EP1335178A2 - Mikroelektronisch-Pyrotechnisches Bauteil - Google Patents

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EP1335178A2
EP1335178A2 EP03001251A EP03001251A EP1335178A2 EP 1335178 A2 EP1335178 A2 EP 1335178A2 EP 03001251 A EP03001251 A EP 03001251A EP 03001251 A EP03001251 A EP 03001251A EP 1335178 A2 EP1335178 A2 EP 1335178A2
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EP
European Patent Office
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component according
semiconductor material
core
membrane
ignition element
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EP03001251A
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English (en)
French (fr)
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EP1335178A3 (de
EP1335178B1 (de
Inventor
Achim Dr. Hofmann
Horst Dr. Laucht
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ZF Airbag Germany GmbH
Original Assignee
TRW Airbag Systems GmbH
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Publication date
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Publication of EP1335178A3 publication Critical patent/EP1335178A3/de
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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B45/00—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06C—DETONATING OR PRIMING DEVICES; FUSES; CHEMICAL LIGHTERS; PYROPHORIC COMPOSITIONS
    • C06C9/00—Chemical contact igniters; Chemical lighters

Definitions

  • the invention relates to a microelectronic-pyrotechnic component, in particular for use in a safety device for vehicles.
  • the Component is in particular an igniter or gas generator for use in Airbag modules or belt tensioners.
  • Lighters for conventional gas generators consist of a a base sealed housing and ignition means inserted into the housing, over a heating wire, a thin film element or a Semiconductor bridge are ignited.
  • the ignition means are often from one Primary charge and an amplifier charge with which the actual gas-generating mixture is brought to ignition. Lighter this Design can not be miniaturized due to their design principle. she Therefore, sometimes no longer meet the requirements of the automotive industry for components with low space requirements.
  • DE 198 15 928 A1 discloses a semiconductor lighter for use in a gas generator for a safety device in vehicles, with one a carrier arranged with the interposition of a thermal insulation layer, connected at the end to electrical contact areas and at Current passage in the ignition gap area triggering the heating semiconductor layer.
  • the thermal insulation layer is on the ignition gap area limited and preferably consists of porous silicon. For ignition amplification an explosive gas or gas mixture can be introduced into the porous silicon.
  • the invention is based on the object, a simple assembled and inexpensive to manufacture microelectronic-pyrotechnic Component, in particular for safety-related applications in vehicles, provide.
  • a component is proposed for this purpose, which has a core from an explosive material, the explosive material to the Sheath surrounding side surfaces of the core made of a solid semiconductor material and one between electrical contact surfaces on one of the end faces of the Kerns arranged ignition element, the ignition when current passes of the explosive material.
  • the explosive material is out a porous fuel and one introduced into the porous fuel solid or liquid oxidizer formed.
  • the porous fuel and the massive Semiconductor materials are the same and preferably consist of silicon, wherein the silicon can be heavily or weakly p-doped or n-doped.
  • a membrane ie a layer of a few 1 ⁇ 4 m (e.g. 2 to 50 1 ⁇ 4 m) thick, made of a semiconductor material can be arranged, the semiconductor material of the jacket and the semiconductor material of the membrane preferably being made of the same material and in one piece.
  • the membrane can be made of another material that can be easily produced on the semiconductor material of the jacket, such as SiO 2 .
  • the membrane can be arranged between the ignition element and the explosive material.
  • the ignition element is particularly preferably in direct contact with the explosive material. In this case, the ignition element and the membrane can lie on opposite end faces of the core.
  • the component also preferably has a cover that the Ignition element or the explosive material gas and liquid tight closes.
  • the cover and the membrane are preferably opposite one another End faces of the core or the component arranged. If that explosive material is stable to environmental influences Membrane and the lid are omitted.
  • the ignition element and the lid is arranged on the same face.
  • Ignition element can also be arranged on the cover, so that between the ignition element and explosive material a small gap remains. This enables one Prefabrication of the ignition element and the contact surfaces on the cover in one separate process step and thus ensures a particularly rational Production.
  • the cover and the ignition element are located on opposite end faces of the component.
  • the Ignition element is then preferably on that adjacent to the explosive material Membrane arranged.
  • the lid is used to seal the material on the other end.
  • the cover with the ignition element designed like a membrane, d. H. the lid has only a slight one Layer thickness in the 1 ⁇ 4m range (2 - 50 1 ⁇ 4m).
  • the ignition element is preferably on arranged on the inside of the lid.
  • On the one opposite the lid At the front of the core there is a thicker layer from the solid Semiconductor material of the jacket. This thicker layer is preferably in one piece formed with the coat.
  • the cover can be made of all that can be connected to the semiconductor material Substances are formed.
  • the lid preferably consists of semiconductor materials such as Silicon, or made of glass, ceramic or metal and is over conventional Joining techniques such as anodic bonding, glass solder bonding, eutectic Bonding, silicon direct bonding or conventional adhesive techniques with which Semiconductor material or the electrical contact surfaces connected.
  • the ignition element is preferably a semiconductor bridge, for example the one in FIG DE 198 15 928 A1 type described, or a thin-film element z. B. as described in WO-A 98/54535, and experience one when the current passes sudden warming that triggers the ignition of the explosive material.
  • the porous fuel is preferably a nanostructured material with a structure size of between approximately 2 nm and 1000 nm, preferably between 2 and 50 nm, and a porosity, ie a ratio of the pore volume to the volume of the porous sample body (V pores / V sample ) of between 10% and 98%, preferably 40 to 80%.
  • the fuel can have a specific surface area of up to 1000 m 2 / cm 3 , preferably between 200 and 1000 m 2 / cm 3 .
