EP1335178B1 - Mikroelektronisch-Pyrotechnisches Bauteil - Google Patents

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EP1335178B1
EP1335178B1 EP03001251A EP03001251A EP1335178B1 EP 1335178 B1 EP1335178 B1 EP 1335178B1 EP 03001251 A EP03001251 A EP 03001251A EP 03001251 A EP03001251 A EP 03001251A EP 1335178 B1 EP1335178 B1 EP 1335178B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
component according
metal
cover
membrane
ignition element
Prior art date
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EP03001251A
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English (en)
French (fr)
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EP1335178A2 (de
EP1335178A3 (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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Classifications

    • 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 a lighter or gas generator for use in gas bag modules or belt tensioners.
  • Lighters for gas generators conventional design consist of a sealed housing with a base and introduced into the housing ignition means which are ignited via a heating wire, a thin-film element or a semiconductor bridge.
  • the ignition means are composed of a primary charge and a booster charge, with which the actual gas-generating mixture is made to ignite.
  • Lighters of this type can not be miniaturized due to their design principle. Therefore, they are 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 a semiconductor layer arranged on a support with the interposition of a thermal insulation layer and connected at the end to electrical contact areas during the passage of current in the ignition area.
  • the thermal insulation layer is limited to the Zündordern Scheme and is preferably made 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 design and inexpensive to manufacture microelectronic pyrotechnic component, in particular for safety applications in vehicles to provide.
  • a component for this purpose, which comprises a core of an explosive material, a surrounding the explosionsfiihige material on the side surfaces of the core jacket of a solid semiconductor material and between electrical contact surfaces arranged on one of the end faces of the core ignition element, the ignition at current passage of the explosive material.
  • the explosive material is formed of a porous fuel and a solid or liquid oxidizer incorporated in the porous fuel.
  • the porous fuel and the massive semiconductor material are made of the same material and are preferably made of silicon, wherein the silicon can be strongly or weakly p-doped or n-doped.
  • a membrane ie, a few 1 ⁇ 4m (eg 2 to 50 1 ⁇ 4m) thick layer may be disposed of a semiconductor material, wherein the semiconductor material of the shell and the semiconductor material of the membrane are preferably made of the same material and in one piece.
  • the membrane may be made of a different material that is easily fabricated on the semiconductor material of the cladding, such as SiO 2 .
  • the membrane can be arranged between the ignition element and the explosive material. Particularly preferably, the ignition element is in direct contact with the explosive material. In this case, the ignition element and the membrane may lie on opposite end faces of the core.
  • the component preferably has a lid which seals the ignition element or the explosive material in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • the cover and the membrane are preferably arranged on opposite end faces of the core or of the component. If the explosive material is stable to environmental influences, the membrane and the cover can be omitted.
  • the ignition element and the cover are arranged on the same end face.
  • the ignition element may also be arranged on the cover, so that a small gap remains between the ignition element and explosive material. This allows prefabrication of the ignition element and the contact surfaces on the lid in a separate process step and thus ensures a particularly efficient production.
  • the lid and the ignition element are located on opposite end sides of the component.
  • the ignition element is then preferably arranged on the membrane adjacent to the explosive material.
  • the lid serves to seal the material on the other end.
  • the lid with the ignition element is designed like a membrane, d. H.
  • the lid has only a small layer thickness in the 1 ⁇ 4m range (2 - 50 1 ⁇ 4m).
  • the ignition element is preferably arranged on the inside of the lid.
  • On the opposite end of the cover of the core is a thicker layer of the solid semiconductor material of the shell. This thicker layer is preferably formed integrally with the jacket.
  • the cover can be formed from all substances which can be combined with the semiconductor material.
  • the cover preferably consists of semiconductor materials such as silicon or of glass, ceramic or metal and is connected to the semiconductor material or the electrical contact surfaces by conventional bonding techniques such as anodic bonding, glass solder bonding, eutectic bonding, silicon direct bonding or conventional bonding techniques.
  • the ignition element is preferably a semiconductor bridge, for example of the type described in DE 198 15 928 A1, or a thin-film element z. B. as described in WO-A 98/54535, and experience the passage of electricity a sudden warming, which triggers the ignition of the explosive material.
  • the porous fuel is preferably a nanostructured material having a feature size of between about 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 (V pores / V sample ) of between 10% and 98%, preferably 40 to 80%.
