JP3772312B2 - 花火技術的な作用物質のための薄膜点火要素及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の花火技術的な作用物質のための薄膜点火要素、及び請求の範囲第１１項の上位概念に記載のその製造方法に関する。
ドイツ連邦共和国特許第４２２２２２３号明細書によれば、請求の範囲第１項の上位概念に記載の電気点火手段は公知である。
従来の点火要素において、小さな抵抗（２Ω）の細い線材ブリッジが、電流パルスによって加熱され、かつ蒸発させられる。この純粋に熱的なパルスによって、この時、花火技術的な作用物質が点火される。その際、ドイツ連邦共和国特許第４２２２２２３号明細書において、チタン、チタン窒化物又は主としてチタンを含む合金からなる薄膜点火ブリッジが提案されている。なぜならチタン又はチタン窒化物は、その高い熱伝導度及び従来の点火ブリッジ材料に対して高いその電気抵抗に基付いて、溶融の際に花火技術的な作用物質の大きな面積のかつ均一な加熱を保証するからである。しかしながらチタンは、１６６０℃以上の融点を有し；チタン窒化物は２９００℃以上、かつ通常のチタン合金はなおそれ以上にあるので、そのために必要な点火エネルギーはきわめて大きい。
その動作基本方式が同様に熱的な特性であるなるべく半導体材料、ポリシリコンを利用したその他の変形は、米国特許第４７０８０６０号明細書に記載されている。その際、高められた温度以後に生じる抵抗材料の負の温度係数が利用される。このことは、点火の瞬間に熱伝達の他に、希薄なプラズマの形成及び対流圧縮効果を引起こす。その際、構成は、抵抗ブリッジと比較することができる。
米国特許第５０８００１６号明細書に記載された別の点火基本方式は、金属水素化物フィルムの利用に基付いている。この片持ち支持されたフィルム上に合成物質帯が取付けられており、この合成物質帯は、電圧パルスのために水素化物層の熱分解により（ガス圧力発生）分散され、かつ合成物質帯の一部（フライヤ）が加速され、かつ間隔を置いて配置された花火技術的な作用物質に当たり、その際、これは、衝突する合成物質部分の圧力作用（衝撃波）によって点火される。供給される電気エネルギーは、それによりまず熱エネルギー及び圧力に変換され、このことは、再びフライヤの運動エネルギーに通じ、このフライヤは、この運動エネルギーを、花火技術的な作用物質に衝突する際に、圧力及び熱に変換する。しかしながらこの多重のエネルギー変換によって、かなりのエネルギー損失が生じるので、その際、点火のために利用される電圧は、ｋＶの範囲になければならない。米国特許第５０８００１６号明細書は、相応して水素を蓄積するために、適当な材料として元素、チタン、ジルコニウム、ニッケル及びパラジウムを指定している。
一般に金属水素化物内における水素蓄積も周知とみなされるが、このことは、ほとんどの場合、金属の強度への不利な効果（水素禍）として不所望である。この効果は、目的とする水素の蓄積のためにも使用することができる（ベルクマン／シェーファ：Ｌｅｈｒｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｈｙｓｉｋ、第６巻、１９９２、第４５２頁以後参照）。
本発明の課題は、わずかな初期設定エネルギーによって点火することができ、かつこれをできるだけわずかな効率損失によって花火技術的な点火物質に伝達する、薄膜点火要素を開発することにある。薄膜点火要素は、その他に簡単にかつ多くの個数で製造可能なようにする。
本発明によれば、この課題は、請求の範囲第１項の特徴部分の特徴によって、かつ請求の範囲第１５項の特徴部分の特徴による製造方法によって解決される。
著しく小さな初期設定エネルギーにおいてハフニウム水素化物から直接花火技術的な作用物質への物理的、化学的及び熱的なエネルギー取込みの連結は、本発明にとって特徴的である。ハフニウムからなる点火ブリッジ層の他に、そのそれぞれの有利な特性を連結するためハフニウムとチタンとの混合物も提供される。
点火を進行するために、＜５０Ｖの低電圧及び数ミリジュールの範囲にある初期設定エネルギーで十分である。その際、すでにほぼ４５０°ないし８００℃の局所的温度において分解するハフニウム水素化物の特性は、エネルギー節約にとって重要であり、一方従来ほぼ１６６０℃の溶融温度を加えなければならなかった。その際、ハフニウム−チタン混合物の水素化物では、ハフニウムの割合が増加するとともに、それぞれ分解温度は高くなる。
