of the Ignition bridge and good variation possibilities by length and width of the ignition bridge in the preferred range of total electrical resistance of the ignition bridge layer of 0.5 to approx. 200 ⁇ .
- the further training according to claim 13 should also be considered, after which the ignition bridge layer is cooled when the metallization layer is deposited so that the local temperature does not exceed 350 ° Celsius.
- FIG. 1 shows an ignition element with a deposited, structured and hydrogenated ignition bridge layer 2 made of hafnium hydride HfH x; (0.025 ⁇ x ⁇ 2) or a mixture of hafnium hydride with TiH x; (0.2 ⁇ 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 for thermal insulation are also suitable. It is essential for the function, however, that it is neither electrically short-circuited by the thermal insulation layer 3 nor by the carrier substrate 4, if the thermal insulation layer 3 is dispensed with.
- the contact surfaces 21 (see FIG. 1a) of the ignition bridge layer are widened designed to have the lowest possible contact resistance to the To reach contacts 1. Accordingly, the contacts 1 as an Al layer or another layer made of a highly conductive material realized (see Fig.1b and Fig.1c) to facilitate contacting.
- the Dimensions of the contact surfaces 21 depend on the respective required contacting conditions.
- the Sequence of layers on average clearly, the variable thickness d of thermal insulation layer 3 the ignition timing and the at least required ignition voltage affects. Namely, the ignition bridge layer 2 flowed through by the current, so is the time to reach the critical decomposition temperature essentially from the thermal conductivity the insulation layer 3 dependent. Can a larger amount of heat flow off over the insulation layer 3 to the carrier substrate 4, so delayed the ignition point or a higher power must be implemented what a higher ignition voltage means.
- the hafnium and / or Titanium hydride layer 2 also directly on the carrier substrate 4 be deposited if there is a delay in the ignition timing desired or the ignition voltage is selected to be correspondingly high and in addition, the carrier substrate is not electrically conductive.
- the contacts 1 are again on the structured ignition bridge layer 2 deposited (see. Fig. 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.
- U electrical voltage
- U electrical voltage
- metallized contacts 1 metallized contacts 1
- a Joule heating of the ignition bridge 2 which then through their warming and chemical decomposition (Release of reactive hydrogen) and a plasma discharge Ignition process in the directly lying pvrotechnical active mass 5 (cf. Fig. 5) initiated.
- the hot metal atoms and the pressure lead to one widespread inflammation.
- the arrangement of the pyrotechnic active mass 5 can on the one hand directly of the ignition bridge layer 2 (see FIG. 5) in addition to the hydrogen reaction and plasma effects also use direct heat conduction. Or it becomes an ignition bridge layer by means of distance-determining intermediate layers 6 2 realizes a small distance 7 (see FIG. 6) in order primarily to use the pure plasma effect.
- FIG. 7 now shows yet another embodiment in which the ignition bridge layer 2 in the area of the contact surfaces 21 from the lower one opposite pyrotechnic active mass is contacted.
- the Contacts 1 are embedded in the top of the carrier substrate, for example. Between contacts 1 and under the effective area of the ignition bridge layer 2, the thermal insulation layer 3 is provided, which the Ignition bridge layer 2 thermally and electrically from the carrier substrate 4 isolated.
- the carrier substrate points toward interconnect regions toward the contacts 1 4.1, which are made, for example, of highly doped carrier substrate material (Si).
- the two interconnect areas 4.1 are separated by an isolation trench 4.2 Carrier substrate 4 isolated from each other.
- Advantage of this embodiment is the omission of an Al layer and external connections to the Contacts.
- the contact between pyrotechnic Active mass and ignition bridge layer simplified and improved.
- Embodiments are particularly other, for example circular configurations of the ignition bridge layer are conceivable.
- FIG 8 in turn, an embodiment of another Further development of the invention is shown, after which on the ignition bridge layer 2 in the effective area of the ignition bridge between contacts 1 an insulation layer 7 is deposited.
- an insulation layer 7 is deposited.