  • the fuel may 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 a porous silicon produced by electrochemical etching in a fluoride-containing solution.
  • a passivation of the porous silicon can be achieved.
  • the thus passivated porous silicon has improved storage stability.
  • the oxidizer compounds or mixtures can be used, the 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 abovementioned compounds in the oxidizer is preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 70% by weight.
  • the oxidizer is preferably wholly or partly alkali metal nitrate or perchlorate, alkaline earth metal nitrate or perchlorate, ammonium nitrate, ammonium perchlorate or mixtures thereof. More preferably, the oxidizer is an alkali metal nitrate or alkaline earth metal nitrate, optionally in admixture with ammonium perchlorate. These oxidants are inexpensive, storage stable, readily available and can be easily and controlled with the porous silicon implement.
  • 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 suitable as a lighter in safety-related devices for vehicles, such as gas bag modules or belt tensioners. It can be advantageously prepared by known methods of silicon process technology. In particular, a simple and cost-effective production with high precision is already possible in the batch process on Waverebene. The large pyrotechnic effect in the smallest dimensions and compact design also allows the realization of a multi-point ignition, which could not be achieved with the known systems. Due to the high energy density and energy release rate of the component can also be dispensed with the usual secondary ignition means for igniting the gas-generating fuels. This allows for further miniaturization and weight reduction.
  • the component according to the invention is also hermetically sealed and therefore particularly insensitive to environmental influences.
  • 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 having a feature 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 may be passivated by annealing in air.
  • a solid or liquid oxidizing agent is introduced at room temperature.
  • 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. But there may also be other oxidizing agents, such as organic nitro compounds or organic nitrates are used. Likewise, the use of alkali metal and alkaline earth metal perchlorates is possible.
  • the side surfaces of the core 12 made of the explosive material are surrounded by a jacket 14 made of a solid semiconductor material.
  • the semiconductor material of the shell 14 and the core 12 are made of the same material and preferably integrally formed. That is, the jacket 14 is preferably made of solid silicon.
  • the silicon may be weak 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 which extend beyond the core 12 and the jacket 14 in the embodiment shown here and are connected at the end to supply lines 22 for electrical contacts.
  • the ignition element 18 is preferably in direct contact with the core 12 of the explosive material and triggers an ignition of this material at passage of current.
  • a membrane 26 that is, a thin, only a few microns thick layer, arranged from the semiconductor material.
  • the semiconductor materials of the membrane 26 and the core 12 and the shell 14 are made of the same material and in one piece with each other.
  • the semiconductor material of the membrane 26 is also made of silicon.
  • the membrane can also be formed of SiO 2 , which can be easily produced on the semiconductor material of the shell.
  • the ignition element 18 arranged on the end face 16 of the core may be a semiconductor bridge or a thin-film element of known design.
  • the electrical contact surfaces may also be formed here from a semiconductor material, preferably silicon, but the doping and the conductivity type of the contact surface material and of the materials of the core and of the shell may be different. Alternatively, the contact surfaces as be sputtered metallic layers of eg aluminum or gold.
  • the ignition element is preferably gas-tight and liquid-tight at the end face 16 with a cover 28. In this embodiment, the ignition element may also be arranged on the cover 28, on the inside thereof, so that a narrow gap remains between the ignition element 18 and the core 12 made of the explosive material.
  • the lid 28 is preferably formed of silicon, glass, ceramic or metal and hermetically sealed to the semiconductor material of the jacket 14 by conventional bonding, bonding or other bonding techniques to form a connection 30.
  • the contact surfaces are implanted or sputtered.
  • the core 112 made of the explosive material is likewise formed from a porous semiconductor material, preferably porous silicon.
  • the porous silicon preferably has a feature size (size of Si nano-crystals) of between 2 and 50 nm and a porosity (V pores / V sample ) between 40% and 80%.
  • a solid or liquid oxidizing agent is introduced at room temperature.
  • 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.
  • the stoichiometry of the reactants ie porous silicon and oxidizing agent
  • the stoichiometry influences the energy release rate and thus the type of reaction, which can vary between burnup, explosion and detonation.
  • porous silicon can be increased by annealing in air, the storage stability can be increased and the ignition behavior can be influenced.
  • the side surfaces of the core 112 are also surrounded in this embodiment by a jacket 114 made of a solid semiconductor material.
