SE468297B - Detonator-firing element - Google Patents

Detonator-firing element

Info

Publication number
SE468297B
SE468297B SE8704574A SE8704574A SE468297B SE 468297 B SE468297 B SE 468297B SE 8704574 A SE8704574 A SE 8704574A SE 8704574 A SE8704574 A SE 8704574A SE 468297 B SE468297 B SE 468297B
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
detonator
explosive
firing element
detonator firing
energy
Prior art date
Application number
SE8704574A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE8704574D0 (en
SE8704574L (en
Inventor
V E Patz
Original Assignee
Expert Explosives Pty Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=25578414&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=SE468297(B) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Expert Explosives Pty Ltd filed Critical Expert Explosives Pty Ltd
Publication of SE8704574D0 publication Critical patent/SE8704574D0/en
Publication of SE8704574L publication Critical patent/SE8704574L/en
Publication of SE468297B publication Critical patent/SE468297B/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42AMMUNITION; BLASTING
    • F42CAMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C11/00Electric fuzes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42AMMUNITION; BLASTING
    • F42CAMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C19/00Details of fuzes
    • F42C19/08Primers; Detonators
    • F42C19/12Primers; Detonators electric

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Air Bags (AREA)

Abstract

Detonator-firing element which comprises a miniaturized energy-discharge arrangement 12; 102; 104; 225 positioned on a substrate 10 which forms part of an integrated electronic circuit. An explosive charge or pyrotechnic mixture 60; 222 is exposed to the effects of the energy discharge which is performed by the arrangement. The arrangement can be resistance-based, be formed by a semi- conductor or be a field effect arrangement. The integrated circuit comprises timing, test, control, communication and interlocking circuits so as to make possible individual or computer-controlled detonation systems. Protection 30; 14 against overvoltages and induced currents are provided. By using integrated circuits, power consumption is kept to a minimum and a detonator which comprises the firing element can be supplied with power for a considerable period of time by an energy storage arrangement, such as a capacitor 84.

Description

468 297 å energi, och som kännetecknas av att det innefattar ett passiviseringsskikt mellan åtminstone en del av substratet 'och minst en del av explosivämnet. 468 297 of energy, characterized in that it comprises a passivation layer between at least a part of the substrate and at least a part of the explosive.

Uppfinningen omfattar vidare en detonator innefattande en behàllare och där ett detonatoravfyringselement enligt upp- finningen är monterat i behållaren tillsammans med ett explosivt material, som är inrättat att initieras av sagda explosivämne.The invention further comprises a detonator comprising a container and wherein a detonator firing element according to the invention is mounted in the container together with an explosive material, which is arranged to be initiated by said explosive substance.

Slutligen omfattar uppfinningen ett seriesprängningssystem, vilket innefattar sammankopplade detonatorer enligt upp- finningen och organ för styrning av avfyrningen av individu- ella detonatorer.Finally, the invention comprises a series detonation system, which comprises interconnected detonators according to the invention and means for controlling the firing of individual detonators.

-Jämfört med andra sätt att angripa problemet avleds med avledningsanordningen en ytterst låg energikvantitet.-Compared with other ways of tackling the problem, an extremely low quantity of energy is diverted with the diverting device.

Substratet är företrädesvis lämpat för tillverkning av en kundanpassad, storskalig integrerad krets.The substrate is preferably suitable for the manufacture of a customized, large-scale integrated circuit.

Energiavledningsanordningen kan vara ett motståndselement eller kan vara utformad av en halvledaranordning eller kan vara en fälteffektanordning.The energy dissipation device may be a resistive element or may be formed by a semiconductor device or may be a field effect device.

I det första fallet kan energiavledningsanordningen vara utformad av ett motståndsskikt, som är utfällt på substra- tet. 3 468 297 En ström som bringas att passera genom motståndsskiktet or- sakar upphettning därav. Som ett exempel kan motstånds- skiktet vara utformat av minst ett av följande. vilka i det följande benâmnes "de föredragna materialen": kromnickel, guld. volfram, aluminium, zirkon, polysilikon, titan/volfram- blandning och metallkiselföreningar.In the first case, the energy dissipation device may be formed by a resistance layer, which is deposited on the substrate. 3 468 297 A current which is caused to pass through the resistance layer causes heating thereof. As an example, the resistance layer may be formed of at least one of the following. which are hereinafter referred to as "the preferred materials": chromium nickel, gold. tungsten, aluminum, zircon, polysilicon, titanium / tungsten mixture and metal silicon compounds.

Ett motståndselement kan också vara utformat t.ex. med hjälp av en diffusions- eller implanteringsteknik, och i det förra fallet kan t.ex. ett lager av P-typs kisel vara diffunderat in i ett övervägande N-typs kiselsubstrat för att åstad- komma motståndselementet. De P- och N-typs kiselskikten kan vara utbytta mot varandra. I det senare fallet kan jon- implanteringsteknik användas för att bilda motståndselementet.A resistance element can also be designed e.g. by means of a diffusion or implantation technique, and in the former case e.g. a layer of P-type silicon be diffused into a predominantly N-type silicon substrate to provide the resistive element. The P- and N-type silicon layers can be exchanged for each other. In the latter case, ion implantation techniques can be used to form the resistive element.

Motståndselementet kan vara utformat så att det avger värme då en elektrisk ström bringas att passera därigenom. I en variant av detta sätt att närma sig problemet är motstånds- elementet utformat så att det bildar en smâltbar förbindelse, som smältes då en ström av förutbestämd amplitud passerar igenom den. Nersmâltningen av förbindelsen friger sedan en förutbestämd kvantitet energi. Frigörandet av energin används för att initiera en primårsprängladdning. Ett antal för- bindelser kan anvândas på samma substrat för att öka sannolik- heten för initiering.The resistance element can be designed so that it emits heat when an electric current is caused to pass therethrough. In a variant of this way of approaching the problem, the resistance element is designed so as to form a fusible connection, which is melted when a current of predetermined amplitude passes through it. The digestion of the compound then releases a predetermined quantity of energy. The release of energy is used to initiate a primary explosive charge. A number of compounds can be used on the same substrate to increase the probability of initiation.

Förbindelsen eller förbindelserna har företrädesvis låg impedans. Detta är mycket viktigt av energitäthetsskäl. och i ett avseende kan det sägas att varje förbindelse mera exakt kan beskrivas som en ledare än som ett motstånd. I ett före- draget utförande år sålunda en smältbar förbindelse formad direkt i den normala förbindelsemetallen på substratet, d.v.s. på chipet utan behov av pålåggning av någon motstånds- förbindelse eller metall eller liknande, eventuellt i ett separat processteg. Chipet kan sålunda behandlas på normalt sätt och har förmåga att skapa en extremt hög energitåthet. En förbindelse av det slag som beskrivits behöver en speciell, omkopplare med mycket låg impedans. som normalt skulle behöva en stor kiselyta. Genom att utnyttja halvledargenombrotts- 468 297 *f fenomen och genom att driva omkopplaren vid en strömtät- hetsnivå, som normalt skulle vara katastrofal kan högströms- pulsen. som behövs för att smälta det utsatta stället med låg impedans, d.v.s. förbindelsen omkopplas på chipet med an- vändande av en relativt liten omkopplingskonstruktion. Detta är möjligt eftersom omkopplaren endast behöver arbeta en gång.The compound or compounds preferably have low impedance. This is very important for energy density reasons. and in one respect it can be said that each connection can be more accurately described as a conductor than as a resistor. Thus, in a preferred embodiment, a fusible compound formed directly in the normal bonding metal on the substrate, i.e. on the chip without the need to apply any resistor or metal or the like, possibly in a separate process step. The chip can thus be treated in a normal way and has the ability to create an extremely high energy density. A connection of the type described needs a special, very low impedance switch. which would normally need a large silicon surface. By utilizing the semiconductor breakthrough phenomenon and by operating the switch at a current density level which would normally be catastrophic, the high current pulse can. needed to melt the exposed site with low impedance, i.e. the connection is switched on the chip using a relatively small switch construction. This is possible because the switch only needs to work once.

Då man använder depositionsteknik för att bilda motstånds- elementet kan elementet avläggas i ett tunt skikt på substratet med en tjocklek på skiktet av t.ex. mellan 10 och 1000 nanometer. En mask kan användas för att bilda ett önskat mönster på motståndselementet och kontaktytor och överskjutande material kan etsas bort eller avlägsnas på annat lämpligt sätt. Motståndselementet. som är utformat på detta sätt, har mycket låg termisk massa och kan uppvärmas genom urladdningen av en minimial kvantitet av elektrisk energi.When using deposition techniques to form the resistive element, the element can be deposited in a thin layer on the substrate with a thickness of the layer of e.g. between 10 and 1000 nanometers. A mask can be used to form a desired pattern on the resistance element and contact surfaces and excess material can be etched away or removed in another suitable manner. The resistance element. which is designed in this way, has a very low thermal mass and can be heated by the discharge of a minimal quantity of electrical energy.