  • the fuel is particularly preferably one obtained by electrochemical etching porous silicon produced from a fluoride-containing solution. By tempering on Air can passivate the porous silicon. That so passivated porous silicon has an improved storage stability.
  • oxidizer Hydrogen peroxide, hydroxylammonium nitrate, organic nitro compounds or nitrates, metal nitrates, nitrites, chlorates, perchlorates, bromates, iodates, -oxides, -peroxides, ammonium perchlorate or ammonium nitrate.
  • the proportion of the aforementioned compounds in the oxidizer is preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 70% by weight.
  • the oxidizer preferably consists wholly or partly of alkali metal nitrate or -perchlorate, alkaline earth metal nitrate or -perchlorate, ammonium nitrate, ammonium perchlorate or mixtures thereof.
  • the oxidizer is particularly preferred Alkali metal nitrate or alkaline earth metal nitrate, optionally in a mixture with Ammonium perchlorate.
  • Typical dimensions of the component according to the invention are in the range of 0.5 mm to 5 mm in length and width and a thickness of 0.3 mm to 3 mm.
  • the component according to the invention is particularly useful as a lighter in safety-related terms Devices for vehicles, for example gas bag modules or Belt tensioners, suitable. It can be advantageous with known methods of silicon process technology getting produced. In particular, it is simple and inexpensive Manufacturing with high precision already in the batch process at the wafer level possible. The great pyrotechnic effect with the smallest dimensions and compact design also allows the implementation of a multi-point ignition, that could not be achieved with the known systems. Due to the high energy density and energy release rate of the component also on the previously common secondary ignition means for igniting the gas-generating Fuels are avoided. This is another miniaturization and weight reduction.
  • the component according to the invention is can also be manufactured hermetically and therefore against environmental influences particularly insensitive.
  • the igniter 10 according to the invention shown in FIGS. 1 to 4 has a core 12 made of an explosive material.
  • the explosive material is preferably porous silicon with a structure size (size of the Si nanocrystals) of between 2 and 50 nm and a porosity (V pores / V sample ) between 40% and 80%.
  • the porous silicon can be passivated in air by tempering.
  • An oxidizing agent that is solid or liquid at room temperature is introduced into the pores of the porous silicon.
  • the oxidizing agent is preferably selected from the group of alkali metal nitrates, alkaline earth metal nitrates, ammonium perchlorate and ammonium nitrate and mixtures thereof.
  • other oxidizing agents such as organic nitro compounds or organic nitrates, can also be used. It is also possible to use alkali metal and alkaline earth metal perchlorates.
  • the side surfaces of the core 12 made of the explosive material are from surrounded by a jacket 14 made of a solid semiconductor material.
  • the semiconductor material of the jacket 14 and the core 12 are the same and preferred integrally executed. That is, the jacket 14 is preferably made of solid Silicon.
  • the silicon can be weakly or heavily p-doped or n-doped. The use of undoped silicon is also possible.
  • An ignition element 18 is arranged on one of the end faces 16 of the core 12.
  • the ignition element 18 is located between electrical contact surfaces 20 in the embodiment shown here over the core 12 and the jacket 14 extend beyond and end with leads 22 for electrical contacts are connected.
  • the ignition element 18 is preferably in direct contact with the core 12 made of the explosive material and releases when current is passed an ignition of this material.
  • a membrane 26, that is to say a thin layer of only a few ⁇ m thick, made of the semiconductor material is arranged on the end face 24 of the core 12 opposite the end face 16.
  • the semiconductor materials of the membrane 26 and the core 12 or the jacket 14 are of the same material and are made in one piece.
  • the semiconductor material of the membrane 26 preferably also consists of silicon.
  • the membrane can also be formed from SiO 2 , which can be easily produced on the semiconductor material of the jacket.
  • the ignition element 18 arranged on the end face 16 of the core can be a Semiconductor bridge or a thin-film element of a known type.
  • the electrical Contact surfaces can also be made of a semiconductor material, preferably silicon, but the doping and the Conduction type of the pad material and the materials of the core and the Coat can be different. Alternatively, the contact areas can be used as metallic layers of e.g. Sputtered on aluminum or gold.
  • the ignition element is preferably gas-coated on the end face 16 with a cover 28. and sealed liquid-tight. In this embodiment, it can Ignition element can also be arranged on the cover 28, on the inside thereof, so that between the ignition element 18 and the core 12 from the explosive Material a narrow gap remains.
  • the cover 28 is preferably made of silicon, glass, ceramic or metal formed and with conventional bonding, adhesive or other connection techniques forming a connection 30 with the semiconductor material of the Jacket 14 hermetically sealed.
  • the contact areas are implanted or sputtered.
  • the core 112 from the explosive Material also made of a porous semiconductor material, preferably porous Silicon.
  • the porous silicon preferably has a structure size (size of the Si nano crystals) of between 2 and 50 nm and a porosity (V pores / V sample ) between 40% and 80%.
  • An oxidizing agent that is solid or liquid at room temperature is introduced into the pores of the porous silicon.
  • the oxidizing agent is preferably selected from the group of alkali metal nitrates and perchlorates, alkaline earth metal nitrates and perchlorates, ammonium perchlorate and ammonium nitrate and mixtures thereof.
  • other oxidizing agents such as organic nitro compounds or organic nitrates, can also be used.
  • the stoichiometry of the reactants i.e. porous Silicon and oxidizing agent.
  • the stoichiometry influences the rate of energy release and thus the type of reaction that occurs between Burning, explosion and detonation may vary.
