EP1143218A1 - Element resistif pour initiateur pyrotechnique - Google Patents

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EP1143218A1 EP01400638A EP01400638A EP1143218A1 EP 1143218 A1 EP1143218 A1 EP 1143218A1 EP 01400638 A EP01400638 A EP 01400638A EP 01400638 A EP01400638 A EP 01400638A EP 1143218 A1 EP1143218 A1 EP 1143218A1
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resistive
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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 present invention relates to a resistive element for electro-pyrotechnic ignition or ignition initiator detonation.
  • Pyrotechnic initiators are increasingly used in automotive safety devices, in particular for controlling the operation of cushions inflatable or seat belt tensioners, and generally consist of a container containing a pyrotechnic composition which is brought to its deflagration temperature on contact with a electrically resistant filament or layer heated by Joule effect.
  • the filament or layer electrically resistant are usually fixed on a insulating substrate and connected to supply terminals of Electric power.
  • Figure 1 shows a pyrotechnic initiator of the prior art comprising a glass-to-metal crossing 2, a resistive element 4 connected to connections of outlet, a first container 6 containing a charge primary explosive 8, and a second container 10 containing a secondary explosive charge 12.
  • the element resistive is shown schematically in Figure 2 and comprises an alumina substrate 14, a resistive layer 16 deposited on the substrate 14, an adhesion layer 18 on which is deposited a conductive layer 20 and a welding coating 22 covering the layer conductive 20 to establish electrical contact with current supply terminals 23.
  • Figure 3 illustrates another resistive element according to the prior art consisting of a silicon substrate 24 on which is carried out a diffused resistance 26, and is deposited a contact layer 28.
  • Alumina and silicon, respectively forming substrates 14, 24 of the resistive elements of FIGS. 2 and 3, have a high thermal conductivity, respectively equal to 0.3 w / cm ° C and to 1.46 w / cm ° C.
  • a significant part of the dissipated heat by the resistive layers 16, 26 is transmitted to the substrate 14, 24 and is no longer available for heating the pyrotechnic composition.
  • the energy consumed by the pyrotechnic initiator is then much more higher than the energy required to initiate the composition pyrotechnic and the low consumption requirement is not satisfied.
  • the specifications of these pyrotechnic initiators impose a "fire-free” interval ",” all-fire "more and more narrow. Indeed, when applying to a pyrotechnic initiator a specified current pulse "all-fire” the initiator must operate with a probability close to 1. By against, when we apply to this initiator a impulse specified "non-fire", representing a parasitic pulse, the initiator must not function. However, the heat dissipated by the layer resistive 16, 26 is transmitted to the substrate 14, 24 of so that the energy dissipated by the joule effect does not not only heats the resistive layer 16, 26, but the assembly formed by this resistive layer 16, 26 and the substrate 14, 24 whose thermal mass equivalent depends on the thermal conductivity and the specific heat of the substrate 14, 24.
  • the purpose of this invention is to overcome the disadvantages of the prior art cited above.
  • a resistive element comprising a substrate on which a layer is fixed resistive partially covered by a layer conductive ensuring electrical contact with two electric current supply terminals.
  • the substrate is produced in a material with thermal and electrical conductivity and a surface finish, comparable to that of glass.
  • the thermal energy dissipated by the Joule effect by the resistive layer is channeled to the explosive.
  • the glass has a very good state of surface, it lends itself perfectly to the use of high resolution thin film deposition processes for the realization of the resistive layer.
  • the conductive layer surrounds the resistive layer and the substrate so as to form two contact zones connected by a central portion of the resistive layer.
  • This embodiment is made possible thanks to the use of a material like glass which presents very low electrical conductivity (otherwise the resistive filament would be short-circuited by the substrate leakage resistance).
  • the resistive layer is produced on the substrate by a process for producing layers thin at high resolution.
  • Figure 4 shows schematically an element resistive 4 for electro-pyrotechnic initiator ignition or detonation comprising a substrate 14 on which is fixed a first resistive layer 16.
  • the resistive layer 16 is partially covered by a conductive layer 20 ensuring electrical contact with two terminals 23 for supplying electric current.