Energiavledningsanordningen kan såsom påpekats alternativt omfatta en halvledare. Lämpliga element är transistorer, fält- effekttransistorer eller likartade anordningar. fyrskikts- anordningar. zenerdioder, lysdioder, eller vilka som helst andra lämpliga element. som avger värme eller ljusenergi efter aktivering. vilket företrädesvis sker genom att en elektrisk ström får passera genom elementet. Energin kan av- ledas inom en snäv region mellan aktiva N- och P-regioner.As pointed out, the energy dissipation device may alternatively comprise a semiconductor. Suitable elements are transistors, field effect transistors or similar devices. four-layer devices. zener diodes, LEDs, or any other suitable element. which emits heat or light energy after activation. which preferably takes place by allowing an electric current to pass through the element. The energy can be diverted within a narrow region between active N and P regions.

Detta gör det möjligt att noggrannt koncentrera avgiven energi.This makes it possible to accurately concentrate the energy released.

Enligt en tredje variant av uppfinningen kan energi- avledningsanordningen vara ett fålteffektelement. Fälteffekt- elementet kan vara utformat av första och andra åtskilda elektroder på substratet, och omkopplingsorgan för påläggning av en elektrisk potential över elektroderna. På så sätt skapas ett högintensivt elektriskt fält mellan elektroderna.According to a third variant of the invention, the energy dissipation device can be a field effect element. The field effect element may be formed by first and second spaced apart electrodes on the substrate, and switching means for applying an electric potential across the electrodes. In this way, a high-intensity electric field is created between the electrodes.

Elektroderna kan vara metalliska eller utformade av vilken som helst av de föredragna materialen.The electrodes may be metallic or formed of any of the preferred materials.

Elektroderna kan vara väsentligen tvådimensionella i så motto f! 468 297 att de är utformade av ledarkroppar i plana skikt på sub- stratet; alternativt kan de vara tredimensionella så tillvida att de har utsträckning i tre ortogonala dimensioner.The electrodes can be substantially two-dimensional in that motto f! 468 297 that they are formed of conductor bodies in planar layers on the substrate; alternatively, they may be three-dimensional insofar as they extend to three orthogonal dimensions.

Elektroderna kan ha vilken som helst lämplig form.The electrodes may be of any suitable shape.

Elektroderna kan t.ex. bestå av åtskilda plattor, vilka är parallella med varandra. Elektroderna kan annars vara krökta, triangulära eller formade på vilket som helst sätt. I en form av uppfinningen är elektroderna formade som en kam eller dubbelkamkonstruktion.The electrodes can e.g. consist of separate plates, which are parallel to each other. The electrodes can otherwise be curved, triangular or shaped in any way. In one form of the invention, the electrodes are shaped as a cam or double cam structure.

I en form av uppfinningen omfattar elektroderna första och andra ledande kroppar, och den första kroppen är utformad med ett öppet centralt parti. vilket upptages av den andra kroppen. Kropparna bildar mellan sig en ringformad spalt över vilken potentialskillnaden alstras.In one form of the invention, the electrodes comprise first and second conductive bodies, and the first body is formed with an open central portion. which is absorbed by the other body. The bodies form an annular gap between them over which the potential difference is generated.

Elektroderna kan vara utformade på vilket som helst lämpligt sätt och är företrädesvis formade genom deponering av en av de föredragna materialen på ett dielektriskt oxidskikt på substratet. Materialet kan etsas till önskad form.The electrodes may be formed in any suitable manner and are preferably formed by depositing one of the preferred materials on a dielectric oxide layer on the substrate. The material can be etched to the desired shape.

Omkopplingsorganen kan innefatta första och andra omkopplings- anordningar med den första anordningen ansluten mellan de första och andra elektoderna och den andra anordningen an- sluten till den andra elektroden och till en pol i en elektrisk spånningskälla. och den första elektroden ansluten till den andra polen i den elektiska spånningskållan. I vilo- läge d.v.s då en explosion inte skall initieras är den första omkopplingsanordningen tillslagen och den andra omkopplings- anordningen år frånslagen. Detonatoravfyringselementet sätts då i funktion genom vridning av den första omkopplingsanord- ningen till från-läge och den andra omkopplingsanordningen till till-läge. På detta sätt påläggs den elektriska potentialen över elektroderna.The switching means may comprise first and second switching devices with the first device connected between the first and second electrodes and the second device connected to the second electrode and to a pole of an electrical voltage source. and the first electrode connected to the second pole of the electrical voltage source. In idle mode, i.e. when an explosion is not to be initiated, the first switching device is switched on and the second switching device is switched off. The detonator firing element is then put into operation by turning the first switching device to the off position and the second switching device to the on position. In this way, the electrical potential is applied across the electrodes.

En sprängladdning kan placeras i närheten av eller i direkt kontakt med energiavledningsanordningen, vilken efter att ha aktiverats initierar språngämnet genom avledning av energi. 468 297 Såsom påpekats orsakar avledningen av energi i de flesta fall av uppfinningen avgivande av värme och denna värme an- vänds för att initiera sprängämnet. det är emellertid möjligt att åstadkomma att energin avleds i form av ljus, varvid ljuset initierar sprängämnet.An explosive charge can be placed near or in direct contact with the energy dissipation device, which after being activated initiates the explosive by dissipating energy. As pointed out, in most cases of the invention the dissipation of energy causes the release of heat and this heat is used to initiate the explosive. however, it is possible to cause the energy to be dissipated in the form of light, the light initiating the explosive.

I den tredje varianten av uppfinningen, d.v.s. den som är baserad på användande av en fälteffektanordning. aktiveras sprängämnet av en elektrostatisk urladdning eller av ett högelektriskt fält.In the third variant of the invention, i.e. the one based on the use of a field effect device. the explosive is activated by an electrostatic discharge or by a high electric field.

Lämpliga sprängämnen år primärsprängâmnen såsom silverazid, bly- eller bariumstyfnat, kvicksilverfulminat och vilket som helst lämpligt sekundärsprängämne såsom RDX och HMX, en blandning av vilka som helst av föregående eller vilket som helst annat lämpligt. fast. flytande eller gasformat material med önskade karakteristika. Det explosiva materialet kan själv vara utformat att vara ledande genom tillsats av små mängder av ett ledande material, såsom grafit eller en organisk halv- ledare. På detta sätt kan det explosiva materialet upphettas direkt beroende på strömflöde som induceras däri. I fallet med en fälteffektanordning kan sprângämnet innefatta en komponent såsom en organisk halvledare, som uppbär ett oxideringsmedel, vilket reagerar kemiskt i närvaro av ett elektriskt fält med en exotermisk reaktion. Mera generellt kan det explosiva materialet i fälteffektanordningen innefatta en fält- sensibiliserande aktivator.Suitable explosives are primary explosives such as silver azide, lead or barium hardened, mercury fulminate and any suitable secondary explosive such as RDX and HMX, a mixture of any of the foregoing or any other suitable. fixed. liquid or gaseous material with desired characteristics. The explosive material itself may be designed to be conductive by the addition of small amounts of a conductive material, such as graphite or an organic semiconductor. In this way, the explosive material can be heated directly depending on the current flow induced therein. In the case of a field effect device, the explosive may comprise a component such as an organic semiconductor which carries an oxidizing agent which reacts chemically in the presence of an electric field with an exothermic reaction. More generally, the explosive material in the field effect device may comprise a field sensitizing activator.

Substratet kan utgöra del av ett halvledarelement. som inne- fattar integrerade kretsar för styrning av aktiveringen av detonatoravfyringselementet_ Detonatoravfyringselementet kan vara placerat på ytan av ett oxidskikt. som täcker den elektroniska anordningen, med lämpliga öppningar anordnade för att möjliggöra elektrisk kontakt med anordningen. Alternativt kan den vara placerad under oxidskiktet, med eller utan en öppning eller öppningar genom oxidskiktet. Det kan noteras att ett lock över detonatoravfyringselementet minskar dess känslighet. ”68 297 Sprängämnet är placerat i närheten av energiavlednings anord- ningen. Företrâdesvis häftas sprängämnet fast vid åtminstone en yta på substratet, så att det är i intim fysisk kontakt med substratet. Flytande eller gasformiga sprängämnen kan i synnerhet vara anordnade, t.ex. tillsammans med energi- avledningsanordningen i en avtätad behållare. På detta sätt sker effektiv energiöverföring mellan energiavlednings- anordning och sprängämne.The substrate may form part of a semiconductor device. which includes integrated circuits for controlling the activation of the detonator firing element. The detonator firing element may be located on the surface of an oxide layer. covering the electronic device, with suitable openings provided to enable electrical contact with the device. Alternatively, it may be located below the oxide layer, with or without an opening or openings through the oxide layer. It can be noted that a cover over the detonator firing element reduces its sensitivity. ”68 297 The explosive is located in the vicinity of the energy dissipation device. Preferably, the explosive is adhered to at least one surface of the substrate so that it is in intimate physical contact with the substrate. Liquid or gaseous explosives may in particular be provided, e.g. together with the energy dissipation device in a sealed container. In this way, efficient energy transfer takes place between the energy dissipation device and the explosive.

