NO178945B

NO178945B - Detonator firing element, detonator with the firing element, and a blasting system involving several such detonators

Info

Publication number: NO178945B
Application number: NO874785A
Authority: NO
Inventors: Vivian Edward Patz; Stafford Alun Smithies
Original assignee: Expert Explosives
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1996-03-25
Also published as: NO178945C; NO874785L; NO874785D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår detonator-avfyringselement innbefattende i det minste en energi-utløsende anordning som angitt i innledningen til krav 1, samt detonator innbefattende et hus som angitt i krav 15, og sekvensielt sprengingssystem som angitt i krav 17. The present invention relates to a detonator firing element including at least one energy-releasing device as stated in the introduction to claim 1, as well as a detonator including a housing as stated in claim 15, and a sequential blasting system as stated in claim 17.

Ved dette sekvensielle sprengningssystem er det vesentlig å kunne styre nøyaktig og sikkert avfyringen av hvert enkelt sprenglegeme. Forsøk har blitt gjort for å møte disse kravene ved hjelp av forskjellige former for detonatorer. Selv om slike detonatorer kan være tilfredsstillende i mange henseender, vil de ikke tilfredsstille alle følgende kriter-ier: lav produksjonskostnad, lav energilagringsbehov før og i løpet av detoneringen, klare sikkerhetsstandarder, nøyaktig signalisering og tidsperioder, og pålitelig feilsikring og virkelig sikker drift. With this sequential blasting system, it is essential to be able to accurately and safely control the firing of each individual explosive device. Attempts have been made to meet these requirements using various forms of detonators. Although such detonators may be satisfactory in many respects, they will not satisfy all of the following criteria: low production cost, low energy storage requirements before and during detonation, clear safety standards, accurate signaling and time periods, and reliable fail-safe and truly safe operation.

Tysk Offenlegungsschrift nr. 3537820 og britisk patent-publikasjon nr. 2 123 122 beskriver detonator-avfyringselementer av den innledningsvis nevnte art. German Offenlegungsschrift No. 3537820 and British Patent Publication No. 2 123 122 describe detonator firing elements of the initially mentioned type.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å sikre stabilitet for detonator-avfyringselementet. The present invention aims to ensure stability for the detonator firing element.

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av et detonator-avfyringselement av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene. The above is provided by means of a detonator firing element of the kind mentioned at the outset, the characteristic features of which appear in claim 1. Further features of the invention appear in the other independent claims.

Ved hjelp av passifiseringssjiktet sikres stabilitet for detonator-avfyringselementet, idet det uten passifiserings-sj ikt kan forekomme at ionene til sprengstoffet vandrer inn i den integrerte kretsen og bevirker feilfunksjon ved kretsen. With the help of the passivation layer, stability is ensured for the detonator-firing element, since without a passivation layer it can happen that the ions of the explosive migrate into the integrated circuit and cause a malfunction of the circuit.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er det også til-veiebrakt en detonator hvor elementet inngår, som angitt i den karakteristiske delen av krav 15, samt et sekvensielt sprengningssystem som angitt i den karakteristiske delen av krav 17. With the help of the present invention, a detonator is also provided in which the element is included, as stated in the characteristic part of claim 15, as well as a sequential blasting system as stated in the characteristic part of claim 17.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene. Further features of the invention appear from the other non-independent claims.

Sammenlignet med andre anordninger utløser degradasjonsanordningen en svært lav mengde med energi. Compared to other devices, the degradation device releases a very low amount of energy.

Substratet er fortrinnsvis egnet for fremstilling av bruker-tilpassede integrerte kretser i stor målestokk. The substrate is preferably suitable for the production of user-adapted integrated circuits on a large scale.

Energi-degradasjonsanordningen kan være en motstand dannet av en halvleder-anordning eller være en felteffekt-anordning. The energy degradation device can be a resistor formed by a semiconductor device or be a field effect device.

I det første tilfellet kan energidegradasjonsanordningen være dannet av et motstandssjikt som er avsatt på substratet. En strøm som er ført gjennom motstandssjiktet bevirker oppvarming av dette. Motstandssjiktet kan for eksempel dannes av minst et av følgende materialer, henvist heretter til som "foretrukne materialer": nikkelkrom, gull, wolfram, aluminium, zirkonium, polysilisium, titan/wolfram-blanding, og metallsilisiumforbindelser. In the first case, the energy degradation device can be formed by a resistance layer deposited on the substrate. A current that is passed through the resistance layer causes it to heat up. For example, the resist layer can be formed from at least one of the following materials, hereinafter referred to as "preferred materials": nickel chromium, gold, tungsten, aluminum, zirconium, polysilicon, titanium/tungsten mixture, and metal silicon compounds.

Et motstandselement kan også bli dannet for eksempel ved hjelp av diffusjonsteknikk eller innpodnings-teknikk, for eksempel ved foregående tilfelle kan et sjikt silisium av P-typen bli diffundert inn i et silisiumsubstrat av den frem-elskende N-typen for å tilveiebringe motstandselementet. Silisiumsjiktene av P-typen og N-typen kan innbyrdes byttes om. I sistnevnte tilfelle kan ion-innpodingsteknikker bli anvendt for å danne motstandselementet. A resistance element can also be formed, for example, by diffusion technique or grafting technique, for example in the previous case a layer of P-type silicon can be diffused into a silicon substrate of the forward-loving N-type to provide the resistance element. The P-type and N-type silicon layers can be interchanged. In the latter case, ion implantation techniques can be used to form the resistive element.

Motstandselementet kan være konstruert slik at det frigjør varme når en elektrisk strøm går gjennom det. Ved en utførelseform av motstandselementet er dette konstruert slik at det danner et smeltbart ledd som smeltes når en strøm av en forutbestemt amplitude passer gjennom det. Smeltingen av leddet frigjør en forutbestemt energimengde. Frigjøringen av energien anvendes til å tenne en primær eksplosiv ladning. Flere ledd kan være anordnet på samme substratet for å forbedre sannsynligheten for tenningen. The resistance element may be designed so that it releases heat when an electric current passes through it. In one embodiment of the resistance element, this is constructed so that it forms a fusible link which is melted when a current of a predetermined amplitude passes through it. The melting of the joint releases a predetermined amount of energy. The release of the energy is used to ignite a primary explosive charge. Several links can be arranged on the same substrate to improve the probability of ignition.

Leddet eller leddene er fortrinnsvis av lav impedans. Dette er svært viktig for energitetthetsgrunner og i et henseende kan det sies at hvert ledd er heller en leder enn en motstand. Ved en foretrukket utførelsesform er således et smeltbart ledd dannet direkte fra det normalt tilkoblete metallet på substratet, dvs. på chipen uten behovet for avsetning av noe motstandsledd eller metallignende, fortrinnsvis som et separat prosesstrinn. Chipen kan således bli behandlet på normal måte og kan danne en ekstrem høy energitetthet. Et ledd av denne art krever en spesielt lav impedans-bryter som normalt ville kreve et stort silisium-areal. Ved å anvende halvleder-gjennomslagsfenomen og ved å drive bryteren ved et strømtetthetsnivå som normalt ville være katastrofalt, kan høystrømpulsen, som er nødvendig for å smelte lavimpedans-varmestedet, dvs. leddet, bli koblet på kortet, idet chipen anvender relativ liten bryterkonstruk-sjon. Dette er mulig når bryteren er ment å skulle kunne drives kun en gang. The joint or joints are preferably of low impedance. This is very important for energy density reasons and in one respect it can be said that each link is a conductor rather than a resistance. In a preferred embodiment, a fusible link is thus formed directly from the normally connected metal on the substrate, i.e. on the chip without the need for the deposition of any resistance link or metal-like, preferably as a separate process step. The chip can thus be processed in the normal way and can form an extremely high energy density. A link of this nature requires a particularly low impedance switch which would normally require a large silicon area. By using semiconductor breakdown phenomena and by operating the switch at a current density level that would normally be catastrophic, the high current pulse required to melt the low impedance hot spot, i.e. the junction, can be coupled onto the board, the chip using relatively small switch construction . This is possible when the switch is intended to be operated only once.

Når bruk er gjort av avsetningsteknikk for å danne motstandselement kan elementet bli avsatt på et tynt sjikt på substratet med tykkelsen til sjiktet for eksempel mellom 10 og 1000 nm. En maske kan bli anvendt for å definere et ønsket mønster og motstandselementet og kontaktarealet og overskuddsmaterialet kan bli etset bort eller fjernet på enhver egnet måte. Motstandselementet som er dannet på denne måten har en svært lav termisk masse og kan bli oppvarmet ved utladning av en minimal mengde med elektrisk energi. When a deposition technique is used to form a resistance element, the element can be deposited on a thin layer on the substrate with the thickness of the layer, for example, between 10 and 1000 nm. A mask may be used to define a desired pattern and the resistive element and contact area and excess material may be etched away or removed in any suitable manner. The resistance element formed in this way has a very low thermal mass and can be heated by discharging a minimal amount of electrical energy.

Energi-degradasjonsanordningen, som tidligere nevnt, kan alternativt innbefatte en halvleder. Egnede elementer er transistorer, felteffekt-transistorer eller lignende anordninger, fire-sjiktsanordninger, zener-dioder, lysemitterende dioder, eller andre egnede elementer som stråler ut varme eller lysenergi ved aktivering, som fortrinnsvis finner sted ved å føre en elektrisk strøm gjennom elementet. Energien kan bli utløst (degradert) i et smalt område mellom aktive N-og P-områder. Dette gjør det mulig å tilveiebringe en nøyaktig konsentrasjon av den frigjorte energien. The energy degradation device, as previously mentioned, may alternatively include a semiconductor. Suitable elements are transistors, field-effect transistors or similar devices, four-layer devices, zener diodes, light-emitting diodes, or other suitable elements which radiate heat or light energy upon activation, which preferably takes place by passing an electric current through the element. The energy can be released (degraded) in a narrow area between active N and P areas. This makes it possible to provide a precise concentration of the released energy.

Ifølge en tredje utførelsesform av oppfinnelsen kan energi-degradasjonsanordningen være et felteffekt-element. Felt-effektelementet kan bli dannet av første og andre ved avstand anbragte elektroder på substrater, og bryterinnretning for å tilføre et elektrisk potensiale over elektrodene. På denne måten dannes et elektrisk felt av høy intensivitet mellom elektrodene. According to a third embodiment of the invention, the energy degradation device can be a field effect element. The field-effect element can be formed by first and second spaced electrodes on substrates, and switch means for applying an electrical potential across the electrodes. In this way, an electric field of high intensity is formed between the electrodes.

Elektrodene kan være metalliske eller dannet av ethvert foretrukket materiale. The electrodes may be metallic or formed of any preferred material.

Elektrodene kan være hovedsakelig to-dimensjonalt utformet ved at de er dannet av ledende legemer i flate sjikt på substratet, alternativt kan de være tre-dimensjonalt utført ved at de har materialstørrelse i tre ortogonale retninger. The electrodes can be mainly two-dimensionally designed in that they are formed of conductive bodies in flat layers on the substrate, alternatively they can be three-dimensionally designed in that they have material size in three orthogonal directions.