  • the conductive layer 20 surrounds the resistive layer 16 and the substrate 14 in two contact zones connected to the resistive layer 16 by a bonding layer 16a. The conductive layer 20 thus ensures the connection resistive layer 16 with terminals 23 of electric current represented in the Figures 5 to 7.
  • the substrate 14 is made of glass or in a material with electrical and thermal conductivities (e.g. 0.01 W / Cm ° C) very low, comparable to those of glass, as well as a surface finish such as that of glass, so as to allow the implementation processes for producing thin layers with high resolution.
  • electrical and thermal conductivities e.g. 0.01 W / Cm ° C
  • the resistive layer 16 is constituted by a layer slim.
  • the thin layer is made of homogeneous material for example in NiCr, Ta2N or CrSi.
  • heat dissipated by Joule effect by the resistive layer is transmitted to the pyrotechnic composition by thermal conduction.
  • the resistive layer 16 is consisting of a thin layer of composite material, for example in Ta2n-Zr, NiCr-Zr or Ta2N-Ti.
  • the layer conductive heated by the upper resistive layer 16, sublimates and causes the formation of a plasma which condenses on the pyrotechnic composition and increases its temperature.
  • the heat dissipated by joule effect by the resistive layer 16 is transmitted to the composition pyrotechnic by thermal conduction and by effect plasma.
  • the resistive layer 16 is made of silicon, by example in amorphous silicon deposited on glass.
  • the resistive element 4 is mounted on a base 30 crossed by two terminals current supply 23.
  • the base can be made of a material electrically insulating. If it consists of a metal part, an insulating washer 29 must be inserted between the base 30 and the resistive element 4.
  • FIGS 5 to 7 illustrate three modes of connection of the resistive element 4 with the terminals current supply 23.
  • the electrical contact between the resistive element 4 and the terminals 23 is produced by welding on glass-metal protruding bushings.
  • the connections of the resistive element 4 with the current supply terminals 23 are made by the edge thus making the resistive element compatible with surface mounting techniques.
  • the element resistive can then be mounted on supports intermediates with surge suppressors, energy storage capacitors and circuits integrated control.
  • the electrical connection of the resistive layer 16 with terminals 23 can be direct or carried out through an intermediate circuit, by example a printed circuit 32, which includes other components 31 useful for the operation of the device, such as a varistor, capacitor, etc. (figure 7).
  • the fixing of the element resistive 4 and the electrical contact between it and terminals 23 is carried out via the printed circuit 32 fixed on the base 30.
  • the circuit printed has a layer of copper 33 forming two separate areas in electrical contact respectively with terminals 23 and element contact areas resistive 4 and component 31, which are welded to the printed circuit.
  • the use of a glass substrate allows to use very low heating elements volume, and of very low mass in view of their integration in pyrotechnic initiators of very low energy, 0.1mJ for example. It also allows use small volume heating elements, and low mass with a view to their integration into medium energy pyrotechnic initiators, 1mJ per example. In this case, the energy which is no longer dissipated in pure loss in the substrate can heat a greater mass of resistive material. The increase in the mass of the resistive material is resulting in an increase in the resistive surface, allows the use of pyrotechnic compositions of larger particle size and facilitates the process of manufacture of pyrotechnic initiators.

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Abstract

L'invention concerne un élément résistif (4) pour initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation, comportant un substrat (14) sur lequel est fixée une couche résistive (16) recouverte partiellement par une couche conductrice (20) assurant le contact électrique avec deux bornes d'amenée de courant électrique (23). Selon l'invention, le substrat est réalisé dans un matériau ayant une conductivité thermique et électrique et un état de surface, comparables à ceux du verre. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un élément résistif pour initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation.
Les initiateurs pyrotechniques sont de plus en plus utilisés dans les dispositifs de sécurité automobile, notamment pour commander le fonctionnement de coussins gonflables ou de tensionneurs de ceinture de sécurité, et sont généralement constitués par un récipient contenant une composition pyrotechnique qui est portée à sa température de déflagration par contact avec un filament ou une couche électriquement résistants chauffés par effet joule. Le filament ou la couche électriquement résistants sont généralement fixés sur un substrat isolant et connectés à des bornes d'amenée de courant électrique. Ces initiateurs pyrotechniques doivent à la fois consommer très peu d'énergie et être peu sensibles aux stimuli extérieurs pour répondre à des normes de fiabilité de fonctionnement et de sécurité.