Kvaliteten på den fysiska kontakten mellan sprängämnet och substratet kan förbättras genom användande av en vid- häftningsbefrämjare. Denna förbättrar bindningen mellan sprängämnet och substratets yta. Sprângämnet kan deponeras i lösning eller som en flytande suspension. Adhesions- förbâttraren kan bestå av ett vätningsmedel. Ett bindemedel såsom PVC eller nitrolack kan tillföras lösningen eller suspensionen. Enheten får samtidigt mekanisk styrka vid användande av ett fast sprängämne.The quality of the physical contact between the explosive and 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 can be deposited in solution or as a liquid suspension. The adhesion promoter may consist of a wetting agent. A binder such as PVC or nitro lacquer can be added to the solution or suspension. At the same time, the unit gains mechanical strength when using a solid explosive.

Enheten sprängämne och detonatoravfyringselement kan vara be- lagt med ett lämpligt inert skyddstätningsmedel, såsom ett silikongummi.som häftar fast vid substratet,och då det härdar, drar samman sprängâmnet och substratet.The explosive unit and detonator firing element may be coated with a suitable inert protective sealant, such as a silicone rubber, which adheres to the substrate and, as it cures, contracts the explosive and the substrate.

Vid en form av uppfinningen är ett fönster anordnat i substratet med energiavledningsanordningen anordnad däri.In one form of the invention, a window is provided in the substrate with the energy dissipation device disposed therein.

Sprängämnet placeras då i fönstret i kontakt med energi- avledningsanordningen. Det påpekas emellertid att fönstret inte är väsentligt för uppfinningen och att det i vissa fall är tillräckligt om sprängämnet är placerat i nära kontakt med energiavledningsanordningen.The explosive is then placed in the window in contact with the energy dissipation device. It is pointed out, however, that the window is not essential to the invention and that in some cases it is sufficient if the explosive is placed in close contact with the energy dissipation device.

Sprângämnet kan alternativt vara flytande eller gasformigt och kan vara avtätat i en behållare tillsammans med energiavled- ningsanordningen. Detta förhindrar depositionsproblem för språngämnet.The explosive may alternatively be liquid or gaseous and may be sealed in a container together with the energy dissipation device. This prevents deposition problems for the explosive.

Styrkretsen som ingår i halvledaranordningen kan omfatta för- 468 297 8 definierade logiska byggblock för att erbjuda kundanpassade explosionsstyrsystem till låga utvecklingskostnader. Sådana byggblock kan t.ex. innefatta oscillatorer. räknare och timers. faslåsningskretsar för exakt tidgivning. kommunika- tionskretsar, förreglingskretsar, självtestande kretsar och elektromagnetiska interferensundertryckningskretsar.The control circuit included in the semiconductor device may comprise pre-defined logical building blocks to offer customized explosion control systems at low development costs. Such building blocks can e.g. include oscillators. counters and timers. phase locking circuits for precise timing. communication circuits, interlock circuits, self-testing circuits and electromagnetic interference suppression circuits.

Kombinationen av ett miniatyriserad detonatoravfyringselement av beskrivet slag och en integrerad elektronisk krets resulterar i att en komplex signalbehandling uppnås till låg kostnad och med en hög tillförlitlighetsfaktor. Överspånningsskyddsanordningar kan ingå för att skydda energi- avledningsanordningen mot oönskad initiering. Traditionellt har detonatoravfyringselement inte gjorts tillräckligt små eftersom en minskning i storlek leder till ökning i känslighet för läckspânningar eller -strömmar. Genom att använda en ut- gångspunkt med en integrerad krets och genom att anordna ett överspånningsskydd uppnås emellertid en hög grad av immunitet mot elektromagnetisk interferens. Skydds- arrangemanget kan dessutom innefatta omkopplingsorgan. som är anslutna till energiavledningsanordningen för att ge skydd mot inducerade elektriska strömmar.The combination of a miniaturized detonator firing element of the type described and an integrated electronic circuit results in a complex signal processing being achieved at low cost and with a high reliability factor. Overvoltage protection devices may be included to protect the energy dissipation device against unwanted initiation. Traditionally, detonator firing elements have not been made small enough as a decrease in size leads to an increase in sensitivity to leakage voltages or currents. However, by using a starting point with an integrated circuit and by arranging an overvoltage protection, a high degree of immunity to electromagnetic interference is achieved. The protective arrangement may also comprise switching means. which are connected to the energy dissipation device to provide protection against induced electric currents.

Ett detonatoravfyringselement av det beskrivna slaget kan levereras monterat i ett hölje, med explosivt material i höljet anordnat att initieras av initieringssprängämnet, som ovan nämns för att därigenom bilda en detonator.A detonator firing element of the type described can be delivered mounted in a housing, with explosive material in the housing arranged to be initiated by the initiating explosive, as mentioned above, to thereby form a detonator.

Organ finns anordnade för påläggande av elektrisk energi på energiavledningsanordningen och kretsarna. Detta organ kan innefatta en kondensator, vilken styrs av en tidkrets eller vilken annan elektrisk lagringsanordning som helst.Means are provided for applying electrical energy to the energy dissipation device and the circuits. This means may comprise a capacitor, which is controlled by a timing circuit or any other electrical storage device.

Energi kan erhållas från inkommande kraftmatarledningar och användas för att ladda energilagringsorgan, som kan omfatta förutnämnda kondensator. Detta ger backupkraft om trådarna som leder till detonatorerna skadas, t.ex. under -sprängnings- operationer. ml Q 468 297 Om man använder en kondensator med hög kapacitans finns det en ytterligare fördel i att kraftförsörjningen frânkopplas och överhörning och interferens minskar.Energy can be obtained from incoming power supply lines and used to charge energy storage means, which may comprise the aforementioned capacitor. This provides backup power if the wires leading to the detonators are damaged, e.g. during -blasting- operations. ml Q 468 297 If you use a high capacitance capacitor, there is an additional advantage that the power supply is disconnected and crosstalk and interference are reduced.

Energilagringskondensatorn och den ultralåga kraftkonsumtionen för energiavledningsanordningen, vilken bildar ett spräng- âmnesinitierande arbetspunkt. i kombination med användande av CMOS-teknik för att fabricera de integrerade kretsarna, medför låg kostnad och effektiv lösning av problemet att säkerställa detonering under stenkast vid sprängningsoperationerna.The energy storage capacitor and the ultra-low power consumption of the energy dissipation device, which forms an explosive initiating operating point. combined with the use of CMOS technology to fabricate the integrated circuits, low cost and efficient solution to the problem of ensuring detonation during stone throwing during blasting operations.

De höga impedanser som förknippas med lågeffektkretsar och den lokala energilagringen underlättar användande av lågpris- anslutningar, eftersom energilagringskondensatorn kan laddas över en relativt lång tidsperiod av flera sekunder.The high impedances associated with low power circuits and local energy storage facilitate the use of low cost connections, as the energy storage capacitor can be charged over a relatively long period of several seconds.

Uppfinningen omfattar också ett seriesprängsystem, som om- fattar ett antal detonatorer av det slag, som beskrivs, vilka är anslutna i serie och organ för att styra avfyringen av de individuella detonatorerna.The invention also comprises a series detonation system comprising a number of detonators of the type described which are connected in series and means for controlling the firing of the individual detonators.

Styrorganen kan vara anpassade för att inprogrammera en vald fördröjningsintervall i en tidskrets. som tillhör varje detonator. överspänningsskyddsanordningar kan vara anordnade mellan valda par av detonatorer. Detta ökar ytterligare immuniteten hos systemet mot inducerade spänningar eller strömmar.The control means may be adapted to program a selected delay interval in a time circuit. belonging to each detonator. surge protectors may be provided between selected pairs of detonators. This further increases the immunity of the system to induced voltages or currents.

Beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas med hänvisning till i bifogade ritningar visade exempel.Description of the drawings The invention will be described in more detail below with reference to examples shown in the accompanying drawings.

Figur 1 är en planvy av en integrerad elektronisk detonator innefattande ett motståndsbaserat detonatoravfyrings- element i enlighet med en form av uppfinningen. 468 297 /0 Figur 2 är ett tvärsnitt genom kretsen i figur 1, Figur 3 illustrerar ett utförande av en krets, som kan vara anordnad i varje detonator.Figure 1 is a plan view of an integrated electronic detonator comprising a resistance-based detonator firing element in accordance with one form of the invention. 468 297/0 Figure 2 is a cross-section through the circuit of Figure 1, Figure 3 illustrates an embodiment of a circuit which may be arranged in each detonator.

Figur 4 är en sidovy delvis i tvärsnitt, som illustrerar den fysiska sammansättningen av ett detonatoravfyringselement.Figure 4 is a side view, partly in cross section, illustrating the physical composition of a detonator firing element.