Elektrodene kan være av enhver egnet form. Elektrodene kan for eksempel bestå av ved avstand anbragte plater som er parallelle i forhold til hverandre. Elektrodene kan ellers være buede, triangulære eller formet en eller annen måte. Ved en form av oppfinnelsene er elektrodene dannet av en kamkonstruksjon eller en mellomflettet konstruksjon. The electrodes may be of any suitable shape. The electrodes can, for example, consist of spaced plates that are parallel to each other. The electrodes can otherwise be curved, triangular or shaped in some other way. In one form of the inventions, the electrodes are formed by a comb construction or an interlaced construction.

Ved en form av oppfinnelsen innbefatter elektrodene første og andre ledende legemer, idet det første legemet er formet med en åpen sentraldel som er opptatt i det andre legemet. Legemene definerer et ringformet gap mellom dem over hvilket en potensial forskjell er generert. In one form of the invention, the electrodes include first and second conductive bodies, the first body being shaped with an open central part which is occupied in the second body. The bodies define an annular gap between them across which a potential difference is generated.

Elektrodene kan være formet på enhver egnet måte og fortrinnsvis er de formet ved avsetning av et .foretrukket materiale på et dielektrisk passiverende sjikt med substrat. Materialet kan bli etset til en ønsket form. The electrodes can be shaped in any suitable way and preferably they are shaped by depositing a preferred material on a dielectric passivating layer of substrate. The material can be etched into a desired shape.

Bryteren kan innbefatte første og andre bryteranordning, idet den første anordningen er forbundet mellom den første og andre elektroden og idet den andre anordningen er forbundet med den andre elektroden og med en pol til elektrisk strøm-forsyning, og idet den første elektroden er forbundet med den polen til den elektriske strømforsyningen. Ved beredskap, dvs. når et eksplosiv ikke skal bli tent, er den første bryteranordningen på og den andre bryteranordningen av. Detonator-avfyringselementet blir så gjort operativt ved å slå den første bryteren av og den andre bryteren på. På denne måten blir det elektriske potensialet påført over elektrodene. Et eksplosiv kan bli lokalisert tilliggende eller i direkte kontakt med energidegraderingsanordningen, som ved påvirkingen starter eksplosjonen ved å utløse energien. The switch may include first and second switch devices, the first device being connected between the first and second electrodes and the second device being connected to the second electrode and to a pole for electric power supply, and the first electrode being connected to the pole of the electrical power supply. On standby, i.e. when an explosive is not to be ignited, the first switch device is on and the second switch device is off. The detonator firing element is then made operative by turning the first switch off and the second switch on. In this way, the electrical potential is applied across the electrodes. An explosive can be located adjacent to or in direct contact with the energy degradation device, which upon impact starts the explosion by releasing the energy.

Det har blitt vist at utløsningen av energien i de fleste tilfellene av oppfinnelsen bevirker frigjøring av varme og denne varmen blir anvendt for å tenne sprengstoffet. Det er imidlertid mulig å utføre energiutløsningen i form av lys som ville tenne sprengstoffet. It has been shown that the release of the energy in most cases of the invention causes the release of heat and this heat is used to ignite the explosive. However, it is possible to perform the energy release in the form of light that would ignite the explosive.

Den tredje utførelsesformen av oppfinnelsen er basert på bruk av en felt-effektanordning, idet sprengstoffet påvirkes av en elektrostatisk utladning eller et sterkt elektrisk felt. The third embodiment of the invention is based on the use of a field effect device, the explosive being affected by an electrostatic discharge or a strong electric field.

Egnede sprengstoffer er primære sprengstoff, slik som sølvazid, bly eller bariumstyfanat, kvikksølvfulminat og ethvert sekundærsprengstoff, slik som RDX og HMX, en blanding av enhver av de foregående, eller andre egnede materialer i fast tilstand, flytende eller gassholdig tilstand med de ønskede egenskaper. Selve sprengstoffmaterialet kan være gjort ledende ved å få tilført små mengder med et ledende materiale, slik som grafitt eller en organisk halvleder. På denne måten kan sprengstoffmaterialet bli direkte oppvarmet som følge av strømmen som blir indusert i det. Ved anvendelse av felteffektanordningen kan sprengstoffet innbefatte en komponent i form av en organisk halvleder som suspenderer et oksyderende middel som reagerer kjemisk i tilstedeværelsen av elektrisk felt i en eksotermisk reaksjon. Sprengstoffmaterialet kan mer generelt ved felteffektanordningen innbefatte en felt-følsomhetsgjører. Suitable explosives are primary explosives, such as silver azide, lead or barium styphanate, mercury fulminate and any secondary explosive, such as RDX and HMX, a mixture of any of the foregoing, or other suitable solid, liquid or gaseous materials with the desired properties. The explosive material itself can be made conductive by adding small amounts of a conductive material, such as graphite or an organic semiconductor. In this way, the explosive material can be directly heated as a result of the current induced in it. When using the field effect device, the explosive may include a component in the form of an organic semiconductor that suspends an oxidizing agent that reacts chemically in the presence of an electric field in an exothermic reaction. The explosive material can, more generally, in the case of the field effect device, include a field sensitizer.

Substratet kan utgjøre en del av en elektronisk halvlederkom-ponent som innbefatter integrert krets for styring av påvirkningen av detonator-avfyringselementet. Detonator-avfyringselementet kan være anbragt på overflaten til et passiverende sjikt som dekker den elektroniske anordningen med egnede åpninger anordnet deri for å muliggjøre dets kontakt med anordningen. Alternativt kan den være anbragt under det passiviserende sjiktet med eller uten en åpning eller åpninger gjennom det passiverende sjiktet. Det skal bemerkes at et deksel overdetonator-avfyringselementet reduserer dets følsomhet. The substrate may form part of an electronic semiconductor component which includes an integrated circuit for controlling the action of the detonator firing element. The detonator firing element may be disposed on the surface of a passivating layer covering the electronic device with suitable apertures provided therein to enable its contact with the device. Alternatively, it can be placed under the passivating layer with or without an opening or openings through the passivating layer. It should be noted that a cover over the detonator firing element reduces its sensitivity.

Sprengstoffet er anbragt tilliggende energiutløsningsanord-ningen. Fortrinnsvis festes eksplosjonsstoffet til i det minste en overflate av substratet slik at det er i intim fysisk kontakt med substratet. Væskeformet eller gassformet sprengstoff kan fortrinnsvis for eksempel være anbragt sammen med energiutløsningsnanordningen i en tettet beholder. På denne måten finner det sted en effektiv energioverføring mellom energiutløsningsanordningen og sprengstoffet. The explosive is placed adjacent to the energy release device. Preferably, the explosive is attached to at least one surface of the substrate so that it is in intimate physical contact with the substrate. Liquid or gaseous explosives can preferably, for example, be placed together with the energy release device in a sealed container. In this way, an efficient energy transfer takes place between the energy release device and the explosive.

Kvaliteten på den fysiske kontakten til sprengstoffet på substratet kan bli forbedret ved å bruke en adhesjonsfremmer. Denne forbedrer bindingen mellom sprengstoffet og substratets overflate. Sprengstoffet kan være avsatt i en oppløsning eller en væskesuspensjon. Adhesjonsfremmeren kan bli dannet av et fuktig løsemiddel. En binder slik som PVC eller nitrocellulose-lakk kan bli tilført oppløsningen eller suspensjonen. Mekanisk styrke blir samtidig tillagt enheten, i tilfelle av et fast stoff-sprengstoff. The quality of the physical contact of the explosive on the substrate can be improved by using an adhesion promoter. This improves the bond between the explosive and the surface of the substrate. The explosive may be deposited in a solution or a liquid suspension. The adhesion promoter may be formed from a moist solvent. A binder such as PVC or nitrocellulose lacquer may be added to the solution or suspension. Mechanical strength is simultaneously added to the device, in the case of a solid explosive.

Enheten med sprengstoffet og detonator-avfyringselementet kan bli belagt ved hjelp av egnede beskyttende inerte tetnings-midler slik som silikongummi som adherer til substratet og som når det herder, trekker sprengstoffet og substratet sammen. The assembly of the explosive and the detonator firing element may be coated with suitable protective inert sealants such as silicone rubber which adheres to the substrate and which, when cured, pulls the explosive and the substrate together.

Ved en form av oppfinnelsen er et vindu anbragt på substratet med energi-utløsningsanordningen anbragt deri. Sprengstoffet blir så lokalisert i vinduet i kontakt med energi-utløsnings-anordningen. Det skal imidlertid bemerkes at vinduet ikke er vesentlig og at i visse tilfeller er det tilstrekkelig dersom sprengstoffet er anbragt i tett nærhet av energi-utløsnings-anordningen. In one form of the invention, a window is placed on the substrate with the energy release device placed therein. The explosive is then located in the window in contact with the energy release device. However, it should be noted that the window is not essential and that in certain cases it is sufficient if the explosive is placed in close proximity to the energy release device.

Sprengstoffet kan alternativt være en væske, gassformet, og være tettet i en beholder sammen med energi-utløsningsanord-ningen. På denne måten unngår sprengstoff avsetningsproble-mer . The explosive can alternatively be a liquid, gaseous, and be sealed in a container together with the energy release device. In this way, explosive deposition problems are avoided.

Styrekretsen innbefattet i den nøytroniske halvlederkomponen-ten kan innbefatte på forhånd definerte logiske komponent-blokker for å tilveiebringe brukerspesifiserte sprengstoff-styresystemer ved lave kostnader. Slike komponenter kan for eksempel innbefatte oscillatorer, tellere og taktere, faselåste sløyfer for nøyaktig klokkeutledning, kommunikasjonskretser, blokkeringskretser, selv-testkretser og elektromagnetiske interferens-undertrykkelseskretser. The control circuit included in the neutronic semiconductor component may include pre-defined logic component blocks to provide user-specified explosive control systems at low cost. Such components may include, for example, oscillators, counters and clocks, phase-locked loops for accurate clock derivation, communication circuits, blocking circuits, self-test circuits, and electromagnetic interference suppression circuits.

Kombinasjonen av et miniatyrisert detonator-avfyringselement av den art her beskrevet med en integrert elektronisk krets resulterer i muligheten til å tilveiebringe komplekse signalbehandlinger til lave kostnader og med en høy pålitelighet sgrad. The combination of a miniaturized detonator firing element of the kind described herein with an integrated electronic circuit results in the ability to provide complex signal processing at low cost and with a high degree of reliability.

Overspennings-beskyttelsesinnretninger kan være anordnet for å beskytte energi-utløsningsanordningen mot uønsket tenning. Tradisjonelle detonator-avfyringselementer har ikke kunnet blitt gjort små siden en reduksjon i størrelsen fører til en økning i følsomheten mot strøspenninger eller strø-strømmer. Anvendelsen av en integrert krets og ved å anordne en overspenningsbeskyttelse gjør imidlertid at en høy grad av immunitet mot elektromagnetisk interferens tilveiebringes. Beskyttelsesanordningen kan dessuten innbefatte bryterinnret-ninger forbundet med energiutløsningsanordningen for å tilveiebringe beskyttelse mot indusert elektriske strømmer. Surge protection devices may be provided to protect the energy release device against unwanted ignition. Traditional detonator firing elements have not been able to be made small since a reduction in size leads to an increase in sensitivity to stray voltages or stray currents. However, the use of an integrated circuit and by providing an overvoltage protection means that a high degree of immunity against electromagnetic interference is provided. The protection device can also include switch devices connected to the energy release device to provide protection against induced electric currents.