La figure 1 représente un initiateur pyrotechnique de l'art antérieur comportant une traversée verre-métal 2, un élément résistif 4 relié à des connexions de sortie, un premier récipient 6 contenant une charge explosive primaire 8, et un deuxième récipient 10 confinant une charge explosive secondaire 12. L'élément résistif est représenté schématiquement en figure 2 et comporte un substrat 14 en alumine, une couche résistive 16 déposée sur le substrat 14, une couche d'adhérence 18 sur laquelle est déposée une couche conductrice 20 et un revêtement de soudage 22 recouvrant la couche conductrice 20 pour établir le contact électrique avec des bornes d'amenée de courant 23. La figure 3 illustre un autre élément résistif selon l'art antérieur constitué par un substrat en silicium 24 sur lequel est réalisée une résistance diffusée 26, et est déposée une couche de contact 28.
Les échanges thermiques entre la couche résistive et le milieu qui l'environne dépendent :
  • du substrat sur lequel est déposée la couche résistive ;
  • de la composition pyrotechnique ;
  • du boítier contenant cet ensemble.
L'alumine et le silicium, formant respectivement les substrats 14, 24 des éléments résistifs des figures 2 et 3, présentent une conductibilité thermique élevée, respectivement égale à 0,3 w/cm°C et à 1,46 w/cm°C. De ce fait, une partie importante de la chaleur dissipée par les couches résistives 16, 26 est transmise au substrat 14, 24 et n'est plus disponible pour chauffer la composition pyrotechnique. L'énergie consommée par l'initiateur pyrotechnique est alors beaucoup plus élevée que l'énergie requise pour initier la composition pyrotechnique et l'exigence de faible consommation n'est pas satisfaite.
Par ailleurs, le cahier des charges de ces initiateurs pyrotechniques impose un intervalle " non-feu ", " tout-feu " de plus en plus étroit. En effet, lorsqu'on applique à un initiateur pyrotechnique une impulsion de courant spécifiée " tout-feu " l'initiateur doit fonctionner avec une probabilité proche de 1. Par contre, lorsqu'on applique à cet initiateur une impulsion spécifiée " non-feu ", représentant une impulsion parasite, l'initiateur ne doit pas fonctionner. Or, la chaleur dissipée par la couche résistive 16, 26 est transmise au substrat 14, 24 de telle sorte que l'énergie dissipée par effet joule ne chauffe pas uniquement la couche résistive 16, 26, mais l'ensemble constitué par cette couche résistive 16, 26 et le substrat 14, 24 dont la masse thermique équivalente dépend de la conductibilité thermique et de la chaleur spécifique du substrat 14, 24. Plus ces deux grandeurs sont élevées, plus la masse thermique est élevée et plus il faut d'énergie pour atteindre, au niveau de la couche résistive 16, 26, la température nécessaire au fonctionnement " tout-feu " de la composition pyrotechnique. Ainsi, pour un substrat donné, pour réduire le niveau d'énergie requis, il faut réduire la surface de la couche résistive 16, 26. Cependant, en réduisant la surface de la couche résistive 16, 26, on diminue la surface d'échange thermique entre cette dernière et le substrat 14, 24. Ceci a pour conséquence de nuire à la reproductibilité du fonctionnement, particulièrement, lorsque l'on atteint des tailles voisines de la granulométrie de la composition pyrotechnique. En outre, la réduction de la surface d'échange entre le filament et le substrat abaisse le seuil de déclenchement "non-feu" de la composition pyrotechnique.
Le but de cette invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur cités ci-dessus.
Ce but est atteint au moyen d'un élément résistif comportant un substrat sur lequel est fixée une couche résistive recouverte partiellement par une couche conductrice assurant le contact électrique avec deux bornes d'amenée de courant électrique.
Selon l'invention, le substrat est réalisé dans un matériau ayant une conductivité thermique et électrique et un état de surface, comparables à ceux du verre.