Figur 5 visar en detonator konstruerad i enlighet med uppfinningen, Figur S illustrerar en skyddsanordning använd vid ett seriesprängsystem i enlighet med uppfinningen, Figur 7 illustrerar ett seriesprängsystem i enlighet med uppfinningen, Figur 8 är en planvy av ett fâlteffektsbaserat detonator- avfyringselement, som ingår i en integrerad krets i enlighet med uppfinningen, Figur 9 visar från sidan och i tvärsnitt den fysiska upp- byggnaden av ett detonatoravfyringselement.Figure 5 shows a detonator constructed in accordance with the invention, Figure S illustrates a protection device used in a series detonation system in accordance with the invention, Figure 7 illustrates a series detonation system in accordance with the invention, Figure 8 is a plan view of a field effect based detonator firing element included in an integrated circuit in accordance with the invention, Figure 9 shows from the side and in cross section the physical structure of a detonator firing element.

Figur 10 âr en sidovy i tvärsnitt av ett detonator- avfyringselement i enlighet med en annan form av uppfinningen Figur 11 är en perspektivvy av detonatoravfyringselementet enligt figur 10 innan en primär sprângladdning har anslutits därtill.Figure 10 is a cross-sectional side view of a detonator firing element in accordance with another form of the invention. Figure 11 is a perspective view of the detonator firing element of Figure 10 before a primary explosive charge has been connected thereto.

Figur 12A, 128 och 12C är deltvärsnittsvyer från sidan av tre sammanhörande utföranden av detonatoravfyringselementet enligt uppfinningen, Figurerna 13 till 16 illustrerar andra utförande av uppfinningen, och Figur 1? är en tvärsnittsvy från sidan av en detonator I, 468 297 innefattande ett detonatoravfyringselement i enlighet med en variant av uppfinningen.Figures 12A, 128 and 12C are partial cross-sectional side views of three related embodiments of the detonator firing element according to the invention, Figures 13 to 16 illustrate other embodiments of the invention, and Figure 1? is a cross-sectional side view of a detonator I, 468 297 comprising a detonator firing element in accordance with a variant of the invention.

Beskrivning av föredragna utföranden Figur 1 illustrerar ovanifrån en integrerad- elektronisk detonator 10, som innefattar ett detonatoravfyringselement 12, en transistor 14, förbindelsekuddar 16. överspänningss- kyddskrets 18 och tids- och kommunikationskretsar 20.Description of Preferred Embodiments Figure 1 illustrates from above an integrated electronic detonator 10, which includes a detonator firing element 12, a transistor 14, connecting pads 16. surge protection circuit 18 and timing and communication circuits 20.

Detonatoravfyringselementet 12 är i själva verket en miniatyr- säkring med extremt låg termisk massa och den är utformad genom deponering av ett tunt skikt av motståndsmaterial, eller något annat av de föredragna materialen ovanpå ett passivt skikt av en integrerad krets. Tjockleken på motståndsskiktet år i storleken 10 till 1.000 nanometer. En mask användes på konventionellt sätt för att definiera mönstret på detonator- avfyringselementet och på kontaktytor som skall bibehållas och överflödigt material etsas sedan bort.The detonator firing element 12 is in fact a miniature fuse with extremely low thermal mass and it is formed by depositing a thin layer of resistive material, or some other of the preferred materials on top of a passive layer of an integrated circuit. The thickness of the resistive layer is in the range of 10 to 1,000 nanometers. A mask is used in a conventional manner to define the pattern on the detonator firing element and on contact surfaces to be maintained and excess material is then etched away.

Den integrerade kretsen på vilken detonatoravfyringselementet tillverkas visas i tvärsnitt i fig.2. I detta exempel är kretsen av CMOS-typ och dess konstruktion är väsentligen konventionell och därför berörs den inte närmare. Med hänvisning till figur 2 kan följande komponenter identifieras: Ett kiselskikt, av N-typ : referens 20 Odlad fâltoxid : referens 22, P-diffusionsregioner : referens 24.The integrated circuit on which the detonator firing element is manufactured is shown in cross section in Fig. 2. In this example, the circuit is of the CMOS type and its construction is substantially conventional and therefore it is not further discussed. With reference to Figure 2, the following components can be identified: A silicon layer, of N-type: reference 20 Cultured field oxide: reference 22, P-diffusion regions: reference 24.

Deponerad oxid : referens 28.Deposited oxide: reference 28.

Poly-silikonkoppling : referens 28.Polysilicon coupling: reference 28.

Tunn kopplingsoxid : referens 30, Aluminiumförbindelseskikt : referens 32.Thin coupling oxide: reference 30, Aluminum joint layer: reference 32.

Oxiderings- eller skrapskyddsskikt : referens 34, Detonatoravfyringselement: referens 12.Oxidation or scratch protection layer: reference 34, Detonator firing element: reference 12.

Transistorn 14 som visas i figur 1 är av fâlteffekttyp och de- finieras av områdena 24, kopplingen 28 och kopplingsoxiden 30. 468 297 M Aluminiumförbindelseskiktet 32 är anslutbart till förbindelse- kuddarna 16. se fig. 1, via kontaktöppningar i oxidskiktet 34.The transistor 14 shown in Figure 1 is of the field effect type and is defined by the areas 24, the coupling 28 and the coupling oxide 30. 468 297 M The aluminum connecting layer 32 is connectable to the connecting pads 16. see Fig. 1, via contact openings in the oxide layer 34.

Figur 3 illustrerar, väsentligen i blockform, detaljerna i den integrerade kretsen. som innefattar detonatoravfyrings- elementet. I figur 3 är detonatoravfyringselementet 12 illustrerat som ett motstånd i serie med fälteffekttransistorn 14. Två 16 volts zenerdioder 36 utformade i serie över komponenterna 12 och 14 är anslutna till kraftmatarledningar 38 och 40. Dessa dioder är avsedda att hindra lâckenergi från att aktivera detonatorn och är belägna under det av- satta oxidskiktet 26. Detta skikt är termiskt isolerande.Figure 3 illustrates, substantially in block form, the details of the integrated circuit. which includes the detonator firing element. In Figure 3, the detonator firing element 12 is illustrated as a resistor in series with the field effect transistor 14. Two 16 volt zener diodes 36 formed in series across the components 12 and 14 are connected to power supply lines 38 and 40. These diodes are intended to prevent leakage energy from activating the detonator and are located below the deposited oxide layer 26. This layer is thermally insulating.

Kretsen enligt figur 3 innefattar en oscillator 42 med en tid- kondensator 44. vilken är nedsänkt under detonatoravfyrings- elementet, en kommunikationskrets 44 vilken innefattar en faslåsningskrets som synkroniserar klockan, som finns på chipet och vilken år instabil, till en exakt dataklocka för att säkerställa exakt tidsanpassning av kretsen, och en tid- och förreglingskrets 46. Kretsen klockas av faslåsnings- kretsens referensklocka.The circuit of Figure 3 includes an oscillator 42 with a time capacitor 44, which is immersed below the detonator firing element, a communication circuit 44 which includes a phase locked circuit which synchronizes the clock, which is on the chip and which is unstable, to an accurate data clock to ensure exact timing of the circuit, and a timing and interlocking circuit 46. The circuit is clocked by the phase lock circuit reference clock.

Kretsen innefattar vidare en självtestmodul 48. vilken kontrollerar alla kretsfunktioner vid kraftuppbyggnaden.The circuit further comprises a self-test module 48. which controls all circuit functions during power generation.

Dioder 50 och motstånd 52 i ledningarna D (data i klockan), DI (dataingâng). R (svar). och DO (utdata). erbjuder statiskt skydd för CMOS kretsen.Diodes 50 and resistors 52 in the wires D (clock data), DI (data input). R (answer). and DO (output). offers static protection for the CMOS circuit.

Fålteffekttransistorn 14 är inrättad att styra urladdningen av elektrisk energi från en lagringskondensator 54 genom detonatoravfyringselementet 12. Lagringskondensatorn är relativt stor och utgör ej del av den integrerade kretsen utan år hellre en separat komponent.The field effect transistor 14 is arranged to control the discharge of electrical energy from a 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 rather a separate component.

Figur 4 visar komponenten 10 monterad i ett hölje 56, vilket är gjutet av ett lämpligt plastmaterial och innefattar en hålighet 58 i vilken komponenten 10 âr insatt. Återstoden av håligheten upptas av sprängâmne 60. Håligheten är avtätad med hjälp av ett format lock 62 av plastmaterial. Kontaktstift 64 'N /3 468 297 sträcker sig genom höljet 56 och är anslutna till komponenten med hjälp av ledningar 66. Komponenten 10 är placerad så att detonatoravfyringselementet 12 är vänt in mot håligheten 58 och står i kontakt med sprängämnet 60.Figure 4 shows the component 10 mounted in a housing 56, which is molded from a suitable plastic material and comprises a cavity 58 in which the component 10 is inserted. The remainder of the cavity is occupied by explosive 60. The cavity is sealed by means of a molded lid 62 of plastic material. Contact pins 64 'N / 3 468 297 extend through the housing 56 and are connected to the component by means of wires 66. The component 10 is positioned so that the detonator firing element 12 faces the cavity 58 and is in contact with the explosive 60.