Et detonator-avfyringselement av omskreven art kan bli anbragt i et hus, med sprengstoffmateriale i huset anordnet for å bli tent ved å tenne sprengstoffet henvist til her for derfor å danne en detonator. A detonator firing element of the described nature may be housed in a housing, with explosive material in the housing arranged to be ignited by igniting the explosive referred to herein to therefore form a detonator.

Innretninger kan være anordnet for å tilføre elektrisk energi til energi-utløsningsanordningen og en krets. Denne innret-ningen kan innbefatte en kondensator som er under styringen av en taktkrets eller annen elektrisk lageranordning. Devices may be arranged to supply electrical energy to the energy release device and a circuit. This arrangement may include a capacitor which is under the control of a timing circuit or other electrical storage device.

Energien kan bli utledet fra innkommende strømforsyningslin-jer og anvendt for å lade energilagerinnretningen som kan innbefatte ovenfornevnte kondensator. Dette gir en reserve-energikilde i tilfelle av at trådene som fører til detonatoren er blitt ødelagt, som for eksempel i løpet av en spreng-nings -operas jon . The energy can be derived from incoming power supply lines and used to charge the energy storage device which can include the above-mentioned capacitor. This provides a reserve source of energy in the event that the wires leading to the detonator have been destroyed, such as during a blasting operation.

Dersom det blir gjort bruk av en kondensator med høy kapasitans er det en ytterligere fordel at strømforsyningen blir dekoblet og krysstale og interferens blir redusert. Energilagerkondensatoren og den energi-utløsende anordnings ekstremt lave energiforbruk, som danner en sprengstoff-tenning av varmt sted, resulterer i kombinasjon med bruk av CMOS-teknikker for å fremstille den integrerte kretsen gir en billig og effektiv løsning på problemet med å sikre detonering med tilstedeværelse av flyvesand i løpet av sprengeopera-sjonene. If a capacitor with high capacitance is used, it is a further advantage that the power supply is decoupled and crosstalk and interference are reduced. The energy storage capacitor and the energy release device's extremely low energy consumption, which forms a hot spot explosive ignition, results in combination with the use of CMOS techniques to manufacture the integrated circuit provides a cheap and effective solution to the problem of ensuring presence detonation of flying sand during the blasting operations.

De høye impedansene som er forbundet med lave effektkretser og de lokale energilagrene forenkler bruken av billige tilkoblinger, siden energilager-kondensatorene kan bli ladet over relativ lang periode på flere sekunder. The high impedances associated with low power circuits and the local energy stores facilitate the use of cheap connections, since the energy storage capacitors can be charged over a relatively long period of several seconds.

Oppfinnelsen angår også et sekvensielt sprengningssystem med flere detonatorer av detonatorer som er forbundet i serie, og innretninger for å styre tenningen av de individuelle detonatorene. The invention also relates to a sequential blasting system with several detonators of detonators which are connected in series, and devices for controlling the ignition of the individual detonators.

Styreinnretningen kan være tilpasset til å programmere et valgt forsinket intervall ved en tidskrets forbundet med hver respektiv detonator. The control device may be adapted to program a selected delayed interval at a timing circuit associated with each respective detonator.

Over-spenningsbeskyttelse-anordninger kan være anbragt mellom valgte par med detonatorer. Dette øker ytterligere immunite-ten til systemet for induserte spenninger eller strømmer. Surge protection devices may be placed between selected pairs of detonators. This further increases the immunity of the system to induced voltages or currents.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives ved hjelp av eksempler med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 viser et planriss av en integrert elektronisk detonator innbefattende et detonator-avfyringselement av motstandstypen i samsvar med en utførelse av oppfinnelsen. In what follows, the invention will be described by means of examples with reference to accompanying drawings, where: Figure 1 shows a plan view of an integrated electronic detonator including a detonator firing element of the resistance type in accordance with an embodiment of the invention.

Figur 2 viser et tverrsnitt av kretsen på figur 1. Figure 2 shows a cross-section of the circuit in Figure 1.

Figur 3 viser en utførelsesform av kretsen som kan være anbragt i hver detonator. Figur 4 viser et sideriss, delvis i tverrsnitt, over den fysiske enheten til detonator-avfyringselementet. Figur 5 viser en detonator konstruert i samsvar med oppfinnelsen . Figur 6 viser en "beskyttet anordning anvendt ved et sekvensielt sprengningssystem i samsvar med oppfinnelsen. Figur 7 viser et sekvensielt sprengningssystem ifølge oppfinnelsen . Figur 8 viser et planriss av et detonator-avfyringselement av felt-effekttypen inkorporert i en integrert krets i samsvar med oppfinnelsen. Figur 9 viser fra siden og i tverrsnitt den fysiske anordningen av et detonator-avfyringselement. Figur 10 viser et sideriss av et detonator-avfyringselement i samsvar med en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 11 viser et perspektivriss av detonator-avfyringselementet på figur 10 før et primært sprengstoff er blitt festet adhesivt dertil. Figur 12A, 12B og 12C viser sideriss av forskjellige utførel-sesformer av detonator-avfyringselementet. Figur 13 til 16 viser respektive andre utførelser i form av oppfinnelsen. Figur 17 viser et sideriss av en detonator som inneholder et detonator-avfyringselement i samsvar med en variant av oppfinnelsen. Figur 1 viser, sett ovenfor, en integrert elektronisk detonator 10 som innbefatter et detonator-avfyringselement 12, en transistor 14, en forbindelsespute 16, overspennings-beskyttelseskrets 18, og takt og kommunikasjonskretser 20. Figure 3 shows an embodiment of the circuit which can be placed in each detonator. Figure 4 shows a side view, partly in cross-section, of the physical assembly of the detonator firing element. Figure 5 shows a detonator constructed in accordance with the invention. Figure 6 shows a "protected device used in a sequential detonation system in accordance with the invention. Figure 7 shows a sequential detonation system in accordance with the invention. Figure 8 shows a plan view of a detonator firing element of the field effect type incorporated in an integrated circuit in accordance with the invention. Figure 9 shows a side and cross-sectional view of the physical arrangement of a detonator firing element. Figure 10 shows a side view of a detonator firing element in accordance with another embodiment of the invention. Figure 11 shows a perspective view of the detonator firing element of Figure 10 before a primary explosive has been adhesively attached thereto. Figures 12A, 12B and 12C show side views of various embodiments of the detonator firing element. Figures 13 to 16 show respective other embodiments of the invention. Figure 17 shows a side view of a detonator containing a detonator firing element in accordance with a variant of the invention Figure 1 shows, seen above for example, an integrated electronic detonator 10 which includes a detonator firing element 12, a transistor 14, a connection pad 16, surge protection circuit 18, and clock and communication circuits 20.

Detonator-avfyringselementet 12 er i virkeligheten en miniatyrsikring med ekstremt lav termisk masse og er dannet ved avsetning av et tynt sjikt med motstandsmateriale, eller annet foretrukket materiale, på toppen av et passivt sjikt til en integrert krets. Tykkelsen på motstandssjiktet er i størrelsesorden av 10 til 1000 nm. En maske er anvendt, på konvensjonell måte, for å definere mønsteret til detonator-avfyringselementet og kontaktarealet som skal være tilbake og overskuddsmaterialet blir så etset bort. The detonator firing element 12 is actually a miniature fuse of extremely low thermal mass and is formed by depositing a thin layer of resistive material, or other preferred material, on top of a passive layer of an integrated circuit. The thickness of the resist layer is in the order of 10 to 1000 nm. A mask is applied, in a conventional manner, to define the pattern of the detonator firing element and the contact area to be left and the excess material is then etched away.

Den integrerte kretsen på hvilket detonator-avfyringselementet er fremstilt er vist i tverrsnitt på figur 2. Ved dette eksempelet er kretsen av CMOS-typen og dens konstruksjon er stort sett konvensjonell og man skal ikke gå nærmere inn på denne. Med henvisning til figur 2 kan komponentene bli identifisert som følger: Et silisiumsubstrat av N-type: henvisningstall 20, Vekstfeltoksyd: henvisningstall 22, The integrated circuit on which the detonator firing element is produced is shown in cross-section in Figure 2. In this example, the circuit is of the CMOS type and its construction is largely conventional and one shall not go into this further. With reference to Figure 2, the components can be identified as follows: An N-type silicon substrate: reference number 20, Growth field oxide: reference number 22,

P-diffusjonsområde: henvisningstall 24, P diffusion range: reference number 24,

Avsatt oksyd: henvisningstall 26, Deposited oxide: reference number 26,

Poly-silisiumport: henvisningstall 28, Poly-silicon gate: reference number 28,

Tynn portoksyd: henvisningstall 30, Thin port oxide: reference number 30,

Aluminium innbyrdes forbundet sjikt: henvisningstall 32, Passiverings- eller beskyttelsessjikt: henvisningstall 34, Detonator-avfyringselement: henvisningstall 12. Aluminum interconnected layer: reference number 32, Passivation or protective layer: reference number 34, Detonator firing element: reference number 12.

Transistoren 14, vist på figur 1, er av felt-effekttypen og er definert av områdene 24, porten 28 og portoksyden 30. The transistor 14, shown in Figure 1, is of the field-effect type and is defined by the regions 24, the gate 28 and the gate oxide 30.

Det aluminium-forbundne sjiktet 32 er forbindbar med forbind-elsesputene 16, jfr. figur 1, ved hjelp av kontaktåpninger i passiveringssjikt 34. The aluminum-connected layer 32 can be connected to the connecting pads 16, cf. figure 1, by means of contact openings in passivation layer 34.

Figur 3 viser i det vesentlige i blokkdiagramform, detaljer ved den integrerte kretsen som utgjør detonator-avfyringselementet. På figur 3 er detonator-avfyringselementet 12 vist som en motstand i serie med felteffekt-transistoren 14. To 6-volts zenerdioder 36, fremstilt i serie over komponentene 12 og 14, er forbundet med strømforsyningsleddene 38 og 40. Disse diodene er ment til å forhindre strøenergi fra å trigge detonatoren og er anbragt under det avsatte oksydsjik-tet 26. Dette sjiktet er termisk isolerende. Figure 3 shows, substantially in block diagram form, details of the integrated circuit which constitutes the detonator firing element. In Figure 3, the detonator firing element 12 is shown as a resistor in series with the field effect transistor 14. Two 6-volt zener diodes 36, made in series across components 12 and 14, are connected to power supply terminals 38 and 40. These diodes are intended to prevent stray energy from triggering the detonator and is placed below the deposited oxide layer 26. This layer is thermally insulating.

Kretsen på figur 3 innbefatter en oscillator 42 med en takt-kondensator 44 som er begravet under detonator-avfyringselementet, en kommunikasjonskrets 44 som inneholder en fastlåst sløyfe som synkroniserer klokken som er på chipen og som er ustabil i forhold til en nøyaktig dataklokke for å sikre nøyaktig tid for kretsen, og en takt- og sperrekrets 46. Kretsen er klokket av den faselåste sløyfereferanse-klokken. The circuit of Figure 3 includes an oscillator 42 with a clock capacitor 44 buried under the detonator firing element, a communication circuit 44 containing a locked loop that synchronizes the on-chip clock which is unstable to an accurate computer clock to ensure accurate timing for the circuit, and a clock and latch circuit 46. The circuit is clocked by the phase-locked loop reference clock.