- Oxide material existing insulation layer 7 can the heating process of the ignition bridge layer to the temperature required for the decomposition a pressure increase can be accelerated.
- 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 of expansion, the insulation layer 7 at a previously defined Pressure opens and the hot hydrogen gas as well as the hot particles of the Ignition bridge layer and, if developing, the plasma on or in the pyrotechnic active mass 5 can reach.
- the insulation layer 7 is only so thick that it directly at Beginning of the reaction of the ignition bridge layer 2 is destroyed.
- the Insulation layer 7 can consist of a material or a sequence of layers exist in which at least the 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 the top layer of the Insulation layer 7 is conceivable, however, because of the reflection on the metallized top layer the heat before the destruction of the insulation layer 7 is reflected back into the ignition bridge layer 2 and thus this heated faster.
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Abstract
Description
- Fig. 1
- Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter
Zündbrückenschicht (0,2<x<2) auf einem Trägersubstrat mit einer
thermischen Isolationsschicht,
- Fig.1a
- als Draufsicht ohne Kontaktmetallisierung,
- Fig.1b
- als Draufsicht mit Kontaktmetallisierung und
- Fig.1c
- als Schnittdarstellung
- Fig.2
- Anzündelement mit abgeschiedender und strukturierter
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 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 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
Claims (19)
- 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 Schicht aus Hafnium oder einem Titan-Hafnium-Gemisch ist.
- Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) durch eine Plasmaentladung gezündet wird.
- Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter der Zündbrückenschicht (2) zum Trägersubstrat (4) hin eine thermische Isolationsschicht (3) befindet.
- Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (1) als zwei Metallisierungsschichten ausgeführt sind, welche aus der Zündbrückenschicht (2) ausgeformte Kontaktflächen (21) großflächig berühren.
- 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.
- Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) eine näherungsweise konstante Schichtdicke von 0,2 bis 2 µm hat.
- 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.
- 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.
- 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 Zündbrückenschicht 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 Isolationsschicht (3) hin eine Größe zwischen 25 und 100 000 µm2 aufweist.
- Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) aus Hafnium ohne einen Titananteil ist und das atomare Zusammensetzungsverhältnis (x) Wasserstoff/Hafnium der hydrierten Hafniumschicht (Hf Hx) im Bereich von 0,025 bis 2,0 liegt.
- Dünnschichtanzündelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der prozentuale Wasserstoffgehalt der hydrierten Hafniumschicht im Bereich von 2,25 bis 66,4 Prozent liegt.
- Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrückenschicht (2) aus einem hydrierten Hafnium-Titan-Gemisch ist.
- Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zündbrückenschicht (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.
- Dünnschichtanzündelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (4) ein Halbleitersubstrat mit integrierten Bauelementen zur zündansteuerung ist und die Kontaktflächen (21) der Zündbrückenschicht (2) mit im Trägersubstrat (4) integrierten Leitbahnbereichen (4.1) verbunden sind.
- Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtanzündelements nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßa) zunächst eine Schicht aus Hafnium oder einem Titan/Hafnium-Gemisch abgeschieden und entsprechend der gewählten Strukturgeometrie der Zündbrückenschicht (2) sowie der Kontaktflächen (21) strukturiert wird, undb) nachfolgend Wasserstoff durch Temperung eingelagert wird, wobei die Temperatur während der Temperung vorzugsweise bei etwa 350° Celsius gehalten wird.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abscheiden des Hafniums oder Titan/Hafnium-Gemischs zunächst in einem Halbleiterprozeß eine mikroelektronische Schaltung im Trägersubstrat (4) und die thermische Isolationsschicht (3) realisiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Hydrieren des Hafniums oder Titan/Hafnium-Gemischs 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.
- Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Anzündelementen auf einem Siliziumwafer als Trägersubstrat (4) realisiert werden.
- Verwendung eines Dünnschichtanzündelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als Zünder für Insassenschutzeinrichtungen, insbesondere Airbags in Kraftfahrzeugen.
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