Comme le verre présente une très faible conductivité thermique, l'énergie thermique dissipée par effet Joule par la couche résistive est canalisée vers l'explosif. En outre, comme le verre présente un très bon état de surface, il se prête tout à fait à l'utilisation de procédés de dépôt de couches minces à haute résolution pour la réalisation de la couche résistive.
La couche -conductrice entoure la couche résistive et le substrat de manière à former deux zones de contact reliées par une portion centrale de la couche résistive.
Ce mode de réalisation est rendu possible grâce à l'utilisation d'un matériau comme le verre qui présente une très faible conductivité électrique (autrement le filament résistif serait court-circuité par la résistance de fuite du substrat).
Préférentiellement, la couche résistive est réalisée sur le substrat par un procédé de réalisation de couches minces à haute résolution.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles:
  • la figure 1, décrite précédemment, représente schématiquement en vue en coupe transversale un initiateur pyrotechnique selon l'art antérieur ;
  • les figures 2 et 3 représentent schématiquement en vue en coupe transversale deux éléments résistifs de l'art antérieur destinés à équiper l'initiateur pyrotechnique de la figure 1;
  • la figure 4 représente schématiquement en vue en coupe transversale un élément résistif selon l'invention ;
  • les figures 5 et 6 représentent schématiquement en vue en coupe transversale trois modes de réalisation d'un initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation, muni de l'élément résistif de la figure 4 ;
  • la figure 7 représente en vue dessus un troisième mode de réalisation d'un initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation, muni de l'élément résistif de la figure 4.
Des références identiques sont utilisées pour désigner les éléments remplissant les mêmes fonctions dans les dispositifs illustrés respectivement par les figures 2 et 3 de l'art antérieur et par les figures 4 à 6 représentant l'invention.
La figure 4 représente schématiquement un élément résistif 4 pour initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation comportant un substrat 14 sur lequel est fixée une première couche résistive 16. La couche résistive 16 est recouverte partiellement par une couche conductrice 20 assurant le contact électrique avec deux bornes 23 d'amenée de courant électrique. La couche conductrice 20 entoure la couche résistive 16 et le substrat 14 en deux zones de contact reliées à la couche résistive 16 par une couche de liaison 16a. La couche conductrice 20 assure ainsi la connexion électrique de la couche résistive 16 avec les bornes 23 d'amenée de courant électrique représentées dans les figures 5 à 7.
Le substrat 14 est réalisé en verre ou dans un matériau ayant des conductivités électrique et thermique (par exemple 0,01 W/Cm °C) très faibles, comparables à celles du verre, ainsi qu'un état de surface tel que celui du verre, de manière à permettre la mise en oeuvre de procédés de réalisation de couches minces à haute résolution.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la couche résistive 16 est constituée par une couche mince.
Dans une première variante de ce premier mode de réalisation, la couche mince est en matériau homogène par exemple en NiCr, Ta2N ou CrSi. Dans ce cas, la chaleur dissipée par effet joule par la couche résistive est transmise à la composition pyrotechnique par conduction thermique.
Dans une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention, la couche résistive 16 est constituée par une couche mince en matériau composite, par exemple en Ta2n-Zr, NiCr-Zr ou Ta2N-Ti. Dans ce cas, à des températures voisines de la température d'excitation de la composition pyrotechnique, la couche conductrice, chauffée par la couche résistive supérieure 16, se sublime et entraíne la formation d'un plasma qui se condense sur la composition pyrotechnique et augmente sa température. La chaleur dissipée par effet joule par la couche résistive 16 est transmise à la composition pyrotechnique par conduction thermique et par effet plasma.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la couche résistive 16 est en silicium, par exemple en silicium amorphe déposé sur du verre.
Sur les figures 5 à 7, l'élément résistif 4 est monté sur une embase 30 traversée par deux bornes d'amenée de courant 23.
L'embase peut être réalisée en un matériau électriquement isolant. Si elle est constituée d'une pièce métallique, une rondelle isolante 29 doit être insérée entre l'embase 30 et l'élément résistif 4.
Les figures 5 à 7 illustrent trois modes de connexion de l'élément résistif 4 avec les bornes d'amenée de courant 23.