  • the semiconductor material of the core 112 and the shell 114 are made of the same material and integrally formed.
  • the jacket 114 is preferably made of solid silicon.
  • an ignition element 118 is arranged, which is located between electrically conductive contact surfaces 120.
  • the contact surfaces have leads 122 for electrical contacts.
  • the ignition element 118 may be a semiconductor bridge or a thin-film element and triggers an ignition of the explosive material when the current passes.
  • 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 made of the same material as the semiconductor material of the core 112 and the shell 114, and formed integrally therewith.
  • the membrane can be omitted if the explosive material is stable to environmental influences.
  • the ignition element 118 may be located directly on the core 112 of the explosive material.
  • a lid 128 is connected via a bond 130 with the jacket 114 and the core 112 of the explosive material.
  • the lid is preferably made of silicon, glass, ceramic or metal. If the explosive material of the core 112 is stable to environmental influences, the lid can be omitted. In the embodiment shown here, the lid 128 is flush and gas-tight and liquid-tight with the jacket 114 from.
  • FIGS. 7 and 8 show a further embodiment of the lighter 210 according to the invention.
  • the core 212 surrounded on its side faces by a jacket 214 made of a solid semiconductor material is closed by a membrane 226 on one of its end faces 224.
  • the core 212 is also in this embodiment preferably made of porous silicon having the properties described above, in the pores of an oxidizing agent is introduced.
  • the membrane 226 is preferably made of the same material as the solid semiconductor material of the jacket 214 and integrally formed therewith.
  • a cover 228 formed here of silicon or another semiconductor material, which has outer contact surfaces 232 on its side opposite the electrical contact surfaces 220.
  • the outer contact surfaces 232 are in electrical connection with the electrical contact surfaces 220 via plated-through holes 234.
  • the ignition element 218 is arranged here on the inside of the cover 228.
  • the lid 228 is hermetically sealed to the semiconductor material of the jacket 214 by conventional bonding, bonding or other bonding techniques.
  • the electrical contact surfaces 220 and the outer contact surfaces may be implanted or sputtered.
  • vias 234 and outer pads 232 may also be formed via electrochemical deposition techniques.
  • the outer contact surfaces 232 can be contacted, for example via a spring-loaded contact system (not shown here) with electrical leads.
  • Wafer slices made of silicon or other semiconductor materials are known for producing the igniters 10, 110, 210 according to the invention Methods, as described, for example, in Physical Review Letters 87/6 (2001), pages 068301/1 to 068301/4, or WO-A-96/36990, in selected areas of an etching treatment in a fluoride-containing electrolyte subjected.
  • 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 may consist of n-doped, p-doped or undoped silicon. The doping may be weak or highly concentrated. During the etching treatment, the wafer substrate may be exposed in a known manner.
  • the etching treatment results in the formation of a porous silicon core having solid silicon sidewalls surrounding this core and integrally formed with the porous silicon.
  • the etching treatment is preferably carried out so that a small residual wall thickness (membrane) of a few microns remains at one of the end faces of the core or the wafer substrate by a diffused ⁇ tzstop. If necessary, the substrate can also be etched through.
  • porous semiconductor material fabrication methods include chemical or physical deposition methods such as CVD, PVD, MOCVD, MBE or sputtering.
  • the porous semiconductor material is deposited in this case on a support of solid semiconductor material.
  • a solid or liquid oxidizer is introduced at room temperature.
  • the introduction can be done by applying the oxidizing agent as a liquid or in solution and then evaporating the solvent. Also conceivable is an order of the oxidizing agent as a melt and subsequent solidification in the pores of the porous silicon.
  • the wafer substrate can then be provided with the contacts with the lid substrate by means of hermetically sealed, cut into the desired size and finally contacted with the leads.
  • the wafer substrate can be cut to the desired size and the electrical contact surfaces and contacts and, if appropriate, the cover applied and connected to the semiconductor material.
  • the present invention enables the production of an efficient lighter for use in gas generators, belt tensioners or other safety devices in vehicles according to known, feasible on an industrial scale and therefore cost-effective method steps.
  • the chosen pyrotechnic system is highly effective and therefore particularly suitable for miniaturization.
  • the igniters according to the invention can be easily integrated into an existing semiconductor circuit.

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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, dadurch gekennzeichnet, daß 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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