Höljet 56 innefattar en andra hålighet 67, vilken upptas av lagringskondensatorn 54. som illustreras i figur 3. Höljet är utformat med ett första spår 58 i mitten och ett andra spår 70. vilket sträcker sig runt håligheten 67.The housing 56 includes a second cavity 67, which is occupied by the storage capacitor 54, illustrated in Figure 3. The housing is formed with a first groove 58 in the center and a second groove 70, which extends around the cavity 67.

Figur 5 visar höljet 56 anslutet till en detonatorhylsa 72 för att bilda en komplett detonator 74. Detonatorhylsan år fylld med ett lämpligt sprängämne och är fäst till höljet 56 genom att vara fastkrympt i en position 76 i spåret 68. Höljet 56 är orienterat så att håligheten 58 med dess sprängämnen sträcker sig in i detonatorhylsan.Figure 5 shows the housing 56 connected to a detonator sleeve 72 to form a complete detonator 74. The detonator sleeve is filled with a suitable explosive and is attached to the housing 56 by being crimped into a position 76 in the groove 68. The housing 56 is oriented so that the cavity 58 with its explosives extending into the detonator sleeve.

Ett kabelnät 78, som ger elektrisk kontakt med stiften 84 är anslutet till övre änden av höljet 56 och är fäst till höljet för att stå i kontakt med det övre spåret 70.A wiring harness 78 which provides electrical contact with the pins 84 is connected to the upper end of the housing 56 and is attached to the housing to communicate with the upper groove 70.

Figur S illustrerar en skyddsanordning 80. vilken användes tillsammans med ett antal detonatorer 74, som visas i figur 5.Figure 5 illustrates a protection device 80 which was used in conjunction with a number of detonators 74 shown in Figure 5.

Skyddsanordningen innefattar en snabb spânningsgenombrottsdiod 82. vilken är shuntad av en kondensator 84. som ger en låg impedansbana för högfrekvent störning.The protection device comprises a fast voltage breakthrough diode 82, which is shunted by a capacitor 84, which provides a low impedance path for high frequency interference.

Anordningen 80 har anslutningar som är identiska med dem som visas i figur 3 för komponenten 10. Sålunda har den två kraft- ledningsanslutningar 86, 88, vilka motsvarar anslutningarna 38 och 40 i anordningen 10 och D-, R-, D1- och Düanslutningar, som motsvarar på samma sätt märkta anslutningar i schemat enligt figur 3. Det bör noteras att anslutningarna D1 och 00 är direktanslutna och därför erbjuder en bana, som är transparent för signaler, som avges utefter datalinjen. D- och R-anslutningarna används inte på något sätt.The device 80 has connections identical to those shown in Figure 3 for the component 10. Thus, it has two power line connections 86, 88, which correspond to the connections 38 and 40 in the device 10 and D-, R-, D1- and Dü-connections, which correspond in the same way to marked connections in the diagram according to Figure 3. It should be noted that the connections D1 and 00 are directly connected and therefore offer a path which is transparent to signals emitted along the data line. The D and R connections are not used in any way.

Figur 7 illustrerar ett seriesprängsystem. som innefattar ett antal detonatorer 74 med skyddsanordningar 80 anslutna i valda 468 297 /1/ lägen mellan närliggande par av detonatorer. Detonatorernas ordningsföljd bestäms av en anordning 90. DO- och DI- anslutningarna i närliggande anordningar är sammankopplade för att erbjuda en prästkrageformad kedjeförbindelse längs systemet.Figure 7 illustrates a series blasting system. comprising a number of detonators 74 with protection devices 80 connected in selected 468 297/1 / positions between adjacent pairs of detonators. The order of the detonators is determined by a device 90. The DO and DI connections in adjacent devices are interconnected to provide a daisy-chain chain connection along the system.

Detonatorerna är fysiskt monterade i önskade lägen i enlighet med konventionell gruvteknik. I elektriskt brusbenägna om- givningar är antalet skyddsanordningar 80 större för att för- bättra i systemets störimmunitet.The detonators are physically mounted in desired positions in accordance with conventional mining technology. In electrically noise-prone environments, the number of protection devices 80 is larger to improve the system's interference immunity.

Seriesprängsystemet innefattar ett elektriskt gränsskikt 92, som matar kraft till detonatorerna och som översätter signal- protokoll mellan en konventionell kommunikationsförbindelse 94 från en styrdator 96 och detonatorsignalerna.The bursting system includes an electrical interface 92, which supplies power to the detonators and which translates signal protocols between a conventional communication link 94 from a control computer 96 and the detonator signals.

Det är önskvärt att testa en seriespränginstallation vid låg spänning med användande av fälttestenheter innan spräng- sekvensen verkligen initieras. Testet skall helst ske under energimatningsbetingelser där matningsspänningen ligger under 3 volt. vilket säkerställer att, i fall av felfunktion ingen av detonatoravfyringselementen kan upphettas tillräckligt för att orsaka detonation. Testsekvensen är utformad att indi- kera felaktiga enheter genom att ange ett nummer före deras inkoppling i sprängsystemet.It is desirable to test a series explosion installation at low voltage using field test units before the explosion sequence is actually initiated. The test should preferably take place under energy supply conditions 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 designed to indicate faulty units by entering a number before their connection to the blasting system.

Datorn används för att alstra fördröjningar för styrning av de önskade sprängsekvenserna. Det sätt på vilket fördröjnings- signalerna alstras är inte väsentligt för att förstå före- liggande uppfinning och de behandlas därför inte i beskrivningen.The computer is used to generate delays for controlling the desired burst sequences. The manner in which the delay signals are generated is not essential to understanding the present invention and is therefore not addressed in the specification.

Alla detonatorer 74 i systemet, som visas i figur 7. är identiska och ingen programmering av användaradresser är önsk- värd. För att tillåta de individuella detonatorerna att trots detta adresseras finns emellertid en klarsignal innesluten i kommunikationsschemat. Detta tillåter att varje anordning aktiverar sin närmast belägna så snart den själv har av- slutat sin egen kommunikation. Därigenom bekräftar datorn en 1: ' 468 297 klarsignal, den första anordningen adresseras och svarar och sedan bekräftar den sin klarsignal till nästa anordning.All detonators 74 in the system, shown in Figure 7, are identical and no programming of user addresses is desirable. However, to allow the individual detonators to be addressed despite this, a clear signal is included in the communication scheme. This allows each device to activate its nearest one as soon as it has completed its own communication. Thereby, the computer confirms a ready signal, the first device is addressed and responds and then it confirms its ready signal to the next device.

Datorn kommunicerar med alla anordningarna i ledningen i tur och ordning tills den näst sista anordningen bekräftar dess klarsignal till slutenheten 90. Denna enhet signalerar sedan till datorn, att slutet av kedjan har nåtts, varpå datorn sänder ut en signal, som återställer alla klarsignallinjer, så att de är redo i systemet för nästa kommunikationscykel. På detta sätt kan varje enhet tilldelas ett nummer av datorn för felsökning och allmän kommunikation.The computer communicates with all the devices in the line in turn until the penultimate device confirms its ready signal to the closed unit 90. This unit then signals to the computer that the end of the chain has been reached, whereupon the computer sends out a signal which resets all ready signal lines, so that they are ready in the system for the next communication cycle. In this way, each device can be assigned a number by the computer for troubleshooting and general communication.

För att hindra falsk avfyring kan flera kommunikationscykler användas med en förreglingsmekanism. Sekvensen kan t.ex. vara som följer: systemet strömsättes först och datorn adresserar varje anordning och erhåller resultaten av självtestprocessen, som utförs med hjälp av den egna kretsen i varje detonator och av antalet detonatorer. Datorn skriver sedan ut en för- dröjningstid för varje detonator och varje detonator åter- sänder fördröjningen till datorn för verifikation.To prevent false firing, several communication cycles can be used with an interlocking mechanism. The sequence can e.g. be as follows: the system is first energized and the computer addresses each device and obtains the results of the self-test process, which is performed by means of its own circuit in each detonator and by the number of detonators. The computer then prints a delay time for each detonator and each detonator returns the delay to the computer for verification.

Detonatorerna armeras sedan med hjälp av en statistiskt unik signal. t.ex. en signal som har en låg korrelation med slump- störning i den aktuella omgivningen. Därefter initieras en "startsekvens". vilket återigen sker med hjälp av en statistiskt unik signal och denna orsakar detonation.The detonators are then reinforced using a statistically unique signal. for example a signal that has a low correlation with random disturbance in the current environment. Then a "start sequence" is initialized. which again occurs with the help of a statistically unique signal and this causes detonation.

Den föreslagna säkerhetsförreglingssekvensen tillåter att ström passerar genom varje detonators detonatoravfyrings- element endast om självtesten. som utförts på den speciella detonatorn är tillfredsställande och anordningarna har en fördröjning, som år korrekt programmerad. en giltig armeringssekvens har mottagits. en giltig startsignal har mottagits och fördröjningsperioden har utgått.The proposed safety interlock sequence allows current to pass through each detonator's detonator firing element only on the self-test. performed on the particular detonator is satisfactory and the devices have a delay which is properly programmed. a valid reinforcement sequence has been received. a valid start signal has been received and the delay period has expired.