  • Passivation of the porous silicon by tempering in air can also increase storage stability increased and the ignition behavior can be influenced.
  • the side surfaces of the core 112 are also in this embodiment of FIG surrounded by a jacket 114 made of a solid semiconductor material.
  • the Semiconductor material of the core 112 and the sheath 114 are of the same material and integrally formed.
  • the jacket 114 is preferably made of solid Silicon.
  • An ignition element 118 is arranged on the end face 116 of the core is located between electrically conductive contact surfaces 120.
  • the contact areas have leads 122 for electrical contacts.
  • the ignition element 118 can a semiconductor bridge or a thin-film element and solves Continuity from ignition of the explosive material.
  • a membrane 126 that is a thin, only a few microns thick Layer of a semiconductor material arranged.
  • the semiconductor material of the Membrane 126 is the same as the semiconductor material of the core 112 and Sheath 114, and integrally formed with these.
  • the membrane can, however not applicable if the explosive material is stable against environmental influences is. In this case, the ignition element 118 can directly on the core 112 the explosive material.
  • a cover 128 via a bond 130 with the jacket 114 or the Core 112 connected from the explosive material.
  • the lid is there preferably made of silicon, glass, ceramic or metal. If the explosive Material of the core 112 is stable to environmental influences, the lid can omitted.
  • the cover 128 closes flush as well as gas and liquid tight with the jacket 114.
  • FIGS. 7 and 8 show a further embodiment of the invention Igniter 210 shown.
  • Igniter 210 shown in this embodiment, that is at its Side faces of a jacket 214 made of a solid semiconductor material core 212 surrounded on one of its end faces 224 by a membrane 226 locked.
  • the core 212 is preferably also in this embodiment made of porous silicon with the properties described above, in the Pores an oxidant is introduced.
  • Membrane 226 is preferred identical to the solid semiconductor material of the jacket 214 and in one piece trained with this.
  • the outer contact surfaces 232 are through vias 234 in electrical connection with the electrical contact surfaces 220 Ignition element 218 is arranged here on the inside of cover 228.
  • the Lid 228 is using conventional bonding, gluing, or other joining techniques hermetically sealed with the semiconductor material of the jacket 214 connected.
  • the electrical contact areas 220 and the outer contact areas can be implanted or sputtered.
  • the vias 234 and the outer contact surfaces 232 also via electrochemical Deposition processes are formed.
  • the outer contact surfaces 232 can, for example, via a spring-loaded contact system (not here shown) can be contacted with electrical leads.
  • wafer disks made of silicon or other semiconductor materials are produced using known methods, as described, for example, in Physical Review Letters 87/6 (2001), pages 068301/1 to 068301/4, or WO-A- 96/36990 are subjected, in selected areas, to an etching treatment in a fluoride-containing electrolyte.
  • the electrolyte is preferably a mixture of ethanol and aqueous hydrofluoric acid (50%) in a volume ratio of between 3: 1 and 1: 3.
  • the current density of the anodizing current is preferably in the range between 20 and 70 mA / cm 2 .
  • the wafer substrate can consist of n-doped, p-doped or undoped silicon. The doping can be weak or highly concentrated. During the etching treatment, the wafer substrate can be exposed in a known manner.
  • the etching treatment leads to the formation of a core made of porous silicon a surrounding this core and formed integrally with the porous silicon Solid silicon sidewalls.
  • the etching treatment is preferred performed so that on one of the end faces of the core or the wafer substrate a small remaining wall thickness due to a diffused etch stop (Membrane) of a few ⁇ m remains. If necessary, the substrate can also be etched through.
  • porous semiconductor materials include chemical or physical deposition processes such as CVD, PVD, MOCVD, MBE or sputtering.
  • the porous semiconductor material is in this case on a Deposits of solid semiconductor material deposited.
  • the oxidizing agent in the pores of the core made of porous semiconductor material is at room temperature solid or liquid oxidizer introduced.
  • the introduction can by Apply the oxidizing agent as a liquid or in solution and then Evaporation of the solvent take place.
  • An order is also conceivable of the oxidizing agent as a melt and subsequent solidification in the pores of the porous silicon.
  • the wafer substrate can be processed using conventional silicon processing techniques then provide the contacts with the cover substrate by means of known bonding technology hermetically sealed, in the desired size cut and finally contacted with the leads.
  • the lid is applied and connected to the semiconductor material become.
  • the present invention enables the production of an effective one Igniter for use in gas generators, belt tensioners or others safety equipment in vehicles according to known, in Large-scale and therefore inexpensive process steps.
  • the chosen pyrotechnic system is highly effective and therefore particularly suitable for miniaturization.
  • the igniter according to the invention can be easily integrated into an existing semiconductor circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroelektronisch-pyrotechnisches Bauteil (10), insbesondere zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge wie Anzünder fiir Gasgeneratoren oder Gurtstraffer. Das Bauteil (10) weist einen Kern (12) aus einem explosionsfähigen Material, einen das explosionsfähige Material an den Seitenflächen des Kerns umgebenden Mantel (14) aus einem massiven Halbleitermaterial und ein zwischen elektrischen Kontaktflächen (20) an einer der Stirnseiten (16) des Kerns angeordnetes Zündelement (18) auf. Das explosionsfähige Material ist aus einem porösen Brennstoff und einem in den porösen Brennstoff eingebrachten Oxidator gebildet. Der poröse Brennstoff und das massive Halbleitermaterial sind stoffgleich. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein mikroelektronisch-pyrotechnisches Bauteil, insbesondere zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge. Das Bauteil ist insbesondere ein Anzünder oder Gasgenerator zur Verwendung in Gassackmodulen oder Gurtstraffern.