しかしハフニウム水素化物又はハフニウム−チタン水素化物−混合物−の分解の際、原子水素が遊離され、このことは、点火ブリッジ層と花火技術的な作用物質との間のかなりの圧力上昇に通じる。さらに原子水素自体が、点火剤（酸素及び花火技術的な作用物質の構成部分との化学反応）として作用する。その際、プラズマの形成に至ることもある。
利用された金属構成部分、チタンは、プロセス技術的に簡単に管理することができ、かつ基礎となる動作様式を有するので、分解の際に遊離する反応水素の作用、及び生じるプラズマの作用の他に、加熱された金属原子によりエネルギー取込みも多く、このことは、点火過程を促進する。
利用された金属構成部分、ハフニウムは、さらに大きな固有原子量の点で優れているので、分解の際に遊離する反応水素の作用、及び生じるプラズマの作用の他に、さらに重い金属原子によりエネルギー取込みもとくに大きく、このことは、点火過程を促進する。水素の拡散流出に関するハフニウム水素化物において高い熱的安定性、及びすでにまさしく良好なチタンに対してさらに高い金属水素化物層の分解温度は、別の金属水素化物層と比較してさらに有利であり、このことは、熱的な環境の影響に対する安定性に、かつ点火要素の総合寿命に、それ自体望ましいものとして作用する。
エネルギー取込みのこの連結は、花火技術的な作用物質のマイクロ秒範囲にあるきわめて急速な点火に通じ、このことは、点火要素のほとんどすべての実際の用途においてきわめて有利である。
低い点火電圧及び初期設定エネルギーにより、給電のために直接かつ高価な電圧増幅器なしで、すでに自動車バッテリー等で十分である。それ故にこれらの点火要素は、エアバッグ及びその他の乗客保護装置のために点火器としてとくに有利に利用することができる。
点火ブリッジ層の下の断熱層は、支持体基板への熱放出によるエネルギー損失を減少し、かつそれにより花火技術的な作用物質の方向に流れる、したがって有効なエネルギー量を増加する。それ故に断熱層の構造幾何学及びとくに厚さを変更することにより、点火時間及び最小限必要な点火電圧にも作用を及ぼすことができる。
半導体プロセスと両立する製造プロセスを適用し、かつ支持体基板として半導体基板を利用することによって、小さな空間において、動作能力を監視するセンサ（例えば湿度−及び温度センサ）とマイクロエレクトロニクス回路における制御−及び監視電子装置との統合が可能になる。高周波妨害パルス及びＥＭＶ作用に対して点火要素を保護する回路技術上の処置は、同様に有利に実現することができる。
点火ブリッジと接点との間のできるだけ小さな接合抵抗を保証するために、まず点火ブリッジ層から点火ブリッジに対して大きな面積の接点面を形成し、かつこれらをできるだけ完全に接点の金属化層に接触させる。点火ブリッジ層上における金属化層の析出の他に、点火ブリッジ層に反対側から接触する支持体基板に集積化された導体路範囲からなる下向き接触も考えることができる。この時、点火ブリッジ層は、支持体基板表面に又は場合によっては中間に押出された構造化された金属化層上に析出することもできる。
０．２と２μｍの間の点火ブリッジ層は、ほぼ０．５０μΩｍのチタン水素化物の比抵抗の際に、０．５ないしほぼ２００Ωの点火ブリッジ層の電気的総合抵抗の優先的な範囲において、点火ブリッジのまさしく大きな表面積、及び点火ブリッジの長さと幅による良好な変更可能性を可能にする。
本発明による点火要素を製造するために必要な方法は、請求の範囲第１５項に記載されており、その際、とくに従来の温度プロセスに対してまさしく低いほぼ３５０℃の温度は、水素蓄積にとってきわめて有利である。それより低い温度（３０００ｃ以下）においてプロセス期間はかなり増加するが、一方それより高い温度（４００℃以上）において、すでにチタン水素化物の分解プロセスが始まるので、水素の蓄積は、全く又はかなり困難なプロセス条件（圧力等）の下でしか可能にならない。ハフニウムの割合が多い際、温度耐久性が増加する。
これに関連して請求の範囲第１７項による変形も考慮され、それによれば金属化層の析出の際に、点火ブリッジ層が冷却されるので、局所的な温度は、３５０℃を越えない。