Kretsen innbefatter videre en selvtest-modul 48 som kontrol-lerer alle kretsfunksjonene ved strømmen på. Diodene 50 og motstandene 52 på linjen D (data inn til klokken), DI (data inn), R (svar), og DO (data ut), gir statisk beskyttelse for CMOS-kretsen. The circuit also includes a self-test module 48 which checks all the circuit functions when the power is on. The diodes 50 and resistors 52 on the lines D (data in to clock), DI (data in), R (response), and DO (data out) provide static protection for the CMOS circuit.

Felteffekt-transistoren 14 er konstruert for å styre utladningen av den elektriske energien fra lagerkondensator 54 gjennom detonator-avfyringselementet 12. Lagerkondensatoren er relativ stor og utgjør ikke en del av den integrerte kretsen, men er istedet en diskret komponent. The field effect transistor 14 is designed to control the discharge of the electrical energy from the storage capacitor 54 through the detonator firing element 12. The storage capacitor is relatively large and does not form part of the integrated circuit, but is instead a discrete component.

Figur 4 viser komponenten 10 montert i et hus 56 som er støpt av et egnet plastmateriale og innbefatter et hulrom 58 i hvilket komponenten 10 er anbragt. Den øvrige delen av hulrommet er opptatt av et sprengstoff 60. Hulrommet er tettet ved hjelp av et lokk 62 fremstilt av et plastmateriale. Pluggstiftene 64 streker seg gjennom huset 56 og er forbundet med komponenten 10 ved hjelp av ledninger 66. Komponenten 10 er anbragt slik at detonator-avfyringselementet 12 vender mot hulrommet 58 og er i kontakt med sprengstoffet 60. Figure 4 shows the component 10 mounted in a housing 56 which is molded from a suitable plastic material and includes a cavity 58 in which the component 10 is placed. The other part of the cavity is occupied by an explosive 60. The cavity is sealed by means of a lid 62 made of a plastic material. The plug pins 64 extend through the housing 56 and are connected to the component 10 by means of wires 66. The component 10 is arranged so that the detonator firing element 12 faces the cavity 58 and is in contact with the explosive 60.

Huset 56 innbefatter et andre hulrom 67 som er opptatt av lagerkondensatoren 54, vist på figur 3. Huset er formet med et første spor 68 ved et midtpunkt og et andre spor 70 som strekker seg rundt hulrommet 67. The housing 56 includes a second cavity 67 which is occupied by the storage capacitor 54, shown in Figure 3. The housing is formed with a first groove 68 at a midpoint and a second groove 70 which extends around the cavity 67.

Figur 5 viser huset 56 forbundet med et detonatorbeger 72 for således å danne en fullstendig detonator 74. Detonatorbegeret er fylt med et egnet sprengstoff og er festet til huset 56 ved å være krympet ved et sted 76 inn i sporet 68. Huset 56 er orientert slik at hulrommet 58 med dets sprengstoff, strekker seg inn i detonatorbegeret. Figure 5 shows the housing 56 connected to a detonator cup 72 so as to form a complete detonator 74. The detonator cup is filled with a suitable explosive and is attached to the housing 56 by being crimped at a location 76 into the groove 68. The housing 56 is oriented as follows that the cavity 58 with its explosive extends into the detonator cup.

En samling av ledninger 78 som utgjør den elektriske kontakten med stiftene 64 er festet til den øvre enden av huset 56 og fastsatt til huset ved samvirke med det øvre sporet 70. An assembly of wires 78 forming the electrical contact with the pins 64 is attached to the upper end of the housing 56 and secured to the housing by engagement with the upper groove 70.

Figur 6 viser en beskyttelsesanordning 80 som er anvendt i forbindelse med flere detonatorer 74 vist på figur 5. Beskyttelsesanordningen innbefatter en hurtig spennings-gjennomslagsdiode 82 som er parallellkoblet av en kondensator 84 som tilveiebringer en lav impedansbane for høyfrekvens-støy. Figure 6 shows a protection device 80 used in conjunction with multiple detonators 74 shown in Figure 5. The protection device includes a fast voltage breakdown diode 82 which is paralleled by a capacitor 84 which provides a low impedance path for high frequency noise.

Anordningen 80 innbefatter identiske forbindelser med de vist på figur 3 for komponenten 10. Således innbefatter den to strømforsyningslinje-forbindelser 86 og 88 henholdsvis, som korresponderer med forbindelsen 38 og 40 på anordningen 10 og D, R, DI og DO terminaler som korresponderer med lignende markerte terminaler på diagram figur 3. Det skal bemerkes at terminalene DI og DO er direkte forbundet og således tilveiebringer et ledd som er transparent for signaler sendt ned datalinjen. D og R terminalene er ikke i bruk. The device 80 includes identical connections to those shown in Figure 3 for the component 10. Thus, it includes two power supply line connections 86 and 88, respectively, which correspond to the connections 38 and 40 of the device 10 and D, R, DI and DO terminals which correspond to similar marked terminals on diagram figure 3. It should be noted that the terminals DI and DO are directly connected and thus provide a link which is transparent to signals sent down the data line. The D and R terminals are not in use.

Figur 7 viser et sekvensielt sprengningssystem som innbefatter flere detonatorer 74 med beskyttelsesanordninger 80 forbundet mellom tilliggende par med detonatorer ved valgte steder. Sekvensen med detonatorer er avsluttet ved hjelp av en anordning 90. DO og DI-terminalene til tilliggende anordninger er innbyrdes forbundet for å tilveiebringe en blomsterkranslignende ledd ned systemet. Figure 7 shows a sequential blasting system which includes several detonators 74 with protective devices 80 connected between adjacent pairs of detonators at selected locations. The sequence of detonators is terminated by means of a device 90. The DO and DI terminals of adjacent devices are interconnected to provide a wreath-like link down the system.

Detonatorene er installerte fysisk ved ønskede steder i samsvar med konvensjonell gruve-teknikk. I elektriske støyomgivelser blir antall beskyttelsesanordninger 80 øket for å øke støyimmuniteten til systemet. The detonators are installed physically at desired locations in accordance with conventional mining techniques. In electrical noise environments, the number of protective devices 80 is increased to increase the noise immunity of the system.

Det sekvensielle sprengningssystemet innbefatter et elektrisk grensesnitt 92 som mater strøm til detonatorene og som omsetter signaliseringsprotokollene mellom en konvensjonell kommunikasjonslinje 94, fra en styre-datamaskin 96, og detonatorsignalene. The sequential detonation system includes an electrical interface 92 which supplies power to the detonators and which converts the signaling protocols between a conventional communication line 94, from a control computer 96, and the detonator signals.

Det er ønskelig å teste en sekvensiell sprengningsinstalla-sjon ved lave spenninger ved å anvende en felt-testenhet før sprengningssekvensen virkelig blir innledet. Reelt skulle testen finne sted under energitilførselstilstanden hvor tilførselsspenningen er under 3 volt som sikrer at tilfeller av en feilfunksjon kan ingen av detonator-avfyringselementene bli oppvarmet tilstrekkelig til å bevirke detonasjon. Testsekvensen blir bestemt for å indikere feilenheter ved et antall før deres forbindelse i sprengningssystemet. It is desirable to test a sequential blasting installation at low voltages by using a field test unit before the blasting sequence is actually initiated. Actually the test should take place under the energizing condition where the supply voltage is below 3 volts which ensures that in the event of a malfunction none of the detonator firing elements can be heated sufficiently to cause detonation. The test sequence is determined to indicate faulty units by a number prior to their connection in the blasting system.

Datamaskinen blir anvendt for å generere forsinkelser for å styre den ønskede sprengningssekvensen. Måten ved hvilken forsinkelsessignalene genereres er ikke viktig for å forstå foreliggende oppfinnelse og blir således ikke beskrevet nærmere her. The computer is used to generate delays to control the desired blast sequence. The way in which the delay signals are generated is not important for understanding the present invention and is thus not described in more detail here.

Alle detonatorene 74 ved systemet vist på figur 7 er identiske og ingen brukeradresseprogrammering er ønskelig. For å tillate de enkelte detonatorene å bli adresserte er det imidlertid nødvendig med klarsignal innbefattet i kommunika-sjonsskjemaet. Dette tillater hver anordning å gi beskjed til naboen så snart den har avsluttet kommunikasjonen. Datamaskinen avgir et klarsignal, den første anordningen blir adressert og svarer og avgir så dens klarsignal til neste anordning. Datamaskinen kommuniserer med alle anordninger i linjen i rekkefølge inntil den nest siste anordningen gir sitt klarsignal til avslutningsenheten 90. Denne enheten signaliserer så til datamaskinen at den anordnede slutten av strengen hvoretter datamaskinen sender ut et signal som tilbakestiller klarsignaliserte linjer til klar i systemet for en annen kommunikasjonssyklus. På denne måten kan hver enhet bli tilegnet et nummer av datamaskinen for feilfinning og generell kommunikasjon. All the detonators 74 of the system shown in Figure 7 are identical and no user address programming is desirable. In order to allow the individual detonators to be addressed, however, a clear signal included in the communication form is necessary. This allows each device to notify its neighbor as soon as it has terminated communication. The computer emits a ready signal, the first device is addressed and responds and then transmits its ready signal to the next device. The computer communicates with all devices in the line in sequence until the penultimate device gives its ready signal to the termination device 90. This device then signals to the computer that the device has reached the end of the string after which the computer sends out a signal that resets ready signaled lines to ready in the system for another communication cycle. In this way, each device can be assigned a number by the computer for troubleshooting and general communication.

For å forhindre falsk avfyring kan flere kommunikasjons-sykluser bli anvendt med en sperremekanisme. Sekvensen kunne for eksempel være som følger: systemet blir til å begynne med strømforsynt og datamaskinen adresserer så hver anordning og tilveiebringer resultater av selvtestprosessen utført ved hjelp av kretsen på hver detonator og antall detonatorer. Datamaskinen skriver så en forsinkelsestid til hver detonator, og hver detonator sender tilbake forsinkelsen til datamaskinen for verifisering. Detonatorene blir så armert ved hjelp av et bestemt statussignal, dvs. et signal som har en lav korrelasjon med vilkårlig støy i den spesielle omgivelsen. Deretter blir en "gå-sekvens" startet, igjen ved hjelp av et bestemt statussignal, og dette bevirker detoneringen. To prevent false firing, several communication cycles can be used with a blocking mechanism. For example, the sequence could be as follows: the system is initially energized and the computer then addresses each device and provides results of the self-test process performed using the circuit on each detonator and the number of detonators. The computer then writes a delay time to each detonator, and each detonator sends the delay back to the computer for verification. The detonators are then armed using a specific status signal, i.e. a signal that has a low correlation with arbitrary noise in the particular environment. Then a "go sequence" is initiated, again by means of a certain status signal, and this causes the detonation.