Anzünder für Gasgeneratoren herkömmlicher Bauart bestehen aus einem mit einem Sockel abgedichteten Gehäuse und in das Gehäuse eingebrachte Zündmittel, die über einen Heizdraht, ein Dünnschichtelement oder eine Halbleiterbrücke gezündet werden. Häufig sind die Zündmittel aus einer Primärladung und einer Verstärkerladung zusammengesetzt, mit der das eigentliche gaserzeugende Gemisch zur Zündung gebracht wird. Anzünder dieser Bauart lassen sich aufgrund ihres Konstruktionsprinzips nicht miniaturisieren. Sie genügen daher teilweise nicht mehr den Anforderungen der Kraftfahrzeugindustrie nach Bauteilen mit geringem Bauraumbedarf.
Die DE 198 15 928 A1 offenbart einen Halbleiteranzünder zur Verwendung in einem Gasgenerator für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen, mit einer auf einem Träger unter Zwischenlage einer thermischen Isolationsschicht angeordneten, endseitig an elektrische Kontaktbereiche angeschlossenen und sich beim Stromdurchgang im Zündstreckenbereich zündauslösend erhitzenden Halbleiterschicht. Die thermische Isolationsschicht ist auf den Zündstreckenbereich begrenzt und besteht vorzugsweise aus porösem Silizium. Zur Zündverstärkung kann ein explosives Gas oder Gasgemisch in das poröse Silizium eingebracht sein.
Aus Physical Review Letters 87/6 (2001), Seiten 068301/1 bis 068301/4, ist bekannt, daß beim Zusammenbringen von flüssigem Sauerstoff mit porösem Silizium, welches durch elektrochemisches Ätzen von Silizium in einem fluorwasserstoffhaltigen Elektrolyt hergestellt wurde, eine spontane Explosion erfolgt.
In Adv. Mater., 2002, 14, Nr. 1, Seiten 38 bis 41 wird berichtet, daß nur ein frisch hergestelltes poröses Silizium, das mit Gadoliniumnitrat (Gd(NO3)3·6H2O) versetzt wurde, durch Reiben mit einer Diamantspitze oder durch elektrische Funkenentladung zur Explosion gebracht werden kann. Das mit Gadoliniumnitrat versetzte poröse Silizium wird hier als Energiequelle für die Atomemissionsspektroskopie verwendet. Weitere vorgeschlagene Anwendungen betreffen die Verwendung als Antrieb in mikro-elektromechanischen Systemen.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes und kostengünstig herstellbares mikroelektronisch-pyrotechnisches Bauteil, insbesondere für sicherheitstechnische Anwendungen in Fahrzeugen, bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Bauteil vorgeschlagen, welches einen Kern aus einem explosionsfähigen Material, einen das explosionsfiihige Material an den Seitenflächen des Kerns umgebenden Mantel aus einem massiven Halbleitermaterial und ein zwischen elektrischen Kontaktflächen an einer der Stirnseiten des Kerns angeordnetes Zündelement umfaßt, das bei Stromdurchgang eine Zündung des explosionsfähigen Materials auslöst. Das explosionsfähige Material ist aus einem porösen Brennstoff und einem in den porösen Brennstoff eingebrachten festen oder flüssigen Oxidator gebildet. Der poröse Brennstoff und das massive Halbleitermaterial sind stoffgleich und bestehen bevorzugt aus Silizium, wobei das Silizium stark oder schwach p-dotiert oder n-dotiert sein kann.
An einer der Stirnseiten des Kerns kann eine Membran, d.h. eine wenige ¼m (z. B. 2 bis 50 ¼m) starke Schicht, aus einem Halbleitermaterial angeordnet sein, wobei das Halbleitermaterial des Mantels und das Halbleitermaterial der Membran vorzugsweise stoffgleich und einstückig ausgeführt sind. Alternativ kann die Membran aus einem anderen Material bestehen, dass sich leicht auf dem Halbleitermaterial des Mantels herstellen läßt, wie z.B. SiO2. Die Membran kann zwischen dem Zündelement und dem explosionsfähigen Material angeordnet sein. Besonders bevorzugt steht das Zündelement in direktem Kontakt mit dem explosionsfähigen Material. In diesem Falle können das Zündelement und die Membran auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Kerns liegen.
Das Bauteil weist darüber hinaus vorzugsweise einen Deckel auf, der das Zündelement oder das explosionsfähige Material gas- und flüssigkeitsdicht verschließt. Der Deckel und die Membran sind bevorzugt auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Kerns bzw. des Bauteils angeordnet. Falls das explosionsfähige Material gegenüber Umwelteinflüssen stabil ist, können die Membran und der Deckel entfallen.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind das Zündelement und der Deckel auf der gleichen Stirnseite angeordnet. In diesem Fall kann das Zündelement auch am Deckel angeordnet sein, so daß zwischen Zündelement und explosionsfähigem Material ein kleiner Spalt verbleibt. Dies ermöglicht eine Vorfertigung des Zündelements und der Kontaktflächen auf dem Deckel in einem separaten Verfahrensschritt und gewährleistet so eine besonders rationelle Herstellung.
Bei einer weiteren Ausführungsform befinden sich der Deckel und das Zündelement auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Bauelements. Das Zündelement ist dann bevorzugt auf der an das explosionsfähige Material angrenzenden Membran angeordnet. Der Deckel dient hier zur Abdichtung des Materials auf der anderen Stirnseite. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders kompakte und handhabungssichere Bauweise.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Deckel mit dem Zündelement membranartig ausgestaltet, d. h. der Deckel weist hier nur eine geringe Schichtdicke im ¼m-Bereich (2 - 50 ¼m) auf. Das Zündelement ist bevorzugt an der Innenseite des Deckels angeordnet. Auf der dem Deckel gegenüberliegenden Stirnseite des Kerns befindet sich eine dickere Schicht aus dem massiven Halbleitermaterial des Mantels. Diese dickere Schicht ist vorzugsweise einstückig mit dem Mantel gebildet.