その際、すべての製造ステップは、半導体工場における製造に対して両立するように構成されており、かつそれにより支持体基板としてシリコンウエハを利用し、このシリコンウエハをすべての製造ステップの後に初めて裁断することによって、多数の点火要素に対して同時に実現することができる。
次に本発明を実施例及び所属の図面によって詳細に説明する。
ここでは：
図１は、断熱層を有する支持体基板上に堆積されかつ構造化されたＴｉＨｘ点火ブリッジ層（０．２＜ｘ＜２）を備えた点火要素を示し、
図１ａは、接点金属化部を持たない平面図として示し、
図１ｂは、接点金属化部を有する平面図として示し、かつ
図１ｃは、断面図として示し、
図２は、断熱層を有する支持体基板上に堆積されかつ構造化されたＴｉＨｘ点火ブリッジ層（０．２＜ｘ＜２）を備えた点火要素を示し、
図２ａは、接点金属化部を持たない平面図として示し、
図２ｂは、接点金属化部を有する平面図として示し、かつ
図２ｃは、断面図として示し、
図３は、点火構造の熱力学的に有効な長さｌ及び幅ｂを示し、
図４は、点火回路の基本回路図を示し、
図５は、断熱層を持たずかつ直接取付けられた花火技術的な作用物質を有する支持体基板上に堆積されかつ構造化されたＴｉＨｘ点火ブリッジ層（０．２＜ｘ＜２）を備えた点火要素を示し、
図６は、断熱層を有しかつわずかな間隔を置いて取付けられた花火技術的な作用物質を有する支持体基板上に堆積されかつ構造化されたＴｉＨｘ点火ブリッジ層（０．２＜ｘ＜２）を備えた点火要素を示し、
図７は、支持体基板から外へ案内された点火ブリッジ層の接触部を有する点火要素を示し、
図８は、点火ブリッジ上に阻止層を有する点火要素を示している。
すべての製造ステップ及び層が通して半導体プロセスと両立することは、次に図示するすべての実施例にとって基本的な意味を有する。それぞれ１つだけの薄膜点火要素が示されているが；これは、半導体基板ウエハ上における多数の同じ点火要素の有するように実現される。しかし基本的に半導体基板の代わりに、別の支持体基板、例えばガラス−又はセラミック面を利用することも可能である。層の厚さ、−幅及び−長さの表示は、概略的であり、かつ縮尺どおりではない。
図１に、断熱層３を有する支持体基板４上にＴｉＨｘ；（０．２＜ｘ＜２）及び／又はハフニウム水素化物ＨｆＨｘ；（０．０２５＜ｘ＜２）からなるすでに堆積され、構造化されかつ水素添加された点火ブリッジ層２を備えた点火要素が示されている。
断熱層３は、この実施例においてエピタキシャル堆積された閉じたＳｉＯ２層として構成されている。しかし基本的にこれは、シリコン基板表面の酸化によって製造することもできる。その上さらに別の物質も、断熱に適している。しかしながら断熱層３によっても又は断熱層３を省略した場合、支持体基板４によっても、点火ブリッジ層２が電気的に短絡されないということは、動作にとって重要である。
点火ブリッジ層の接点面２１（図１ａ参照）は、接点１に対してできるだけわずかな接合抵抗を達成するために、広げて構成されている。相応して接触を容易にするために、接点１は、Ａｌ層として又は高導電度の材料からなる別の層として実現される（図１ｂ及び図１ｃ参照）。接点面２１の寸法は、それぞれ必要な接触条件にしたがっている。図１ｃにおいて、もう一度層の順序が断面図で明らかになり、その際、断熱層３の可変の厚さｄは、点火時点及び最小限必要な点火電圧に影響を及ぼす。すなわち点火ブリッジ層２に電流が流れると、危険な分解温度に達するまでの時間は、大体において断熱層３の熱伝導度に依存している。さらに大きな熱量が断熱層３を介して支持体基板４に流出することができる場合、点火時点は遅れるが、又はさらに大きな電力を変換しなければならず、このことは、さらに高い点火電圧を意味する。
図２が第２の実施例として示すように、ハフニウム−及び／又はチタン水素化物層２は、点火時点の遅れが望ましく、又は点火電圧が相応して高く選択され、かつさらに支持体基板が電気的に導通しない場合、支持体基板４上に直接堆積することもできる。その際、接点１は、再び構造化された点火ブリッジ層２上に堆積されている（図２ｂ及び２ｃ参照）。
図３は、点火ブリッジ層２の最終的に有効な表面を明らかにしている。この図３においても、有効長さｌ及び幅ｂの点火ブリッジ２の長方形の構造が選択されている。この構造は、周知の式、Ｒ＝ρｌ／Ａ及びＰ＝Ｕ＊２／Ｒを介して、とくに簡単に理論的に計算され、かつさらに製造技術的に簡単に寸法を決めることができる。点火時間及び点火電圧のような危険な点火特性は、それにより整合することができる。