Sikkerhetslåsesekvensen tillater strømmen å passere gjennom hvert detonator-avfyringselement kun dersom selvtesten utført av den bestemte detonatoren er tilfredsstillende, anordning-ene har en forsinkelse riktig programmert, en gyldig armer-ingssekvens har blitt mottatt, et gyldig gå-signal har blitt mottatt og forsinkelsesperioden er utløpt. The safety interlock sequence allows current to pass through each detonator firing element only if the self-test performed by the particular detonator is satisfactory, the devices have a delay properly programmed, a valid arming sequence has been received, a valid go signal has been received, and the delay period is expired.

Ved et test-eksempel av oppfinnelsen ble det anvendt en 4,7 In a test example of the invention, a 4.7 was used

>jf kondensator utladet 14,7 v i et detonator-avfyringselement som innbefatter et katodeforstørret ledd med størrelse 80 pm ganger 8>im. Leddet blir dekket med bly-styfnat. Reaksjons-tiden målt fra tilførselen av strøm til et lysglimt sees fra den eksploderende bly-styfnatet var 30 ps. Energien som ble tilført var derfor litt mindre enn 20.9 pJoule. >jf capacitor discharged 14.7 v in a detonator firing element which includes a cathode-enlarged member of size 80 pm by 8>im. The joint is covered with lead styphnate. The reaction time measured from the supply of current until a flash of light is seen from the exploding lead styphnate was 30 ps. The energy supplied was therefore slightly less than 20.9 pJoule.

Energien for oppvarming av detonator-avfyringselementet er lagret i kondensatoren 54. Kondensatoren har en kapasitans på 10 >jF og er ladet til 11 volt som gir adekvat energi for strømforsyning av kretsen og oppvarming av detonator-avfyringselementet. Hver detonator blir således strømforsynt ved hjelp av effekten på kortet og så snart f orsinkelsesperioden er utløpt vil eksplodere på tidspunktet selv om ledningene som forbinder dem til hovedstrømforsyningen er blitt ødelagt. Da ingen tung avfyrings-strøm passerer nedover systemet kan tilkoblinger av dårlig kvalitet bli anvendt for å koble anordningen til det sekvensielle sprengningssystem. The energy for heating the detonator firing element is stored in capacitor 54. The capacitor has a capacitance of 10 µF and is charged to 11 volts which provides adequate energy to power the circuit and heat the detonator firing element. Each detonator is thus powered by the effect on the board and as soon as the delay period has expired will explode on time even if the wires connecting them to the main power supply have been destroyed. As no heavy firing current passes down the system, poor quality connections may be used to connect the device to the sequential blasting system.

Tiden innenfor hvilken anordningen kan operere, når den er frakoblet strømforsyningen, er begrenset av størrelsen på kondensatoren. Et vesentlig antall detonatorer kan bli inkorporert i et sekvensielt sprengningssystem med lange forsinkelser mellom detoneringene som anvender lange eksplo-sjonstider. Ved sprengning av detonatoren som er lengst fra strømforsyningen blir det første totalenergi-lagringskravet for hver anordning vesentlig redusert. Siden energien blir tilført i en retning som er motsatt retningen for forplant-ning av eksplosjonen kan flyvende stein isolere strømforsyn-ingen lokalt. Det er således foretrukket å avfyre detonatorene i revers sekvens for å tilveiebringe fordelene med reduserte energi-lagerkrav. The time during which the device can operate, when disconnected from the power supply, is limited by the size of the capacitor. A substantial number of detonators can be incorporated into a sequential detonation system with long delays between detonations using long blast times. When detonating the detonator furthest from the power supply, the initial total energy storage requirement for each device is substantially reduced. Since the energy is supplied in a direction opposite to the direction of propagation of the explosion, flying rock can isolate the power supply locally. It is thus preferred to fire the detonators in reverse sequence to provide the benefits of reduced energy storage requirements.

Oppfinnelsen tilveiebringer detonatorer som muliggjør et fullstendig integrert billig og pålitelig detoneringssystem. Sekvensiell forsinkelse i systemet blir nøyaktig definert og kompleks sprengningsmønster er relativt enkelt å programmere. The invention provides detonators which enable a fully integrated inexpensive and reliable detonation system. Sequential delay in the system is precisely defined and complex burst patterns are relatively easy to program.

Basis for oppfinnelsen ligger i inkorporeringen av detonator-avfyringselementene i en elektronisk chip. Chipen innbefatter dessuten egnede krets for utførelse av testtiden på kortet og beskyttelsesfunksjoner. The basis of the invention lies in the incorporation of the detonator firing elements into an electronic chip. The chip also includes suitable circuitry for carrying out the test time on the card and protection functions.

To overspenningsbeskyttelsestrinn er innbefattet, nemlig beskyttelsesanordningen 80 og på-chip-beskyttelsessystemene. På-chip-beskyttelsesspenningsnivået er 12 volt mens spen-ningsnivået til hver anordning 80 er 11 volt. Dette sikrer adekvat isolasjon av detonator-avfyringselementet fra uønskede signaler ved sekvensielt sprengningssystem. Figurene 8 og 9 viser et detonator-avfyringselement som er basert på en felteffektstruktur. Figur 8 viser i plan en integrert krets 90 som innbefatter et detonator-avfyringselement generelt betegnet med henvisningstall 92, styretransistorer 94 og 96 henholdsvis, overspennings-beskyttelseskrets 98, og et takt- og kommunikasjonskrets 100. Two surge protection stages are included, namely the protection device 80 and the on-chip protection systems. The on-chip protection voltage level is 12 volts while the voltage level of each device 80 is 11 volts. This ensures adequate isolation of the detonator firing element from unwanted signals in the case of a sequential blasting system. Figures 8 and 9 show a detonator firing element which is based on a field effect structure. Figure 8 shows in plan an integrated circuit 90 which includes a detonator firing element generally denoted by reference numeral 92, control transistors 94 and 96 respectively, overvoltage protection circuit 98, and a timing and communication circuit 100.

Funksjonen av kretsene 98 og 100, og måten detonator-avfyringselementet brukes på innbefatter dens inkorporering i et sekvensielt sprengningssystem, som kan være utført generelt som angitt i den påfølgende beskrivelse. The function of the circuits 98 and 100, and the manner in which the detonator firing element is used, includes its incorporation into a sequential detonation system, which may be carried out generally as indicated in the following description.

Detonator-avfyringselement 92 innbefatter i dette eksempelet en første, indre elektrode 102 som er sirkulær i omkrets og en andre, ytre elektrode 104 som er anbragt konsentrisk i forhold til den indre elektroden, idet de to elektrodene definerer mellom dem et ringformet gap 106. Disse formene er kun ment som eksempel. Detonator firing element 92 includes in this example a first, inner electrode 102 which is circular in circumference and a second, outer electrode 104 which is arranged concentrically with respect to the inner electrode, the two electrodes defining between them an annular gap 106. These the forms are only intended as an example.

Transistorene 94 og 96 er felteffektanordninger. Transistoren 94 har sin sluk-elektrode forbundet med en positiv pol 108 til en elektrisk strømforsyning og dens kildeelektrode er forbundet med elektroden 102. Dens portelektrode er under styring av kretsen 100 Transistoren 96 på den andre siden har sin kildeelektrode forbundet med en negativ pol 110 til den elektriske strømforsyningen og med dens sluk er den forbundet med den indre elektroden 102. Portelektroden til anordning 96 er forbundet med kretsen 100. Den ytre elektroden 104 er også forbundet med polen 110. Transistors 94 and 96 are field effect devices. The transistor 94 has its drain electrode connected to a positive terminal 108 of an electrical power supply and its source electrode connected to the electrode 102. Its gate electrode is under the control of the circuit 100. The transistor 96 on the other hand has its source electrode connected to a negative terminal 110 to the electrical power supply and with its outlet it is connected to the inner electrode 102. The gate electrode of device 96 is connected to the circuit 100. The outer electrode 104 is also connected to the pole 110.

De to elektrodene 102 og 104 er dannet ved avsetning av et av de foretrukne materialene på toppen av et passiviseringssjikt til den integrerte kretsen. Det avsatte metallet blir så etset til ønsket form. The two electrodes 102 and 104 are formed by depositing one of the preferred materials on top of a passivation layer of the integrated circuit. The deposited metal is then etched into the desired shape.

Figur 9 viser montering av kretsen 90 i et hulrom 112 dannet i et hus 114. Stiften 116 lager gjennom en bunn i hulrommet inn i et nedre hulrom 118. Stiftene er forbundet med kretsen 90. På en analog måte med det allerede beskrevne er stiftene anvendt for å forsyne kretsen med strøm, for data og klokke-informasjon, svarinformasjon, data ut og data inn. Figure 9 shows the assembly of the circuit 90 in a cavity 112 formed in a housing 114. The pin 116 passes through a bottom in the cavity into a lower cavity 118. The pins are connected to the circuit 90. In an analogous way to what has already been described, the pins are used to supply the circuit with power, for data and clock information, response information, data out and data in.

Hulrommet 118 inneholder en lagerkondensator, ikke vist, som er forbundet med de av stiftene 116 som definerer polene 108 og 110 for tilførsel av energi til detonator-avfyringselementet 92. The cavity 118 contains a storage capacitor, not shown, which is connected to those of the pins 116 which define the poles 108 and 110 for supplying energy to the detonator firing element 92.

En innsats 120 er montert på huset 114. Innsatsen innbefatter en konisk utspaning 122, hvilken bunn avsluttes i en sylindrisk passasje 124 som strekker seg inn til og over elektroden 102 og 104. An insert 120 is mounted on the housing 114. The insert includes a conical recess 122, the bottom of which terminates in a cylindrical passage 124 which extends into and over the electrodes 102 and 104.

Et primært eksplosiv-materiale, slik som sølvazid, blyazid eller bly-styfnat er pakket inn i utspaning 122 og passasjen 124. Innsatsen 120 danner en kapsel og forsikrer at sprengstoffet er i begrenset kontakt med elektrodene. Innsatsen 120 er fortrinnsvis fremstilt av et elektrostatisk ledende plastmateriale for å redusere risken for at elektriske strøfelt tenner det primære sprengstoffmaterialet. Innsatsen er i fysisk og elektrisk kontakt med den ytre delen av huset 114 som er elektrisk jordet med egnet stift 116. A primary explosive material, such as silver azide, lead azide or lead styphnate is packed into the opening 122 and the passage 124. The insert 120 forms a capsule and ensures that the explosive is in limited contact with the electrodes. The insert 120 is preferably made of an electrostatically conductive plastic material to reduce the risk of stray electric fields igniting the primary explosive material. The insert is in physical and electrical contact with the outer part of the housing 114 which is electrically grounded with a suitable pin 116.

Komponenten vist på figur 9 er konstruert for å bli forbundet med et detonatorbeger som er fylt med egnet sprengstoff og som er festet til hus 114. Hus 114 er delvis satt inn i munningen til begeret med primær sprengstoff seg strekkende inn i begeret og med stiftene 116 ragende fra begeret. Begeret blir så krympet inn til et spor 126 i den ytre overflaten av huset 114 for å fastgjøre komponentene til hverandre. Et annet spor 128 anvendt for å låse en trådbunt til huset 114. Denne bunten med tråder bevirker elektriske forbindelser med de forskjellige stiftene 116. The component shown in Figure 9 is designed to be connected to a detonator cup which is filled with suitable explosive and which is attached to housing 114. Housing 114 is partially inserted into the mouth of the cup with primary explosive extending into the cup and with the pins 116 protruding from the cup. The cup is then crimped into a groove 126 in the outer surface of the housing 114 to secure the components together. Another slot 128 is used to lock a bundle of wires to the housing 114. This bundle of wires makes electrical connections with the various pins 116.