Der Deckel kann aus allen mit dem Halbleitermaterial verbindungsfähigen Stoffen gebildet sein. Bevorzugt besteht der Deckel aus Halbleitermaterialien wie Silizium, oder aus Glas, Keramik oder Metall und ist über herkömmliche Verbindungstechniken, wie anodisches Bonden, Glaslotbonden, eutektisches Bonden, Silizium-Direktbonden oder konventionelle Klebetechniken, mit dem Halbleitermaterial bzw. den elektrischen Kontaktflächen verbunden.
Das Zündelement ist bevorzugt eine Halbleiterbrücke, beispielsweise des in der DE 198 15 928 A1 beschriebenen Typs, oder ein Dünnschichtelement z. B. wie in der WO-A 98/54535 beschrieben, und erfahrt beim Stromdurchgang eine plötzliche Erwärmung, die die Zündung des explosionsfähigen Materials auslöst.
Der poröse Brennstoff ist vorzugsweise ein nanostrukturiertes Material mit einer Strukturgröße von zwischen etwa 2 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 2 und 50 nm, und einer Porosität, d.h. einem Verhältnis des Porenvolumens zum Volumen des porösen Probenkörpers (VPoren/VProbe) von zwischen 10 % und 98%, bevorzugt 40 bis 80%. Der Brennstoff kann eine spezifische Oberfläche von bis zu 1000 m2/cm3, bevorzugt zwischen 200 und 1000 m2/cm3 aufweisen.
Besonders bevorzugt ist der Brennstoff ein durch elektrochemisches Ätzen in einer fluoridhaltigen Lösung hergestelltes poröses Silizium. Durch Tempern an Luft kann eine Passivierung des porösen Siliziums erreicht werden. Das so passivierte poröse Silizium weist eine verbesserte Lagerstabilität auf.
Als Oxidator können Verbindungen oder Gemische verwendet werden, die Wasserstoffperoxid, Hydroxylammoniumnitrat, organische Nitroverbindungen oder Nitrate, Metallnitrate, -nitrite, -chlorate, -perchlorate, -bromate, -jodate, -oxide, -peroxide, Ammoniumperchlorat oder Ammoniumnitrat enthalten. Der Anteil der vorgenannten Verbindungen im Oxidator beträgt vorzugsweise wenigstens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 70 Gew.-%.
Der Oxidator besteht bevorzugt ganz oder teilweise aus Alkalimetallnitrat oder -perchlorat, Erdalkalimetallnitrat oder -perchlorat, Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt ist der Oxidator ein Alkalimetallnitrat oder Erdalkalimetallnitrat, gegebenfalls im Gemisch mit Ammoniumperchlorat. Diese Oxidationsmittel sind kostengünstig, lagerstabil, einfach verfügbar und lassen sich leicht und kontrolliert mit dem porösen Silizium umsetzen.
Typische Abmessungen des erfindungsgemäßen Bauteils liegen im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm Länge und Breite sowie einer Dicke von 0,3 mm bis 3 mm.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist insbesondere als Anzünder in sicherheitstechnischen Einrichtungen für Fahrzeuge, beispielsweise Gassackmodule oder Gurtstraffer, geeignet. Es kann vorteilhaft mit bekannten Verfahren der Siliziumprozesstechnik hergestellt werden. Insbesondere ist eine einfache und kostengünstige Herstellung mit hoher Präzision bereits im Batchprozess auf Waverebene möglich. Die große pyrotechnische Wirkung bei kleinsten Abmessungen und kompakter Bauweise gestattet außerdem die Verwirklichung einer Multipunktanzündung, die mit den bekannten Systemen bisher nicht erreicht werden konnte. Aufgrund der hohen Energiedichte und Energiefreisetzungsrate des Bauteils kann außerdem auf die bisher üblichen Sekundärzündmittel zur Zündung der gaserzeugenden Treibstoffe verzichtet werden. Damit wird eine weitere Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung ermöglicht. Das erfindungsgemäße Bauteil ist außerdem hermetisch dicht herstellbar und deshalb gegenüber Umwelteinflüssen besonders unempfindlich.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
  • Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anzünders;
  • Figur 2 den Anzünder gemäß Figur 1 im Querschnitt;
  • Figur 3 eine Draufsicht auf den Anzünder aus Figur 1 in schematischer Darstellung;
  • Figur 4 eine Unteransicht des Anzünders aus Figur 1 in schematischer Darstellung;
  • Figur 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anzünders;
  • Figur 6 den erfindungsgemäßen Anzünder aus Figur 5 im Querschnitt.
  • Figur 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anzünders;
  • Figur 8 den erfindungsgemäßen Anzünder gemäß Figur 7 im Querschnitt.
Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Anzünder 10 weist einen Kern 12 aus einem explosionsfähigen Material auf. Das explosionsfähige Material ist bevorzugt poröses Silizium mit einer Strukturgröße (Größe der Si-Nanokristalle) von zwischen 2 und 50 nm und einer Porosität (VPoren / VProbe) zwischen 40% und 80%. Das poröse Silizium kann durch Tempern an Luft passiviert sein. In die Poren des porösen Siliziums ist ein bei Raumtemperatur festes oder flüssiges Oxidationsmittel eingebracht. Das Oxidationsmittel ist vorzugsweise aus der Gruppe der Alkalimetallnitrate, Erdalkalimetallnitrate, Ammoniumperchlorat und Ammoniumnitrat sowie deren Mischungen ausgewählt. Es können aber auch andere Oxidationsmittel, wie beispielsweise organische Nitroverbindungen oder organische Nitrate, zum Einsatz kommen. Ebenso ist die Verwendung von Alkalimetall- und Erdalkalimetallperchloraten möglich.