I ett prövat exempel av uppfinningen urladdade en 4,7 mikro- farads kondensator 14,7 V in i ett detonatoravfyringselement. vilket hade en finfördelad förbindelse med dimensionerna 80 pm x 9 um. Förbindelsen var täckt med blystyfanatt Reaktions- tiden som mättes från påläggande av ström till att en ljus- blixt siktades från den exploderande blystyfanaten var 30 468 297 M millisekunder. Den tillförda energin var därför något mindre än 20,9 uJoule.In a tested example of the invention, a 4.7 microfarad capacitor discharged 14.7 V into a detonator firing element. which had a comminuted compound with the dimensions 80 μm x 9 μm. The compound was covered with lead typhoon The reaction time measured from the application of current to the aiming of a lightning bolt from the exploding lead typhanate was 30,468,297 M milliseconds. The energy supplied was therefore slightly less than 20.9 uJoule.

Energin för upphettning av detonatoravfyringselementet lagras i kondensatorn 54. Denna kondensator har en kapacitans på 10 HF een leddes till 11 volt. vilket ger tillräcklig energi för drivning av kretsen och för upphettning av detonator- avfyringselementet. Sålunda drivs varje detonator med hjälp av kraft från den själv och så snart fördröjningsperioden har ut- gått kommer den att explodera i rätt tid även om ledningarna, som ansluter den till huvudkraftförsörjningen har skadats.The energy for heating the detonator firing element is stored in the capacitor 54. This capacitor has a capacitance of 10 HF and is conducted to 11 volts. which provides sufficient energy for driving the circuit and for heating the detonator firing element. Thus, each detonator is powered by its own power and as soon as the delay period has elapsed, it will explode in a timely manner even if the lines connecting it to the main power supply have been damaged.

Eftersom ingen kraftig avfyrningsström passerar genom systemet kan man använda lågkvalitetsanslutningar för att sammankoppla anordningarna i seriesprängsystemet.Since no strong firing current passes through the system, low-quality connections can be used to connect the devices in the bursting system.

Tiden under vilken varje anordning kan arbeta, så snart den har kopplats från krafttillförseln begränsas av storleken av kondensatorn. Ett avsevärt antal detonatorer kan vara in- kopplade i ett seriesprängsystem med långa intervaller mellan detonationerna. vilket ger långa explosionstider. 'Vid sprängning av detonatorn. som år längst ifrån krafttillförseln först kommer det totala energilagringsbehovet för varje an- ordning att reduceras avsevärt. Eftersom kraft matas i en riktning. som är motsatt den riktning som explosionen ut- vecklas kan omkringkastade stenbitar isolera kraften lokalt.The time during which each device can operate, as soon as it has been disconnected from the power supply, is limited by the size of the capacitor. A considerable number of detonators can be connected in a series detonation system with long intervals between the detonations. which gives long explosion times. 'When the detonator explodes. as the year furthest from the power supply first, the total energy storage requirement for each device will be significantly reduced. Because force is fed in one direction. which is the opposite of the direction in which the explosion develops, thrown stones can isolate the force locally.

Det är därför att föredra att detonatorerna avfyras i omvänd ordning för att uppnå fördelen med reducerat energi- lagringsbehov.It is therefore preferable that the detonators be fired in reverse order to achieve the benefit of reduced energy storage requirements.

Uppfinningen erbjuder detonatorer vilka gör det möjligt att använda helt intergrerade. billiga och tillförlitliga språng- system. Sekvensfördröjningar i systemet definieras exakt och komplexa sprängmönster är relativt enkla att programmera.The invention offers detonators which make it possible to use fully integrated. cheap and reliable jumping systems. Sequence delays in the system are precisely defined and complex burst patterns are relatively easy to program.

Utgångspunkten för uppfinningen ligger i att integrera detonatoravfyringselementet i ett elektroniskt chip. Chipet innefattar dessutom lämpliga kretsar för utförande av själv- test av tids- och skyddsfunktioner. 1» Ü 468 297 Två överspänningsskyddssteg finns, nämligen det som åstad- kommes av skyddsanordningen 80 och av skyddssystemet på chipet. Skyddsspänningsnivån på chipet är 12 V medan spänningsnivån på var och en av anordningarna 80 är 11 V.The starting point for the invention is to integrate the detonator firing element in an electronic chip. The chip also includes suitable circuits for performing self-tests of time and protection functions. 1 »Ü 468 297 There are two surge protection steps, namely those provided by the protection device 80 and by the protection system on the chip. The protection voltage level on the chip is 12 V while the voltage level on each of the devices 80 is 11 V.

Detta säkerställer tillräcklig isolering av detonatorav- fyringselementet från oönskade signaler i seriesprângsystemet.This ensures sufficient isolation of the detonator firing element from unwanted signals in the series burst system.

Figurerna 8 och 9 visar ett detonatoravfyringselement. som är baserat på en fälteffektkonstruktion.Figures 8 and 9 show a detonator firing element. which is based on a field effect design.

Figur 8 illustrerar i plan en intergrerad krets 90. som innefattar ett detonatoravfyringselement generellt betecknat 92, styrtransistorer 94 respektive 96, överspånnings- skyddskretsar 98 och en tids- och kommunikationskrets 100.Figure 8 illustrates in plan a integrated circuit 90, which includes a detonator firing element generally designated 92, control transistors 94 and 96, respectively, overvoltage protection circuits 98 and a timing and communication circuit 100.

Funktionen för kretsarna 98 och 100 och det sätt detonator- avfyringselementet används, inklusive dess inneslutning i ett seriesprängsystem kan generellt åstadkommas på samma sätt som vid Föregående beskrivning.The function of the circuits 98 and 100 and the manner in which the detonator firing element is used, including its confinement in a series detonation system, can generally be accomplished in the same manner as in the previous description.

Detonatoravfyringselementet 92 i detta exempel innefattar en ïörsta. inre elektrod 102, som är cirkulär till sin ¥orm och en andra. yttre elektrod 104, vilken är placerad koncentriskt kring den inre elektroden, varvid de tvâ' elektroderna mellan sig definierar en ringformad spalt 106. Dessa former skall enbart ses som exempel.The detonator firing member 92 in this example includes a first. inner electrode 102, which is circular to its worm and a second. outer electrode 104, which is located concentrically around the inner electrode, the two electrodes defining an annular gap 106 between them. These shapes are to be considered as examples only.

Transistorerna 94 och 96 är fålteffekttransistorer.Transistors 94 and 96 are field effect transistors.

Transistorn 94 har sin kollektor ansluten till en positiv pol 108 på ett elektriskt matarnåt och dess strömkälla år ansluten till elektroden 102. Dess grind styrs av kretsen 100.The transistor 94 has its collector connected to a positive pole 108 of an electric supply nut and its current source is connected to the electrode 102. Its gate is controlled by the circuit 100.

Transistorn 96 har å andra sidan sin elektrod ansluten till en negativ pol 110 i det elektriska tillförselnätet med dess kollektor ansluten till den inre elektroden 102. Grinden på anordningen 96 är ansluten till kretsen 100. Den yttre elektroden 104 år också ansluten till polen 110.Transistor 96, on the other hand, has its electrode connected to a negative pole 110 in the electrical supply network with its collector connected to the inner electrode 102. The gate of the device 96 is connected to the circuit 100. The outer electrode 104 is also connected to the pole 110.

De två elektroderna 102 och 104 är utformade genom deponering av en av de_Föredragna materialen ovanpå ett oxidskikt på den 468 297 h, integrerade kretsen. Den deponerade metallen etsas sedan till önskad form.The two electrodes 102 and 104 are formed by depositing one of the preferred materials on top of an oxide layer on the integrated circuit 468 297 hours. The deposited metal is then etched to the desired shape.

Figur 9 illustrerar monteringen av kretsen 90 i en hålighet 112 i ett hölje 114. Stift 116 sträcker sig genom en bas i håligheten in i en undre hålighet 118. Stiften år anslutna till kretsen 90. Analogt med det redan beskrivna sättet an- vänds stiften för krafttillförseln till kretsen, för data- och klockinformation, svarsinformation, utdata och indata.Figure 9 illustrates the mounting of the circuit 90 in a cavity 112 in a housing 114. Pin 116 extends through a base in the cavity into a lower cavity 118. The pins are connected to the circuit 90. Analogously to the method already described, the pins are used for the power supply to the circuit, for data and clock information, response information, output data and input data.

Håligheten 118 omfattar en lagringskondensator, som ej visas, vilken är ansluten till de av stiften 115 som definierar polerna 108 och 110 för tillförsel av kraft till detonator- avfyringselementet 92.The cavity 118 comprises a storage capacitor, not shown, which is connected to those of the pins 115 which define the poles 108 and 110 for supplying power to the detonator firing element 92.

En insats 120 är monterad i höljet 114. Insatsen har en konisk urtagning 122 vars bas slutar i en cylindrisk passage 124. vilken sträcker sig till och över elektroderna 102 och 104.An insert 120 is mounted in the housing 114. The insert has a conical recess 122 whose base terminates in a cylindrical passage 124. which extends to and over the electrodes 102 and 104.