Sur la figure 5, le contact électrique entre l'élément résistif 4 et les bornes 23 est réalisé par soudage sur traversées dépassantes verre-métal.
Sur la figure 6, le contact électrique entre l'élément résistif 4 et les bornes 23 est réalisé par report sur traversées non dépassantes verre-métal.
Les connexions de l'élément résistif 4 avec les bornes 23 d'amenée de courant se font par la tranche permettant ainsi de rendre l'élément résistif compatible avec des techniques de montage en surface. L'élément résistif peut alors être monté sur des supports intermédiaires avec des supresseurs de surtension, des condensateurs de stockage d'énergie et des circuits intégrés de contrôle.
Il est à noter que la connexion électrique de la couche résistive 16 avec les bornes 23 peut être directe ou effectuée au travers d'un circuit intermédiaire, par exemple un circuit imprimé 32, qui comporte d'autres composants 31 utiles au fonctionnement du dispositif, tels qu'une varistance, un condensateur, etc. (figure 7).
Ainsi, sur la figure 7, la fixation de l'élément résistif 4 et le contact électrique entre celui-ci et les bornes 23 est effectué par l'intermédiaire du circuit imprimé 32 fixé sur l'embase 30. Le circuit imprimé comporte une couche de cuivre 33 formant deux zones distinctes en contact électrique respectivement avec les bornes 23 et les zones de contact de l'élément résistif 4 et du composant 31, lesquels sont soudés sur le circuit imprimé.
L'utilisation d'un substrat en verre permet d'utiliser des éléments chauffants de très faible volume, et de très faible masse en vue de leur intégration dans des initiateurs pyrotechniques de très faible énergie, 0,1mJ par exemple. Elle permet également d'utiliser des éléments chauffants de faible volume, et de faible masse en vue de leur intégration dans des initiateurs pyrotechniques de moyenne énergie, 1mJ par exemple. Dans ce cas, l'énergie qui n'est plus dissipée en pure perte dans le substrat permet de chauffer une masse de matériau résistif plus importante. L'augmentation de la masse du matériau résistif se traduisant par une augmentation de la surface résistive, permet d'utiliser des compositions pyrotechniques de plus forte granulométrie et facilite le procédé de fabrication des initiateurs pyrotechniques.

Claims (11)

  1. Élément résistif (4) pour initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation comportant un substrat (14) sur lequel est fixée une couche résistive (16) recouverte partiellement par une couche conductrice (20) assurant le contact électrique avec deux bornes d'amenée de courant électrique (23), caractérisé en ce que le substrat est réalisé dans un matériau ayant une conductivité thermique et électrique et un état de surface, comparables à ceux du verre.
  2. Élément résistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact électrique entre la couche conductrice (20) et les bornes (23) est effectué par les tranches de l'élément résistif.
  3. Élément résistif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche conductrice (20) entoure la couche résistive (16) et le substrat (14) en deux zones de contact reliées par une couche de liaison (16a) à la couche résistive (16).
  4. Élément résistif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche résistive (16) est déposée sur le substrat par un procédé de réalisation de couches minces à haute résolution.
  5. Élément résistif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche résistive (16) est réalisée sur le substrat par dépôt sous vide et photolithographie.
  6. Élément résistif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite couche résistive (16) est constituée par une couche mince en matériau homogène de manière à assurer la transmission de la chaleur à la composition pyrotechnique par conduction thermique.
  7. Élément résistif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la couche résistive (16) est constituée par une couche mince en matériau composite de manière à assurer la transmission de la chaleur à la composition pyrotechnique par conduction thermique et par effet plasma.
  8. Élément résistif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche résistive (16) est en silicium.
  9. Élément résistif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la connexion de la couche résistive (16) avec les bornes d'amenée (23) de courant est réalisée par soudure sur traversée verre-métal.
  10. Élément résistif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la connexion de la couche résistive (16) avec les bornes d'amenée de courant (23) est réalisée par soudure sur traversée verre-métal.
  11. Initiateur électro-pyrotechnique d'allumage ou de détonation, caractérisé en ce qu'il comporte un élément résistif (4) selon l'une des revendications 1 à 10.
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