Die Seitenflächen des Kerns 12 aus dem explosionsfähigen Material sind von einem Mantel 14 aus einem massiven Halbleitermaterial umgeben. Das Halbleitermaterial des Mantels 14 und des Kerns 12 sind stoffgleich und vorzugsweise integral ausgeführt. Das heißt, der Mantel 14 besteht vorzugsweise aus massivem Silizium. Das Silizium kann schwach oder stark p-dotiert oder n-dotiert sein. Auch die Verwendung von undotiertem Silizium ist möglich.
An einer der Stirnseiten 16 des Kerns 12 ist ein Zündelement 18 angeordnet. Das Zündelement 18 befindet sich zwischen elektrischen Kontaktflächen 20, die sich bei der hier gezeigten Ausführungsform über den Kern 12 und den Mantel 14 hinaus erstrecken und endseitig mit Zuleitungen 22 für elektrische Kontakte verbunden sind. Das Zündelement 18 steht bevorzugt in direktem Kontakt mit dem Kern 12 aus dem explosionsfähigen Material und löst bei Stromdurchgang eine Zündung dieses Materials aus.
An der der Stirnseite 16 gegenüberliegenden Stirnseite 24 des Kerns 12 ist eine Membran 26, das heißt eine dünne, nur wenige µm starke Schicht, aus dem Halbleitermaterial angeordnet. Die Halbleitermaterialien der Membran 26 und des Kerns 12 bzw. des Mantels 14 sind stoffgleich und einstückig miteinander ausgeführt. Bevorzugt besteht das Halbleitermaterial der Membran 26 ebenfalls aus Silizium. Alternativ dazu kann die Membran auch aus SiO2 gebildet sein, welches sich leicht auf dem Halbleitermaterial des Mantels herstellen läßt.
Das an der Stirnseite 16 des Kerns angeordnete Zündelement 18 kann eine Halbleiterbrücke oder ein Dünnschichtelement bekannter Bauart sein. Die elektrischen Kontaktflächen können hier ebenfalls aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, gebildet sein, wobei jedoch die Dotierung und der Leitungstyp des Kontaktflächenmaterials und der Materialien des Kerns und des Mantels unterschiedlich sein können. Alternativ können die Kontaktflächen als metallische Schichten aus z.B. Aluminium oder Gold aufgesputtert sein. Vorzugsweise ist das Zündelement an der Stirnseite 16 mit einem Deckel 28 gas - und flüssigkeitsdicht verschlossen. Bei dieser Ausführungsform kann das Zündelement auch am Deckel 28, auf dessen Innenseite, angeordnet sein, so daß zwischen dem Zündelement 18 und dem Kern 12 aus dem explosionsfähigen Material ein schmaler Spalt verbleibt.
Der Deckel 28 ist vorzugsweise aus Silizium, Glas, Keramik oder Metall gebildet und mit herkömmlichen Bond-, Klebe- oder anderen Verbindungstechniken unter Ausbildung einer Verbindung 30 mit dem Halbleitermaterial des Mantels 14 hermetisch dicht verbunden. Die Kontaktflächen sind implantiert oder aufgesputtert.
Bei der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anzünders 110 ist der Kern 112 aus dem explosionsfähigen Material ebenfalls aus einem porösen Halbleitermaterial, vorzugsweise porösem Silizium, gebildet.
Das poröse Silizium weist vorzugsweise eine Strukturgröße (Größe der Si-Nano-Kristalle) von zwischen 2 und 50 nm und eine Porosität (VPoren / VProbe) zwischen 40% und 80% auf. In die Poren des porösen Siliziums ist ein bei Raumtemperatur festes oder flüssiges Oxidationsmittel eingebracht. Das Oxidationsmittel ist vorzugsweise aus der Gruppe der Alkalimetallnitrate, und -perchlorate, Erdalkalimetallnitrate und -perchlorate, Ammoniumperchlorat und Ammoniumnitrat sowie deren Mischungen ausgewählt. Es können aber auch andere Oxidationsmittel, wie beispielsweise organische Nitroverbindungen oder organische Nitrate, zum Einsatz kommen.
Mit der Porosität kann die Stöchiometrie der Reaktionspartner, d.h. poröses Silizium und Oxidationsmittel, eingestellt werden. Die Stöchiometrie wiederum beeinflusst die Energiefreisetzungsrate und damit den Reaktionstyp, der zwischen Abbrand, Explosion und Detonation variieren kann. Über eine Passivierung des porösen Siliziums durch Tempern an Luft kann außerdem die Lagerstabilität erhöht und das Anzündverhalten beeinflusst werden.
Die Seitenflächen des Kerns 112 sind auch bei dieser Ausführungsform von einem Mantel 114 aus einem massiven Halbleitermaterial umgeben. Das Halbleitermaterial des Kerns 112 und des Mantels 114 sind stoffgleich und integral ausgebildet. Der Mantel 114 besteht vorzugsweise aus massivem Silizium.