Ett primärt explosivt material såsom silverazid, blyazid eller blystyfnat är packat i urtagningen 122 och passagen 124.A primary explosive material such as silver azide, lead azide or lead stiffened is packed in recess 122 and passage 124.

Insatsen 120 bildar en hylsa och säkerställer att språngämnet inneslutes i kontakt med elektroderna. Insatsen 120 är företrädesvis av ett elektrostatiskt ledande plastmaterial för att minska risken för lâckelektriska fält som initierar det primära explosiva materialet. Insatsen befinner sig i fysisk och elektrisk kontakt med ytterdelen av höljet 114, som är elektriskt jordat genom ett lämpligt stift 116.The insert 120 forms a sleeve and ensures that the explosive is enclosed in contact with the electrodes. The insert 120 is preferably of an electrostatically conductive plastic material to reduce the risk of leakage electric fields initiating the primary explosive material. The insert is in physical and electrical contact with the outer portion of the housing 114, which is electrically grounded by a suitable pin 116.

Komponenten, som visas i figur 9 är utformad att anslutas till en detonatorhylsa fylld med ett lämpligt sprängâmne och vilken är fixerad till höljet 114. Höljet 114 år delvis infört i mynningen av hylsan med primärsprängämnet och sträcker sig in i hylsan så att stiftet 116 skjuter ut ur hylsan. Hylsan krympes sedan in i ett spår 126 i ytterytan på höljet 114 för att säkra komponenterna till varandra. Ett annat spår 128 an- vänds för att låsa ett kabelnät till höljet 114. Nätet åstad- kommer elektriska förbindningar med de olika stiften 116. /7 468 297 Ett antal anordningar som visas i figur 9 är pä ovan beskrivet sätt innefattade i ett seriesprängsystem i enlighet med känd teknik eller i enlighet med här ovan beskriven procedur.The component shown in Figure 9 is designed to be connected to a detonator sleeve filled with a suitable explosive and which is fixed to the housing 114. The housing 114 is partially inserted into the mouth of the sleeve with the primary explosive and extends into the sleeve so that the pin 116 projects from the sleeve. The sleeve is then crimped into a groove 126 in the outer surface of the housing 114 to secure the components together. Another groove 128 is used to lock a cable network to the housing 114. The network provides electrical connections to the various pins 116. / 7 468 297 A number of devices shown in Figure 9 are included in a serial blasting system in the manner described above in in accordance with the prior art or in accordance with the procedure described above.

Lagringskondensatorn i håligheten 118 laddas med hjälp av en primär elektrisk källa. Transistorerna 94 och 96 styrs av kretsen 100. Kretsarna 98 och 100 styrs vardera av data som matas till detonatorn längs indataledningen. Lämpliga av- fyringsfördröjningar kan programmeras in i kretsarna.The storage capacitor in the cavity 118 is charged by a primary electrical source. Transistors 94 and 96 are controlled by circuit 100. Circuits 98 and 100 are each controlled by data fed to the detonator along the input line. Appropriate firing delays can be programmed into the circuits.

Detonatoravfyringselementet styrs såsom följer. Under normala förhållande, d.v.s. i oarmerat läge hålls transistorn 94 Från- slagen och transistorn 96 påslagen. Den senare anordningen håller, då den är tillslagen elektroderna 102 och 104 på samma potential. Sålunda finns ingen potentialskillnad över elekt- roderna över den ringformade spalten 106 eller uttryckt på annat sätt, det elektrostatiska fältet över denna spalt är D.The detonator firing element is controlled as follows. Under normal conditions, i.e. in the unarmed position, the transistor 94 is turned off and the transistor 96 is turned on. The latter device, when turned on, holds the electrodes 102 and 104 at the same potential. Thus, there is no potential difference across the electrodes across the annular gap 106 or otherwise expressed, the electrostatic field across this gap is D.

Om transistorn 94 tillslås och transistor 96 stänges av kommer en potentialskillnad att bildas över spalten 106. vilken är lika med tillförselspänningen till den elektriska källan d.v.s. den spänning till vilken lagringskondensatorn i håligheten 118 laddas.If the transistor 94 is turned on and the transistor 96 is turned off, a potential difference will be formed across the gap 106, which is equal to the supply voltage to the electrical source, i.e. the voltage to which the storage capacitor in the cavity 118 is charged.

Det elektriska fältet över spalten 106 initierar det sensiti- serade primärsprängämnet i urtagningen 122 och passagen 12k och därigenom initieras sprängningen av den särskilda detonatorn.The electric field across the gap 106 initiates the sensitized primary explosive in the recess 122 and the passage 12k, thereby initiating the explosion of the particular detonator.

Styrkan av fältet. som alstras på detta sätt kan styras genom variation av bredden på spalten 106 eller genom ändring av den pâlagda spänningen. För att initiera mindre känsliga spräng- ämnen kan den över spalten pâlagda potentialen ökas genom an- vändande av spänningsmultiplikatorer. Transistorn 94 kan vara tillverkad med ett inre motstånd. som år högre än det hos transistor 95. Detta säkerställer att anordningen 96 måste stängas av och anordningen 94 sättas på innan spänningen över spalten 106 når dess önskade nivå, d.v.s den nivå vid vilken initiering av primärexplosivmaterialet sker. Denna säkerhets- detalj säkerställer att båda transistorerna mäste drivas 468 297 Jo korrekt för att en sprängning skall kunna ske.The strength of the field. generated in this way can be controlled by varying the width of the gap 106 or by changing the applied voltage. To initiate less sensitive explosives, the potential applied across the gap can be increased by using voltage multipliers. Transistor 94 may be fabricated with an internal resistor. which is higher than that of transistor 95. This ensures that device 96 must be turned off and device 94 turned on before the voltage across gap 106 reaches its desired level, i.e. the level at which initialization of the primary explosive material takes place. This safety detail ensures that both transistors must be operated 468 297 Well correctly for an explosion to take place.

Det sätt att närma sig problemet, som beskrivs i anslutning till figurerna 8 och 9 erbjuder fördelen att påläggningen av speciella metaller såsom volfram (W) eller kromnickel- föreningar (NiCr) görs överflödiga. Transistorerna 94 och 96 kan också vara relativt små. eftersom de inte används för omkoppling av stora strömmar utan endast användes för att styra pålägg av spänning över spalten 106.The approach to the problem described in connection with Figures 8 and 9 offers the advantage that the application of special metals such as tungsten (W) or chromium-nickel compounds (NiCr) is made superfluous. Transistors 94 and 96 may also be relatively small. since they are not used for switching large currents but are only used to control the application of voltage across the gap 106.

Figurerna 10 - 17 rör ytterligare utföranden av uppfinningen.Figures 10 - 17 relate to further embodiments of the invention.

Figurerna 10 och 11 visar ett detonatoravfyringselement 210 i form av ett kiselmikrochip. som omfattar ett kiselsubstrat 212 täckt av ett tunt skikt 214 av ett lämpligt oxidationsmaterial såsom en kiseldioxid. Ett fönster 216 år utformat i oxid- skiktet 214 för att frilägga en energiavledningsanordning i form av ett element eller en förbindelse 218 av lämpligt material. Förbindelsen 218 är deponerad på substratet 212 med hjälp av konventionell deponeringsteknik och har ett livparti 220, som är anordnat väsentligen centralt i fönstret 216. Ett primârexplosivt material 222 är fastlimmat till eller komp- rimerat mot oxidskiktet 214 och täcker fönstret 216 för att vara i kontakt med förbindelsen 218. Initieringsladdningen 222 visas för överskådlighets skull ej i figur 11.Figures 10 and 11 show a detonator firing element 210 in the form of a silicon microchip. comprising a silicon substrate 212 covered by a thin layer 214 of a suitable oxidizing material such as a silica. A window 216 is formed in the oxide layer 214 to expose an energy dissipation device in the form of an element or connection 218 of suitable material. The joint 218 is deposited on the substrate 212 by conventional deposition techniques and has a web portion 220 which is arranged substantially centrally in the window 216. A primary explosive material 222 is glued to or compressed against the oxide layer 214 and covers the window 216 to be in contact with the connection 218. The initialization charge 222 is not shown for the sake of clarity in Figure 11.

I vissa applikationer är fönstret 216 inte väsentligt, och laddningen 222 är monterad direkt på oxidskiktet i nära an- slutning till förbindelsen 218 för att initieras av för- bindelsen 218 antingen genom smältning eller genom att upp- hettas till en tillräckligt hög temperatur genom att elektrisk ström passerar därigenom.In some applications, the window 216 is not substantial, and the charge 222 is mounted directly on the oxide layer in close proximity to the joint 218 to be initiated by the joint 218 either by melting or by heating to a sufficiently high temperature by electrically current passes therethrough.

Laddningen 222 kan vara gjord av blystyfnat med låg halt av bindemedel eller ett adhesionsbefrämjande medel adderat där- till före dess applicering på substratet 212 i syfte att öka dess vidhäftning mot oxidskiktet 214.The charge 222 may be made of low stiffened lead binder or an adhesion promoter added thereto prior to its application to the substrate 212 in order to increase its adhesion to the oxide layer 214.