Flere anordninger vist på figur 9 er anordnet som beskrevet i et sekvensielt sprengningssystem i samsvar med kjent teknikk eller i samsvar med prosedyren beskrevet tidligere. Lagerkondensatoren i hulrommet 118 blir ladet ved hjelp av elektrisk primærkilde. Transistorene 94 og 96 er under styring av kretsen 100. Kretsen 98 og 100 er styrt av data som mates til detonatoren langs "data inn"-linjen. Egnede avfyringsforsinkelser kan bli programmert i kretsen. Several devices shown in Figure 9 are arranged as described in a sequential blasting system in accordance with known technology or in accordance with the procedure described previously. The storage capacitor in the cavity 118 is charged by means of an electrical primary source. Transistors 94 and 96 are under control of circuit 100. Circuit 98 and 100 are controlled by data fed to the detonator along the "data in" line. Suitable firing delays can be programmed into the circuit.

Detonator-avfyringselementet styres som følger. Under normale tilstander, dvs. i en ikke-armert tilstand blir transistoren 94 holdt sperret og transistor 96 er ledende. Idet den sistnevnte anordning er slått på (ledende) holdes elektrodene 102 og 104 ved samme potensial. Der er ikke noen potensialforskjell over elektrodene over det ringformede gapet 106 eller sagt på en annen måte, det elektrostatiske feltet over dette gapet er null. The detonator firing element is controlled as follows. Under normal conditions, i.e. in an unarmed condition, transistor 94 is kept off and transistor 96 is conducting. Since the latter device is switched on (conducting), the electrodes 102 and 104 are held at the same potential. There is no potential difference across the electrodes across the annular gap 106 or, in other words, the electrostatic field across this gap is zero.

Dersom transistoren 94 er slått på (ledende) og transistoren 96 er slått av (sperret) så genereres e potensialforskjell over gapet 106 som er lik f orsyningsspenningen til den elektriske kilden, dvs. spenningen til hvilken lagerkondensatoren i hulrommet 118 er ladet. If the transistor 94 is switched on (conducting) and the transistor 96 is switched off (blocked), then a potential difference is generated across the gap 106 which is equal to the supply voltage of the electrical source, i.e. the voltage to which the storage capacitor in the cavity 118 is charged.

Det elektriske feltet over gapet 106 betegner det følsom-gjorte primære sprengstoffet i utsparing 122 og passasjen 124 og sprengningen for den bestemte detonatoren er derfor også startet. The electric field across gap 106 denotes the sensitized primary explosive in recess 122 and passage 124 and the blast for the particular detonator is therefore also started.

Styrken på feltet som er generert på denne måten kan bli styrt ved å variere bredden på gapet 106 eller ved å endre den tilførte spenningen. For å aktivere mindre følsomt sprengstoff kan det tilførte potensialet over gapet bli øket ved bruk av en spenningsmultiplikator. Transistoren 94 kan være fremstilt med en "på-motstand" som er høyere enn den til transistor 96. Dette sikrer at anordning 96 må slåes av og anordning 94 må slåes på før spenningen over gapet 106 stiger til det ønskede nivået, dvs. nivået ved hvilket tenningen av det primære sprengstoffmaterialet finner sted. Dette sikkerhetstrekket sikrer at begge transistorene må bli operert riktig før en sprengning finner sted. The strength of the field thus generated can be controlled by varying the width of the gap 106 or by changing the applied voltage. To activate less sensitive explosives, the applied potential across the gap can be increased by using a voltage multiplier. Transistor 94 can be made with an "on resistance" that is higher than that of transistor 96. This ensures that device 96 must be turned off and device 94 must be turned on before the voltage across gap 106 rises to the desired level, i.e. the level at during which the ignition of the primary explosive material takes place. This safety feature ensures that both transistors must be operated correctly before a blowout takes place.

Metoden beskrevet i forbindelse med figurene 8 og 9 gir fordelen med avsetning av spesialiserte metaller slik som wolfram (W) eller nikkelkrom (NiCr) blir unngått. Transistorene 94 og 96 kan også bli gjort relativt små siden de ikke er anvendt for bryting av store strømmer, men er kun anvendt for å styre tilførselen av spenningen over gapet 106. Figurene 10 til 17 angår ytterligere utførelsesformer av oppfinnelsen. Figurene 10 og 11 viser et detonator-avfyringselement 210 i form av et silisium-mikrochip som innbefatter et silisiumsubstrat 212 dekket av et tynt sjikt 214 av et egnet passiverende material slik som silisium-dioksyd. Et vindu 216 er dannet i det passiverende sjiktet 214 for å frigjøre en energi-utløsningsanordning i form av et element eller et ledd 218 fremstilt av et foretrukket materiale. Leddet 218 er avsatt på substratet 212 ved hjelp av konvensjonell avsetningsteknikk og har en innsnevret del 220 som er lokalisert i det vesentlige sentralt i vinduet 216. Et primaersprengstoff-materiale 222 er festet med adhesiv til, eller presset mot passiviseringssjiktet 214 og dekker vinduet 216 som skal være i kontakt med ledd 218. Tennladning 222 er ikke vist på figur 11 for tydelighetens skyld. The method described in connection with figures 8 and 9 gives the advantage that the deposition of specialized metals such as tungsten (W) or nickel chromium (NiCr) is avoided. The transistors 94 and 96 can also be made relatively small since they are not used for breaking large currents, but are only used to control the supply of the voltage across the gap 106. Figures 10 to 17 relate to further embodiments of the invention. Figures 10 and 11 show a detonator firing element 210 in the form of a silicon microchip which includes a silicon substrate 212 covered by a thin layer 214 of a suitable passivating material such as silicon dioxide. A window 216 is formed in the passivating layer 214 to release an energy release device in the form of an element or joint 218 made of a preferred material. The link 218 is deposited on the substrate 212 using conventional deposition techniques and has a constricted portion 220 which is located substantially centrally in the window 216. A primary explosive material 222 is adhesively attached to, or pressed against, the passivation layer 214 and covers the window 216 which must be in contact with joint 218. Ignition charge 222 is not shown in Figure 11 for the sake of clarity.

Ved visse anvendelser er vinduet 216 ikke vesentlig, og ladning 222 er montert direkte på passiviseringssjiktet i tett nærhet til leddet 218 for å bli tent av leddet 218 enten ved smelting eller oppvarming til en tilstrekkelig høy temperatur ved gjennomgang av elektrisk strøm. In certain applications, window 216 is not essential and charge 222 is mounted directly on the passivation layer in close proximity to link 218 to be ignited by link 218 either by melting or heating to a sufficiently high temperature by passage of electric current.

Ladningen 222 kan være fremstilt av bly-styfnat med en liten prosentdel av bindemiddel eller adhesjonsfremmer tillagt dertil før dets påføring på substratet 212 for å øke adhesjo-nen til passiviseringssjiktet 214. Charge 222 may be made of lead styphnate with a small percentage of binder or adhesion promoter added thereto prior to its application to substrate 212 to increase adhesion to passivation layer 214.

Leddet 218 aktiverer ladningen 222 enten ved smelting eller den kan understøtte en tilstrekkelig høy temperatur på grunn av motstandsoppvarming for å tenne ladning 222 mens den fremdeles forblir intakt. The joint 218 activates the charge 222 either by melting or it can sustain a sufficiently high temperature due to resistance heating to ignite the charge 222 while it still remains intact.

Figurene 12A, 12B og 12C viser tre ytterligere utførelsesfor-mer av et detonator-avfyringselement 225 som innbefatter et silisiumsubstrat 227, til hvilket er adhesivt festet en aktiveringsinnretning innbefattende et metall, eller ledende sjikt 226 og et eksotermisk eller oksydiserende sjikt 228 i forskjellige sammenstillinger. Figures 12A, 12B and 12C show three further embodiments of a detonator firing element 225 which includes a silicon substrate 227, to which is adhesively attached an activation device including a metal, or conductive layer 226 and an exothermic or oxidizing layer 228 in various configurations.

På figur 12A er et sjikt 224 av dielektrisk materiale adhesivt festet til eller dyrket på overflaten til silisiumsubstratet 227. Et sjikt 226 til et foretrukket materiale, blir påført toppen av sjiktet 224 til dielektrisk materiale. Et eksotermisk eller oksyderende sjikt 228 blir så påført toppen av sjiktet 226. Sjiktet 228 kan være et polyimid som inneholder en oksydiserende sammensetning, slik som kalium-klorat eller et pyroteknisk medium som reagerer med sjikt 226. In Figure 12A, a layer 224 of dielectric material is adhesively attached to or grown on the surface of the silicon substrate 227. A layer 226 of a preferred material is applied on top of the layer 224 of dielectric material. An exothermic or oxidizing layer 228 is then applied on top of the layer 226. The layer 228 may be a polyimide containing an oxidizing composition, such as potassium chlorate or a pyrotechnic medium that reacts with the layer 226.

På figur 12B er det eksotermiske eller oksyderende sjiktet 228 påført overflaten til silisiumsubstratet 212, og sjiktet 226 er påført toppen av sjiktet 228. In Figure 12B, the exothermic or oxidizing layer 228 is applied to the surface of the silicon substrate 212, and the layer 226 is applied on top of the layer 228.

På figur 12C er sjiktet 226 lagt i lag mellom to eksotermiske eller oksydiserende sjikt 228. In Figure 12C, the layer 226 is layered between two exothermic or oxidizing layers 228.

Utførelsesformene på figur 12 angår driften ved det faktum at en eksotermisk reaksjon blir startet mellom sjiktet 226 og det eksotermiske eller oksydiserende sjiktet 228 umiddelbart over og/eller under sjiktet 226. Den eksotermiske reaksjonen blir bevirket av motstandsoppvarming av sjiktet 226 på grunn av gjennomgang av elektrisk strøm. Den primære sprengstoff-ladningen (ikke vist) reagerer på og blir tent av den eksotermiske reaksjonen. The embodiments of Figure 12 relate to operation by the fact that an exothermic reaction is initiated between the layer 226 and the exothermic or oxidizing layer 228 immediately above and/or below the layer 226. The exothermic reaction is effected by resistance heating of the layer 226 due to passage of electrical current. The primary explosive charge (not shown) reacts to and is ignited by the exothermic reaction.

Oksyderingssjiktet 228 er avsatt i løpet av fremstillingspro-sessen av detonator-avfyringselementet 210. En fordel ved disse utførelsesformene er at avsetningen av primærspreng-stoffet ikke nødvendigvis må ha en god.kontakt jevnt over det aktive arealet til detonator-avfyringselementet 200. Produksjonsspredninger kan således bli tolererte i løpet av sprengstoffavsetningen. Passiveringen av detonator-avfyringselementet 210 kan også bli bevirket for å redusere levetidsvariasjoner. Materialene anvendt for passivering kan være polyimid eller oksyder avsatt ved lave temperaturer eller ved vakuum og også nitrider. The oxidation layer 228 is deposited during the manufacturing process of the detonator firing element 210. An advantage of these embodiments is that the deposition of the primary explosive does not necessarily have to have a good contact evenly over the active area of the detonator firing element 200. Production spreads can thus be tolerated during the explosive deposition. The passivation of the detonator firing element 210 may also be effected to reduce lifetime variations. The materials used for passivation can be polyimide or oxides deposited at low temperatures or by vacuum and also nitrides.