Auf der Stirnseite 116 des Kerns ist ein Zündelement 118 angeordnet, das sich zwischen elektrisch leitenden Kontaktflächen 120 befindet. Die Kontaktflächen weisen Zuleitungen 122 für elektrische Kontakte auf. Das Zündelement 118 kann eine Halbleiterbrücke oder ein Dünnschichtelement sein und löst bei Stromdurchgang eine Zündung des explosionsfähigen Materials aus.
Zwischen dem Zündelement 118 bzw. den elektrischen Kontaktflächen 120 und dem Kern 112 aus dem explosionsfähigen Material ist bei der hier gezeigten Ausführungsform eine Membran 126, das heißt eine dünne, nur wenige µm starke Schicht aus einem Halbleitermaterial angeordnet. Das Halbleitermaterial der Membran 126 ist stoffgleich mit dem Halbleitermaterial des Kerns 112 und des Mantels 114, und einstückig mit diesen ausgebildet. Die Membran kann allerdings entfallen, falls das explosionsfähige Material gegenüber Umwelteinflüssen stabil ist. In diesem Fall kann sich das Zündelement 118 direkt auf dem Kern 112 aus dem explosionsfähigen Material befinden.
Auf der der Stirnseite 116 gegenüberliegenden Stirnseite 124 des Kerns 112 ist ein Deckel 128 über eine Bondverbindung 130 mit dem Mantel 114 bzw. dem Kern 112 aus dem explosionsfähigen Material verbunden. Der Deckel besteht vorzugsweise aus Silizium, Glas, Keramik oder Metall. Falls das explosionsfähige Material des Kerns 112 gegenüber Umwelteinflüssen stabil ist, kann der Deckel entfallen. Bei der hier gezeigten Ausführungsform schließt der Deckel 128 bündig sowie gas- und flüssigkeitsdicht mit dem Mantel 114 ab.
In den Figuren 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anzünders 210 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der an seinen Seitenflächen von einem Mantel 214 aus einem massiven Halbleitermaterial umgebene Kern 212 auf einer seiner Stirnseiten 224 von einer Membran 226 verschlossen. Der Kern 212 besteht auch bei dieser Ausführungsform vorzugsweise aus porösem Silizium mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften, in dessen Poren ein Oxidationsmittel eingebracht ist. Die Membran 226 ist vorzugsweise stoffgleich mit dem massiven Halbleitermaterial des Mantels 214 und einstückig mit diesem ausgebildet.
Auf der der Membran 226 gegenüberliegenden Stirnseite 216 des Kerns sind elektrische Kontaktflächen 220 angeordnet, zwischen denen sich ein Zündelement 218 befindet, welches bei Stromdurchgang eine plötzliche Erwärmung und damit eine Zündung des explosionsfähigen Materials aus dem porösen Silizium und dem Oxidationsmittel auslöst.
Auf den elektrischen Kontaktflächen 220 befindet sich ein hier aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial gebildeter Deckel 228, der auf seiner den elektrischen Kontaktflächen 220 gegenüberliegenden Seite äußere Kontaktflächen 232 aufweist. Die äußeren Kontaktflächen 232 stehen über Durchkontaktierungen 234 in elektrischer Verbindung mit den elektrischen Kontaktflächen 220. Das Zündelement 218 ist hier an der Innenseite des Deckels 228 angeordnet. Der Deckel 228 ist mit herkömmlichen Bond-, Klebe- oder anderen Verbindungstechniken hermetisch dicht mit dem Halbleitermaterial des Mantels 214 verbunden. Die elektrischen Kontaktflächen 220 und die äußeren Kontaktflächen können implantiert oder aufgesputtert sein. Desweiteren können die Durchkontaktierungen 234 und die äußeren Kontaktflächen 232 auch über elektrochemische Abscheidungsverfahren gebildet werden. Die äußeren Kontaktflächen 232 können beispielsweise über ein federbelastetes Kontaktsystem (hier nicht gezeigt) mit elektrischen Zuleitungen kontaktiert werden.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anzünder 10, 110, 210 werden Waferscheiben aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien nach bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise in Physical Review Letters 87/6 (2001), Seiten 068301/1 bis 068301/4, oder der WO-A-96/36990 beschrieben sind, in ausgewählten Bereichen einer Ätzbehandlung in einem fluoridhaltigen Elektrolyten unterzogen. Der Elektrolyt ist vorzugsweise ein Gemisch aus Ethanol und wässriger Flußsäure (50%ig) in einem Volumenverhältnis von zwischen 3:1 und 1:3. Die Stromdichte des Anodisierungsstroms liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 20 und 70 mA/cm2. Das Wafersubstrat kann aus n-dotiertem, p-dotiertem oder undotiertem Silizium bestehen. Die Dotierung kann schwach oder stark konzentriert sein. Während der Ätzbehandlung kann das Wafersubstrat in bekannter Weise belichtet werden.
Die Ätzbehandlung führt zur Bildung eines Kerns aus porösem Silizium mit einem diesen Kern umgebenden und integral mit dem porösen Silizium ausgebildeten Seitenwänden aus massivem Silizium. Die Ätzbehandlung wird vorzugsweise so durchgeführt, daß an einer der Stirnseiten des Kerns bzw. des Wafersubstrats durch einen eindiffundierten Ätzstop eine geringe Restwandstärke (Membran) von wenigen µm verbleibt. Das Substrat kann gegebenenfalls auch durchgeätzt werden.
Andere Herstellverfahren für poröse Halbleitermaterialien umfassen chemische oder physikalische Abscheidungsverfahren wie CVD, PVD, MOCVD, MBE oder Sputtern. Das poröse Halbleitermaterial wird in diesem Fall auf einem Träger aus massivem Halbleitermaterial abgeschieden.