図４は、点火回路の基本回路図を示している。点火は、金属化された接点１に低ボルト範囲におある電圧Ｕを加えることによって行なわれる。始まった電流流通のため、点火ブリッジ２のジュール加熱が生じ、この点火ブリッジは、それからその加熱及び化学的分解（反応水素の遊離）及びプラズマ放電によって、直接上に載せた花火技術的な作用物質５（図５参照）における点火過程を開始する。その際、厚い金属原子及び圧力が、大きな面積の点火を引起こす。
花火技術的な作用物質５の配置は、水素反応及びプラズマ作用の他に、直接の熱伝導も利用するために、一方において直接点火ブリッジ層２の上に行なわれる（図５参照）。又はとりわけ純粋なプラズマ作用を利用するために、点火ブリッジ層２に対する間隔を決める中間層６によって、わずかな間隔７が実現される（図６参照）。
この時、図７は、なお別の実施例を示しており、ここでは点火ブリッジ層２は、花火技術的な作用物質とは反対の下側から接点面２１の範囲において接触される。接点１は、例えば支持体基板上側に埋め込まれている。接点１の間かつ点火ブリッジ層２の有効範囲の下に、断熱層３が設けられており、この断熱層は、点火ブリッジ層２を熱的にかつ電気的に支持体基板４から絶縁している。接点１に向かって支持体基板は、導体路範囲４．１を有し、これらの導体路範囲は、例えば高ドーピングされた支持体基板材料（Ｓｉ）からなる。両方の導体路範囲４．１は、支持体基板４における絶縁トレンチ４．２によって互いに絶縁されている。この実施例の利点は、場合によってはＡｌ層及び接点への外部端子の省略にある。さらに花火技術的な作用物質と点火ブリッジ層との間の接触は、簡単化され、かつ改善される。
前に説明しかつ図に示した実施例の他に、とくに点火ブリッジ層の例えば円形の別の構成も考えられる。
図８に再び断面図において、本発明の別の変形の実施例が示されており、それによれば、接点１の間の点火ブリッジの有効な範囲における点火ブリッジ層２上に、阻止層７が堆積されている。例えば酸化物材料からなるこのような阻止層７によって、分解のために必要な温度への点火ブリッジ層の加熱プロセスは、圧力上昇によって促進することができる。層の厚さ及びその構造（目標割り位置としての阻止層７の局所的な先細部等）は、その際、反応水素の遊離の及び膨張の開始の後に、阻止層７があらかじめ定義された圧力の際に開き、かつ熱い水素ガス及び点火ブリッジ層の熱い粒子及び生じる場合にはプラズマも、花火技術的な作用物質に又はその中に到達できるように選定されている。
なるべく阻止層７も、これが点火ブリッジ層２の反応の開始の際に直接破壊されるような厚さだけになっている。阻止層７は、点火ブリッジ層２を橋絡しないようにするために、少なくとも直接点火ブリッジ層２にあるものが電気的に絶縁されていなければならない材料又は層の系列からなることができる。しかしながら金属化されたカバー層における反射によって熱が、阻止層７の破壊の前に点火ブリッジ層２に戻るように反射され、かつそれによりこれを一層迅速に加熱するので、阻止層７のカバー層として部分的な金属堆積が考えられる。

Claims (19)

1. 支持体基板（４）からなり、この支持体基板上において２つの電気接点（１）が、化学的及び熱的に活性な点火ブリッジ層（２）を介して互いに接続されており、この点火ブリッジ層が、その接点（１）に加えられる電圧（Ｕ）のために点火される、花火技術的な作用物質（５）を点火する薄膜点火要素において、点火ブリッジ層（２）が、水素添加されたハフニウム又はチタン−ハフニウム混合物からなる層であることを特徴とする、花火技術的な作用物質（５）を点火する薄膜点火要素。
2. 点火ブリッジ層（２）が、プラズマ放電によって点火されることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜点火要素。
3. 点火ブリッジ層（２）の下において支持体基板（４）に向かって断熱層（３）があることを特徴とする、請求項１又は２に記載の薄膜点火要素。
4. 接点（１）が、２つの金属化層として構成されており、これらの金属化層が、点火ブリッジ層（２）から形成された接点面（２１）に大きな面積で接触していることを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の薄膜点火要素。