Figur 13 viser en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen hvori detonator-avfyringselementet 230 er i form av en elektronisk halvleder-anordning med et silisiumsubstrat 231. Figure 13 shows a further embodiment of the invention in which the detonator firing element 230 is in the form of an electronic semiconductor device with a silicon substrate 231.

En energi-utløsningsanordning 232 innbefatter en motstandsdel til en elektrisk krets, og er tilveiebragt ved hjelp av en del av en diffundert, en ione-innpodet eller et epitaksialt element dannet i eller på silisiumsubstratet 231. Metall-leddene 234, påført overflaten til silisiumsubstratet 231 i elektrisk kontakt med anordningen 232 er forbindbare med en drivkrets (ikke vist). Et passiviseringssjikt 236 er påført eller dyrket på toppen av metall-leddene 234 så vel som anordningen 232. An energy release device 232 includes a resistive part of an electric circuit, and is provided by means of a part of a diffused, an ion-implanted or an epitaxial element formed in or on the silicon substrate 231. The metal joints 234, applied to the surface of the silicon substrate 231 in electrical contact with the device 232 are connectable with a drive circuit (not shown). A passivation layer 236 is applied or grown on top of the metal links 234 as well as the device 232.

Energi-utløsningsanordningen 232 kan være et hvert kretsele-ment slik som en motstands, transistor eller et firesjikts diode. Det skal bemerkes at dersom anordningen er en zenerdiode eller en annen type aktive anordning kan energien generert derved bli fokusert nøyaktig. The energy release device 232 can be any circuit element such as a resistor, transistor or a four-layer diode. It should be noted that if the device is a zener diode or another type of active device, the energy generated thereby can be precisely focused.

Energi-utløsningsanordningen 232 kan være formet av et silisiumsjikt av P-typen, som er diffundert inn i et silisiumsubstrat 231 av overveiende N-typen for å tilveiebringe motstandsdelen til kretsen. Sjiktene med silisium av P-typen og silisium av N-typen kan naturligvis bli utskiftet. Mer energi kan bli utløst i en diffundert motstand før den brytes enn hva som er vanlig med konvensjonelt metalledd. Dette resulterer i fordelen å kunne ha en mye bedre forutsigbar tenning. Det er dessuten lett å endre motstandsdopingen for å forbedre elektrisk tilpasning til et nesten optimalt nivå og også størrelsen kan lett bli justert. Denne anordnings-typen er dessuten bedre egnet for kondensator-lagersystemet da all restenergi i en kondensator kan bli utløst i motstan-den . The energy release device 232 may be formed of a P-type silicon layer, which is diffused into a predominantly N-type silicon substrate 231 to provide the resistive portion of the circuit. The layers of P-type silicon and N-type silicon can of course be replaced. More energy can be released into a diffused resistor before it breaks than is common with conventional metal joints. This results in the advantage of being able to have a much better predictable ignition. Moreover, it is easy to change the resistor doping to improve electrical matching to a near-optimal level and also the size can be easily adjusted. This type of device is also better suited for the capacitor-storage system as all residual energy in a capacitor can be released in the resistor.

Figur 14 viser et detonator-avfyringselement 240 som er en elektronisk halvleder-anordning med et silisiumsubstrat 241. Et sjikt av dielektrisk materiale (ikke vist) kan bli påført silisiumsubstrat 241. En elektrisk felt genererende struktur i form av en kam eller en inn i hverandre flettet konstruksjon 242 blir påført silisiumsubstrat 241 eller det kan bli diffundert deri. Dette er klart en alternativ anordning til den vist på figur 8 og 9. En forbindelsesinnretning 244 er anordnet for forbindelse av kam-strukturen 242 med en drivkrets (ikke vist). Kam-strukturen 242 innbefatter flere ved avstand anbragte tilliggende grener 246 i området på 10 pm eller mindre. Figure 14 shows a detonator-firing element 240 which is an electronic semiconductor device with a silicon substrate 241. A layer of dielectric material (not shown) may be applied to the silicon substrate 241. An electric field generating structure in the form of a comb or an interlocking braided structure 242 is applied to silicon substrate 241 or it may be diffused therein. This is clearly an alternative device to that shown in Figures 8 and 9. A connection device 244 is provided for connection of the cam structure 242 with a drive circuit (not shown). The comb structure 242 includes several spaced adjacent branches 246 in the range of 10 µm or less.

Konstruksjonen 242 muliggjør opprettholdelse av et svært høyt elektrisk felt jevnt over et utstrakt område. Tennladningen (ikke vist) er avsatt direkte på toppen av konstruksjonen 242. Tennladningen er blandet eller forbundet med finmalt grafitt eller med en organisk halvleder-følsomhetsfremmer så vel som et bindemiddel. Direkte kontakt mellom tennladningen og metallkonstruksjonen 242 bevirker at tennladningen oppvarmes i det indre som derved bevirker tenningen. Tennladningen kan alternativt ha en komponent, slik som et organisk halvleder-suspendert med et oksyderende middel som reagerer . kjemisk ved tilstedeværelsen av et egnet høyt elektrisk felt i en eksotermisk reaksjon. I dette henseendet kan anordningen bli operert mellom et par volt og tilnærmet lkV og en grensestrøm i størrelsesorden av pico-amper kan bli realisert. The construction 242 enables the maintenance of a very high electric field uniformly over an extended area. The ignition charge (not shown) is deposited directly on top of the structure 242. The ignition charge is mixed or bonded with finely ground graphite or with an organic semiconductor sensitizer as well as a binder. Direct contact between the ignition charge and the metal structure 242 causes the ignition charge to heat up in the interior, which thereby causes the ignition. Alternatively, the ignition charge may have a component, such as an organic semiconductor suspended with an oxidizing agent which reacts. chemically in the presence of a suitable high electric field in an exothermic reaction. In this respect, the device can be operated between a few volts and approximately lkV and a limit current in the order of pico-amperes can be realized.

På figur 15 er vist et detonator-avfyringselement 25 som innbefatter en elektronisk halvlederanordning med et silisiumsubstrat 251 til hvilket er tilført, eller i hvilket er diffundert en ladningsinduserende struktur. Den ladningsinduserende strukturen innbefatter en par med avstand anbragte tann-lignende strukturer 252 og 254. Strukturen 252 innbefatter et par med avstand anbragte tenner 256. Strukturen 254 innbefatter likeledes et par med avstand anbragte tenner 258. Tennene 256 og 258 er innrettet med avstand fra hverandre for å tilveiebringe et par med utladningsgap 260. Strukturene 252 og 254 har hver en forbindelsesinnretning 262 og 264, henholdsvis, for forbindelse med en drivkrets (ikke vist). Tennene 256 og 258 er anvendt for å konsentrere et elektrisk felt i gapene 260. Ved elektriske felt som er større enn 5 V/pm kan utladningen finne sted mellom tennene 256 og 258. Så snart utladningen er begynt vil den fortsette inntil den elektriske energien er redusert eller inntil erosjon foregår av tennene 256 og 258, eller ødeleggelse av krystallgitteret har foregått, og inntil feltet har blitt for lite til å kunne opprettholde utladningen. Figure 15 shows a detonator firing element 25 which includes an electronic semiconductor device with a silicon substrate 251 to which a charge inducing structure is added or diffused. The charge inducing structure includes a pair of spaced tooth-like structures 252 and 254. The structure 252 includes a pair of spaced teeth 256. The structure 254 also includes a pair of spaced teeth 258. The teeth 256 and 258 are spaced apart to provide a pair of discharge gaps 260. Structures 252 and 254 each have a connector 262 and 264, respectively, for connection to a drive circuit (not shown). The teeth 256 and 258 are used to concentrate an electric field in the gaps 260. At electric fields greater than 5 V/pm, the discharge can take place between the teeth 256 and 258. Once the discharge has begun, it will continue until the electrical energy is reduced or until erosion takes place of the teeth 256 and 258, or destruction of the crystal lattice has taken place, and until the field has become too small to sustain the discharge.

Et primært sprengstoff (ikke vist) kan bli tent direkte ved utladningen mellom tennene 256 og 258, indirekte ved hjelp av en eksotermisk kjemisk reaksjon med et sjikt som er i kontakt med den utladningsinduserende strukturen. A primary explosive (not shown) may be ignited directly by the discharge between teeth 256 and 258, indirectly by means of an exothermic chemical reaction with a layer in contact with the discharge inducing structure.

Det er en fordel ved denne utførelsesformen at det blir tilveiebragt en veldefinert terskel som en funksjon av mellomrommet mellom tennene 256 og 258 og at terskelspenning kan varieres mellom et par volt og omkring 1 kV. It is an advantage of this embodiment that a well-defined threshold is provided as a function of the space between the teeth 256 and 258 and that the threshold voltage can be varied between a couple of volts and about 1 kV.

Figur 16 viser et detonator-avfyringselement 270 som innbefatter en lysgenererende mikrochip 272 av N-typen med et sjikt 272A av P-typen til hvilke er påført et primær-sprengstoff. Sprengstoff 274 reagerer på lys generert av mikrochipen 272 som kan være en compound-halvleder laser eller en lysemitterende anordning eller annen egnet lysgenererende innretning, for eksempel en konvensjonell halvleder-anordning som frembringer lys fra plasmaeffekter. Figure 16 shows a detonator firing element 270 which includes an N-type light generating microchip 272 with a P-type layer 272A to which is applied a primary explosive. Explosive 274 reacts to light generated by the microchip 272 which may be a compound semiconductor laser or a light emitting device or other suitable light generating device, for example a conventional semiconductor device that produces light from plasma effects.

Dersom den lysgenererende mikrochipen 272 er en laser kan tilstrekkelig høy energitetthet bli tilveiebragt for å starte ladningen 274 direkte. Dersom mikrochipen 272 sender ut en belysning av lavere intensitet kan en optisk følsom pyroteknisk blanding bli anvendt for ladningen 274. If the light-generating microchip 272 is a laser, sufficiently high energy density can be provided to start the charge 274 directly. If the microchip 272 emits an illumination of lower intensity, an optically sensitive pyrotechnic mixture can be used for the charge 274.