In die Poren des Kerns aus porösem Halbleitermaterial wird ein bei Raumtemperatur fester oder flüssiger Oxidator eingebracht. Das Einbringen kann durch Auftragen des Oxidationsmittels als Flüssigkeit oder in Lösung und anschließendes Verdampfen des Lösungsmittels erfolgen. Denkbar ist auch ein Auftrag des Oxidationsmittels als Schmelze und anschließendes Erstarren in den Poren des porösen Siliziums.
Über herkömmliche Siliziumprozeßtechniken können das Wafersubstrat anschließend mit den Kontakten versehen, mit dem Deckelsubstrat mittels bekannter Bondtechnik hermetisch dicht verbunden, in die gewünschte Größe geschnitten und schließlich mit den Zuleitungen kontaktiert werden.
Oder es können anschließend das Wafersubstrat in die gewünschte Größe geschnitten und die elektrischen Kontaktflächen und Kontakte sowie, gegebenenfalls, der Deckel aufgebracht und mit dem Halbleitermaterial verbunden werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung eines wirksamen Anzünders zur Verwendung in Gasgeneratoren, Gurtstraffem oder anderen sicherheitstechnischen Einrichtungen in Fahrzeugen nach bekannten, in großtechnischem Maßstab durchführbaren und deshalb kostengünstigen Verfahrensschritten. Das gewählte pyrotechnische System ist hochwirksam und deshalb für die Miniaturisierung besonders geeignet. Die erfindungsgemäßen Anzünder lassen sich leicht in einen bestehenden Halbleiterschaltkreis integrieren.

Claims (20)

  1. Bauteil (10; 110; 210), insbesondere zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung für Fahrzeuge, mit einem Kern (12; 112; 212) aus einem explosionsfähigen Material, einem das explosionsfähige Material an den Seitenflächen des Kerns (12; 112; 212) umgebenden Mantel (14; 114; 214) aus einem massiven Halbleitermaterial und einem zwischen elektrischen Kontaktflächen (20; 120; 220) an einer der Stirnseiten (16; 116; 216) des Kerns (12; 112; 212) angeordneten Zündelement (18; 118; 218), welches bei Stromdurchgang eine Zündung des explosionsfähigen Materials auslöst, wobei das explosionsfähige Material aus einem porösen Brennstoff und einem in den porösen Brennstoff eingebrachten Oxidator gebildet ist, und wobei der poröse Brennstoff und das massive Halbleitermaterial stoffgleich sind.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Stirnseiten (16, 24; 116, 124; 216, 224) eine Membran (26; 126; 226) aus einem Halbleitermaterial angeordnet ist, wobei das Halbleitermaterial des Mantels (14; 114; 224) und das Halbleitermaterial der Membran (26; 126; 226) stoffgleich und einstückig miteinander ausgeführt sind.
  3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Stirnseiten (16, 24; 116, 124; 216, 224) eine Membran (26; 126; 226) angeordnet und einstückig mit dem Mantel verbunden ist, wobei das Halbleitermaterial des Mantels und der Membran aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
  4. Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (126) zwischen dem Zündelement (118) und dem explosionsfähigen Material angeordnet ist.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (18; 118; 218) in direktem Kontakt mit dem explosionsfähigen Material steht.
  6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (18; 118; 218) oder das explosionsfähige Material gas- und flüssigkeitsdicht mit einem Deckel (28; 128; 228) verschlossen sind.
  7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (28; 128; 228) membranartig ausgestaltet ist, wobei auf der dem Deckel gegenüberliegenden Stirnseite (24; 124; 224) eine im Vergleich zum Deckel dickere massive Schicht aus dem Halbleitermaterial des Mantels angeordnet und mit dem Mantel (14; 114; 214) einstückig ausgeführt ist.
  8. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (28; 128; 228) und die Membran (26; 126; 226) auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten (16, 24; 116, 124; 216, 224) angeordnet sind.
  9. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (18; 118; 218) und der Deckel (28; 128; 228) auf der gleichen Stirnseite (16; 116; 216) angeordnet ist.
  10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (18; 118; 218) auf der Innenseite des Deckels (28; 128; 228) angeordnet ist.
  11. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (28; 128; 228) aus Halbleitermaterial wie Silizium, Glas, Keramik oder Metall gebildet ist.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (28; 128; 228) aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, gebildet ist und eine Durchkontaktierung (234) sowie äußere Kontaktflächen (232) aufweist.
  13. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (18; 118; 218) eine Halbleiterbrücke oder ein Dünnschichtelement ist.
  14. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Brennstoff eine Strukturgröße von zwischen etwa 2 nm und 1000 nm und eine Porosität (VPoren/VProbe) von zwischen 10 % und 98% aufweist.
  15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff eine Strukturgröße von zwischen 2 nm und 50 nm aufweist.
  16. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff eine spezifische Oberfläche von bis zu 1000 m2/cm3 aufweist.
  17. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff poröses Silizium ist.
  18. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator in die Poren des porösen Brennstoffs eingebracht ist und Wasserstoffperoxid, Hydroxylammoniumnitrat, organische Nitroverbindungen und Nitrate, Metallnitrate, -nitrite, Metallchlorate, -perchlorate, -bromate, -jodate, -oxide, -peroxide, Ammoniumperchlorat, Ammoniumnitrat oder deren Mischungen enthält.
  19. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator aus der aus den Alkalimetallnitraten und -perchloraten, Erdalkalimetallnitraten und -perchloraten, Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  20. Bauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidator ein Alkalimetallnitrat oder Erdalkalimetallnitrat, gegebenenfalls im Gemisch mit Ammoniumperchlorat, ist.
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