5. 点火時間及び最小限必要な点火電圧（Ｕ）が、点火ブリッジ層（２）の構造の幾何学的形状の変更によって、かつ層の厚さの変更によって、直接調節されることを特徴とする、請求項１ないし４の１つに記載の薄膜点火要素。
6. 点火ブリッジ層（２）が、０．２ないし２μｍのほぼ一定の層厚を有することを特徴とする、請求項５に記載の薄膜点火要素。
7. 点火時間及び最小限必要な点火電圧（Ｕ）が、点火ブリッジ層（２）の下にある断熱層（３）の構造の幾何学的形状の変更によって、かつ層の厚さの変更によって、直接調節されることを特徴とする、請求項１ないし６の１つに記載の薄膜点火要素。
8. 断熱層（３）が、０．５ないし３μｍのほぼ一定の層厚を有し、かつシリコン酸化物からなることを特徴とする、請求項７に記載の薄膜点火要素。
9. 点火時間及び最小限必要な点火電圧を変更するために、０．５と２００Ωの間における点火ブリッジ層のオーム性抵抗が成立し、かつ花火技術的な作用物質（５）及び断熱層（３）に対する点火ブリッジ層（２）の表面積が、２５と１０００００μｍ²の間の大きさを有するように、点火ブリッジ層（２）の幾何学的構造と層厚が設定されていることを特徴とする、請求項１ないし８の１つに記載の薄膜点火要素。
10. 点火ブリッジ層（２）が、チタン成分を含まないハフニウムからなり、かつ水素添加されたハフニウム層（ＨｆＨｘ）の水素／ハフニウムの原子組成比（Ｘ）が、０・０２５ないし２・０の範囲にあることを特徴とする、請求項１ないし９の１つに記載の薄膜点火要素。
11. 水素添加されたハフニウム層のパーセント水素含有量が、２．２５ないし６６．４パーセントの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の薄膜点火要素。
12. 点火ブリッジ層（２）が、水素添加されたハフニウム−チタン−混合物からなることを特徴とする、請求項１ないし９の１つに記載の薄膜点火要素。
13. 点火ブリッジ層（２）上に、花火技術的な作用物質（５）に向かって熱的及び電気的に絶縁する阻止層（７）が取付けられ、この阻止層が、材料及び構造において、点火ブリッジ層（２）の反応によって定義された圧力に達した際に破壊されるような特性を有することを特徴とする、請求項１ないし１２の１つに記載の薄膜点火要素。
14. 支持体基板（４）が、点火制御のために集積化された構成要素を備えた半導体基板であり、かつ点火ブリッジ層（２）の接点面（２１）が、支持体基板（４）内に集積化された導体路範囲（４．１）に接続されていることを特徴とする、請求項１ないし１３の１つに記載の薄膜点火要素。
15. ａ）まずハフニウム又はチタン−ハフニウム混合物からなる層を析出し、かつ点火ブリッジ層（２）及び接点面（２１）の選ばれた幾何学的構造に相応して構造化し、
    ｂ）次に熱処理によって水素を蓄積し、その際、熱処理の間の温度が、ほぼ３５０℃に維持される
    ことを特徴とする、請求項１ないし１４の１つに記載の薄膜点火要素の製造方法。
16. ハフニウム又はチタン−ハフニウム混合物の析出の前に、まず半導体プロセスにおいて、支持体基板（４）におけるマイクロエレクトロニクス回路及び断熱層（３）が実現されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. ハフニウム又はチタン−ハフニウム混合物の水素添加の後に、アルミニウム層が析出され、接点（１）として、点火ブリッジ層（２）の接点面（２１）の形に相応して構造化され、その際、支持体基板（４）及び点火ブリッジ層（２）からなる装置が、３５０℃以下の点火ブリッジ層（２）の温度を維持するように、局所的に冷却されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 支持体基板（４）としてのシリコンウエハ上に複数の点火要素が実現されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 自動車における乗客保護装置のための点火器として使用される、請求項１ないし１４の１つに記載の薄膜点火要素。

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