Figur 17 viser en annen pakkeanordning av et detonator-avfyringselement for å frembringe en detonator. Detonator-avfyringselementet er montert på en metall blyramme 276 som igjen er montert på en detonatorkapsel 278. En basisladning 280 er anordnet i ene enden av detonatorkapselen 278. Basisladningen 280 kan være av et sprengstoffmateriale av for eksempel typen PETN. En tennladning 282 av et egnet sprengstof fmateriale slik som en 4 : 1 blanding av blyazid og blystyfnat er anordnet tilliggende basisladningen 280. Tenningsladningen 282 er anbragt i tett nærhet til et primærsprengstoff 222, 274 av en av detonator-avfyringselementene beskrevet tidligere og betegnet med henvisningstall 300. Tennladningen 282 er anbragt 1 posisjon ved hjelp av et lokaliseringsdeksel 284. Figure 17 shows another packing arrangement of a detonator firing element for producing a detonator. The detonator firing element is mounted on a metal lead frame 276 which is in turn mounted on a detonator capsule 278. A base charge 280 is arranged at one end of the detonator capsule 278. The base charge 280 can be of an explosive material of, for example, the PETN type. An ignition charge 282 of a suitable explosive material such as a 4:1 mixture of lead azide and lead styphnate is arranged adjacent to the base charge 280. The ignition charge 282 is placed in close proximity to a primary explosive 222, 274 of one of the detonator firing elements described earlier and denoted by reference numbers 300. The ignition charge 282 is placed in position 1 by means of a locating cover 284.

Metall-blyrammen 276 som bærer detonator-avfyringselementet 300 går gjennom en egnet plugg 286 som tettende lukker en ende av kapselen 278 motsatt dens ende inn i hvilken basisladningen 280 er anbragt. Pluggen 286 tjenere videre til å opprettholde blyrammen i posisjon. Blyrammen 276 gir elektriske ledere for sending av elektrisk signal til detonator-avfyringselementet 300. The metal-lead frame 276 carrying the detonator firing element 300 passes through a suitable plug 286 which seals one end of the capsule 278 opposite its end into which the base charge 280 is placed. The plug 286 further serves to maintain the lead frame in position. The lead frame 276 provides electrical conductors for sending an electrical signal to the detonator firing element 300.

Detonator-avfyringselementet 300 utgjør fortrinnsvis styrekretsen (ikke vist), av den art vist på figurene 3 og 6' for å styre tenningen av primærsprengstof fet 222, 274, som er dannet i silisiumsubstratet til detonator-avfyringselementet 300 ved anvendelse konvensjonell mikro-elektroteknikk. Et sikkerhetsledd 301, isolert fra tennladningen 222, 274, og som kortslutter styreledningene til blyrammen 276 er inkorporert av sikkerhetsgrunner. The detonator-firing element 300 preferably constitutes the control circuit (not shown), of the kind shown in Figures 3 and 6' for controlling the ignition of primary explosive fat 222, 274, which is formed in the silicon substrate of the detonator-firing element 300 using conventional micro-electrical engineering. A safety link 301, isolated from the ignition charge 222, 274, and which short-circuits the control leads to the lead frame 276 is incorporated for safety reasons.

Aktivering av energiutløsningsanordningen, f.eks. zirkonium-leddet 218 vist på figur 10, bevirker en energiutløsning som aktiverer ladningen 222, 274 som derpå tenner tennladning 282 som igjen tenner basisladningen 280 som setter i gang eksplosjonen ment tent av detonatoren. Activation of the energy release device, e.g. the zirconium link 218 shown in Figure 10 causes an energy release which activates the charge 222, 274 which then ignites the ignition charge 282 which in turn ignites the base charge 280 which initiates the explosion intended to be ignited by the detonator.

Det er klart at prinsippene med oppfinnelsen kan bli uttrykt ved forskjellige utførelsesformer, av hvilke innbefatter en miniatyrisert energi-utløsningsanordning dannet i kombinasjon med en integrert krets. Denne anordningen muliggjør utføring av styrefunksjoner med iboende pålitelighet og feilsikker-hetsoperasjon på en billig måte. It is clear that the principles of the invention may be expressed by various embodiments, which include a miniaturized energy release device formed in combination with an integrated circuit. This device enables the performance of control functions with inherent reliability and fail-safe operation in an inexpensive manner.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet med henvisning til tenn-sprengstoff av fast-stoff typen. Som angitt ved den prinsi-pielle beskrivelsen av oppfinnelsen kan denne bli anvendt i kombinasjon med en vaeskeformet eller gassformet tennspreng-stoff. Detonator-avfyringselementet for dette eksempelet er fortrinnsvis av den art som er basert på bruk av smeltbart ledd eller en høyspenningsutladning. Det smeltbare leddet, når det smelter, sprer glødende fragmenter av leddet inn i det væskeformede eller gassformede tennsprengstoffet som sikrer en riktig detonering. Riktig tenning blir også tilveiebragt med en høy spenningsutladning. I løpet av sammensetningen av detonator-avfyringselementet er det tettet i en beholder slik som beger 72 på figur 5 som kan inneholde vaeskeformet eller gassformet tennsprengstof f. Problemet med avsetning av sprengstoffet på detonator-avfyringselementet blir derved unngått. The invention has been described with reference to incendiary explosives of the solid type. As stated in the principle description of the invention, this can be used in combination with a liquid or gaseous incendiary. The detonator firing element for this example is preferably of the type based on the use of a fusible link or a high voltage discharge. The fusible link, when it melts, disperses glowing fragments of the link into the liquid or gaseous incendiary explosive which ensures proper detonation. Proper ignition is also provided with a high voltage discharge. During the composition of the detonator-firing element, it is sealed in a container such as cup 72 in figure 5 which can contain liquid or gaseous detonator f. The problem of depositing the explosive on the detonator-firing element is thereby avoided.

Detonatoren ifølge oppfinnelsen og detonator-avfyringselementet kan bli anvendt i forbindelse med ethvert sprengstoff, enten for militær bruk, for gruvebruk eller annen bruk. The detonator according to the invention and the detonator firing element can be used in connection with any explosive, either for military use, for mining use or other use.

Det foreslåtte systemet bruker integrasjon i stor målestokk på en lav-effekt digitalprosess som innbefatter en laveffekt energiutløsende innretning og overspenningsbeskyttelses-innretning for å tilveiebringe et høyt intelligent detonator-chip. Denne enkle chip-løsningspakken i et billig hus med en billig kondensator gir en detonator som kan bli strømforsynt for en brukbar tid fra den billige kondensatoren i tilfellet av at ledningene blir ødelagt av flyvesten. The proposed system uses large-scale integration of a low-power digital process that includes a low-power energy release device and surge protection device to provide a highly intelligent detonator chip. This simple chip solution package in a cheap housing with a cheap capacitor provides a detonator that can be powered for a useful time from the cheap capacitor in the event the wires are destroyed by the flight vest.

Kretstettheten mulig på VLSI-kretser blir så anvendt for å tilveiebringe toveis-kommunikasjon til og fra styredata-maskinen. Bruken av en normal datamaskin og kommunikasjoner med høy pålitelighet resulterer i et system som kan bli hurtig tilrettelagt for å passe individuelle brukerkrav. The circuit density possible on VLSI circuits is then used to provide two-way communication to and from the control computer. The use of a normal computer and high reliability communications results in a system that can be quickly adapted to suit individual user requirements.

Varme steder, dvs. energi-utløsningsanordninger, vil bli konstruert for å passe i en standard posisjon på alle chipsene og standard pakketeknikk vil anvendes. Detonatoren kan således bli kundespesifisert ved å bruke på forhånd bestemte vanlige komponenter. Dette utgjør bruk av en teknikk utviklet for halvleder integrerte kretskonstruksjoner for konstruksjon av kundespesifiserte detonator. Hot spots, ie energy release devices, will be designed to fit in a standard position on all the chips and standard packaging techniques will be used. The detonator can thus be customer-specified by using predetermined common components. This constitutes the use of a technique developed for semiconductor integrated circuit designs for the construction of customer-specified detonators.

Konseptet er slik at for ethvert bestemt system anvendelse kan et lavenergi-varmepunkt bli byttet med et annet med minimal innvirkning på noen av de andre systemmodulene. Energi-utløsningsanordninger slik som halvleder-forbindelser, elektriske feltgeneratorer og lysgeneratorer kan bli erstat-tet med det varme punktet. The concept is that for any particular system application, one low-energy hot spot can be swapped for another with minimal impact on any of the other system modules. Energy release devices such as semiconductor connections, electric field generators and light generators can be replaced with the hot spot.

Claims

1. Detonator firing element including at least one energy-releasing device (12,90,225) which is placed on or in a substrate (10,20,212) in which an integrated electronic circuit and an explosive (60,222) adjacent to the energy-releasing device are manufactured , which upon activation ignites the explosive by means of the energy-releasing device, characterized by a passivation layer (34,212,236) between at least a part of the substrate (10,20,212) and at least a part of the explosive (60,222).

2. Element According to claim 1, characterized in that the passivation layer extends over the entire energy-releasing device.

3. Element according to claim 1 or 2, characterized in that it includes several energy release devices.

4. Element according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the energy release device (12) is a resistance element on a surface of a substrate or in the substrate itself (10), the resistance element being formed from at least one of the following materials: nickel chrome, tungsten, aluminium, zirconium, polysilicon and metallic silicon compounds, or by a diffused or implanted resistance.

5. Element according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the energy release device is a semiconductor element (225) including at least one of the following elements: a transistor, a field effect transistor, a four-layer device, a zener diode, and a light emitting diode.

6. Element according to claim 1, 2 or 3, character characterized in that the energy release device is a field effect element (90) comprising two spaced apart electrodes (102; 104) on the substrate, a voltage being applied across the electrodes when used thereby to generate an electric field of high intensity or discharge between the electrodes.

7. Element according to claim 6, characterized in that it includes a field sensor device which reacts to the presence of an electric field of high intensity to ignite the explosive (60, 222).

8. Element according to claim 1, 2 or 3 in combination with a container (72), characterized in that the explosive is liquid or gaseous and is placed in a sealed container together with the detonator firing element.

9. Element according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the explosive (60, 222) is additively attached to at least one surface of the substrate (20, 212) or the passivation layer, and an adhesion-promoting agent is used to improve the bond between the explosive and the substrate surface .

10. Element according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the substrate (10, 20, 212) forms an electronic semiconductor device including an integrated circuit for controlling the action of the detonator firing element.

11. Element according to claim 10, characterized in that the electronic semiconductor device includes an overvoltage protection device (30) connected to the energy release device.

12. Element according to claim 10 or 11, characterized in that the electronic semiconductor device includes a switch device (14) connected to the energy release device to provide protection against induced electric currents and precise control of the ignition of the explosive.

13. Element according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the energy release device is designed in one with the electronic semiconductor device.

14. Element according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the integrated electronic circuit includes bidirectional communication devices.

15. Detonator including a housing (72), and characterized in that a detonator firing element according to one of claims 10 to 11 is mounted in the housing (72), together with an explosive material which is arranged to be ignited by the explosive.

16. Detonator according to claim 15, characterized in that it includes an energy storage device (84) for supplying electrical energy to the energy release device and to the integrated circuit.

17. Sequential blasting system (figure 7) characterized in that it includes several detonators (74) according to claim 15 or 16 which are connected together, and a device (92, 96) for controlling the firing of individual detonators.

18. System according to claim 17, characterized in that the integrated electronic circuit of each respective firing element includes a communication device (44), which responds to a signal from respective firing control devices (92,96) to send a signal regarding the status of the electronic semiconductor device of the firing control element.

19. System according to claim 18 where several detonator-firing elements are connected in series (Fig. 7) and characterized by a termination unit (90) connected at one end to the series-connected detonators, the communication devices of the respective detonator-firing elements successively sending their respective status signals to respective firing control devices and wherein the termination unit (90) sends a signal to the firing control device to identify the end of the series-connected detonators.