Förbindelsen 218 aktiverar laddningen 222 antingen genom att ”U 468 297 smälta av eller genom att kunna anta en tillräckligt hög temperatur beroende på motståndsuppvärmning för att initiera laddningen 222 medan den fortfarande är intakt.The connection 218 activates the charge 222 either by melting or by being able to assume a sufficiently high temperature due to resistance heating to initiate the charge 222 while it is still intact.

Figurerna 12A, 12B och 12C visar tre ytterligare utföranden av ett detonatoravfyringselement 225, som innefattar ett kisel- substrat 227 till vilket är fastlimmat ett aktiverande organ omfattande ett metall-, eller ledande skikt 226 och ett exo- termt eller oxiderande skikt 228 i olika konfigurationer.Figures 12A, 12B and 12C show three further embodiments of a detonator firing element 225, which comprises a silicon substrate 227 to which is attached an activating member comprising a metal or conductive layer 226 and an exothermic or oxidizing layer 228 in different configurations. .

I figur 12A är ett skikt 224 av dielektriskt material fäst på eller odlat på ytan på kiselsubstratet 227. Ett skikt 226 av en av de föredragna materialen är placerat ovanpå skiktet 224 av dielektriskt material. Ett exotermt eller oxiderande skikt 228 appliceras sedan ovanpå skiktet 226. Skiktet 228 kan vara en polyamid innehållande en oxiderande blandning, såsom kaliumklorid eller ett pyrotekniskt medium. som reagerar med skiktet 226.In Figure 12A, a layer 224 of dielectric material is attached to or cultured on the surface of the silicon substrate 227. A layer 226 of one of the preferred materials is placed 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 polyamide containing an oxidizing mixture, such as potassium chloride or a pyrotechnic medium. which reacts with the layer 226.

I figur 128 appliceras det exoterma eller oxiderande skiktet 228 på ytan på kiselsubstratet 212 och skiktet 225 appliceras ovanpå skiktet 228.In Figure 128, the exothermic or oxidizing layer 228 is applied to the surface of the silicon substrate 212 and the layer 225 is applied on top of the layer 228.

I figur 12C är skiktet 226 inlagt i sandwichform mellan två exoterma eller oxiderande skikt 228.In Figure 12C, the layer 226 is sandwiched between two exothermic or oxidizing layers 228.

Utförandena enligt figur 12 förlitar sig för deras funktion på det faktum att en exoterm reaktion initieras mellan skiktet 226 och det exoterma eller oxiderande skiktet 228 omedelbart ovanför och/eller under skiktet 226. Den exoterma reaktionen orsakas av motstândsuppvärmningen av skiktet 226 beroende på passage av elektrisk ström därigenom. Den primära explosiva laddningen (ej visad) reagerar för och initieras av den exo- terma reaktionen.The embodiments of Figure 12 rely for their function on 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 caused by the resistance heating of the layer 226 due to the passage of electric current thereby. The primary explosive charge (not shown) reacts to and is initiated by the exothermic reaction.

Det oxiderande skiktet 228 deponeras under detonatoravfyrings- elementets 210 tillverkningsprocess.The oxidizing layer 228 is deposited during the manufacturing process of the detonator firing element 210.

En fördel med dessa utföranden är att depositionen av det 468 297 24 primära sprängämnet inte behöver vara beroende av att en god kontakt uppnås enhetligt över detonatoravfyringselementets 200 aktiva yta. Följaktligen kan produktions- variationer tolereras under deponering av sprângämnet. Anbringande av oxidskikt på detonatoravfyringselementet 210 kan alltså ut- föras för att reducera livslângsvariationen. Materialen som används för oxidering kan vara polyamider eller oxider och nitrider som appliceras vid låga depositionstemperaturer eller i vakuum.An advantage of these embodiments is that the deposition of the primary explosive does not have to depend on a good contact being achieved uniformly over the active surface of the detonator firing element 200. Consequently, production variations can be tolerated during disposal of the explosive. Application of oxide layers to the detonator firing element 210 can thus be performed to reduce the lifetime variation. The materials used for oxidation may be polyamides or oxides and nitrides applied at low deposition temperatures or in vacuo.

Figur 13 visar ett ytterliga utförande av uppfinningen i vilket detonatoravfyringselementet 230 är i form av en halvledare med en kiselsubstrat 231.Figure 13 shows a further embodiment of the invention in which the detonator firing element 230 is in the form of a semiconductor with a silicon substrate 231.

En energiavledningsanordning 232 omfattande en motståndsdel i en elektrisk krets år anordnad med hjälp av en sektion av ett diffunderat, ett jonimplanterat eller ett epitaxialt element. utformat i eller på kiselsubstratet 231. Metallförbindelser 234 fästa till ytan på kiselsubstratet 231 i elektrisk kontakt med anordningen 232 är anslutbara till en drivkrets (ej visad). Ett oxidskikt 236 år odlat ovanpå metallförbindelserna 234 liksom på anordningen 232.An energy dissipation device 232 comprising a resistor member in an electrical circuit is arranged by means of a section of a diffused, an ion-implanted or an epitaxial element. formed in or on the silicon substrate 231. Metal connections 234 attached to the surface of the silicon substrate 231 in electrical contact with the device 232 are connectable to a drive circuit (not shown). An oxide layer 236 is grown on top of the metal joints 234 as well as on the device 232.

Energiavledningsanordningen 232 kan vara vilket som helst kretselement såsom ett motstånd. en transistor eller en fyrskiktsdiod. Det skall noteras att om anordningen är en zenerdiod eller någon annan typ av aktiv anordning kan den alstrade energin därigenom fokuseras exakt.The energy dissipation device 232 may be any circuit element such as a resistor. a transistor or a four-layer diode. It should be noted that if the device is a zener diode or some other type of active device, the energy generated can thereby be focused precisely.

Energiavledningsanordningen 232 kan vara utformad av ett skikt av P-typs kisel som diffunderar in i ett huvudsakligen N-typs kiselsubstrat 231 för att åstadkomma kretsens motstândsparti.The energy dissipation device 232 may be formed of a layer of P-type silicon which diffuses into a substantially N-type silicon substrate 231 to provide the resistance portion of the circuit.

Skikten av kisel av P-typ och N-typ kan naturligtvis kastas om. Mera energi kan avledas i ett diffusionsmotstånd innan det brister än vad som skulle vara fallet för en konventionell metallförbindelse. Detta ger fördelen av en mycket bättre för- utsägbar initiering. Dessutom är det lätt att byta motstånds- dopingen för att förbättra den elektriska anpassningen till nära optimal nivå och också storleken kan justeras lätt. Denna 023 468 297 typ av anordning är vidare bättre lämpad för kondensator- lagringssystem eftersom all återstående energi i kondensatorn kan avledas in i motståndet.The layers of P-type and N-type silicon can of course be reversed. More energy can be dissipated in a diffusion resistor before it bursts than would be the case with a conventional metal compound. This gives the advantage of a much better predictable initiation. In addition, it is easy to change the resistance doping to improve the electrical adaptation to near optimal level and also the size can be adjusted easily. This type of device is furthermore better suited for capacitor storage systems since all the remaining energy in the capacitor can be diverted into the resistor.

Figur 14 visar ett detonatoravfyringselement 240. som är en halvledaranordning med ett kiselsubstrat 241. Ett skikt av di- elektriskt material (ej visat) kan appliceras på kisel- substratet 241. En konstruktion som genererar ett elektriskt fält i form av en kam eller dubbelkamkonstruktion 242 är applicerad på kiselsubstratet 241 eller kan diffundera in däri. Detta är uppenbarligen ett alternativt arrangemang till det som visas i figurerna 8 och 9. En förbindelseanordning 244 är anordnad för förbindelse av kamkonstruktionen 242. med en drivkrets (ej visad). Kamkonstruktionen 242 omfattar ett flertal från varandra åtskilda extremiteter 246. Avståndet mellan närliggande extremiteter 246 ligger i området av 10pm eller mindre.Figure 14 shows a detonator firing element 240. which is a semiconductor device with a silicon substrate 241. A layer of dielectric material (not shown) can be applied to the silicon substrate 241. A structure that generates an electric field in the form of a comb or double cam structure 242 is applied to the silicon substrate 241 or may diffuse into it. This is obviously an alternative arrangement to that shown in Figures 8 and 9. A connecting device 244 is provided for connecting the cam structure 242. to a drive circuit (not shown). The cam structure 242 comprises a plurality of spaced apart extremities 246. The distance between adjacent extremities 246 is in the range of 10 μm or less.

Konstruktionen 242 möjliggör att ett mycket kraftigt elektriskt fält bibehålles enhetligt över en utsträckt yta.The structure 242 enables a very strong electric field to be maintained uniformly over an extended area.

Initieringsladdningen (ej visad) är deponerad direkt ovanpå konstruktionen 242. Initieringsladdningen år blandad eller förenad med finmalen grafit eller med en organisk halvledar- sensitiserare liksom med ett bindemedel. Den direkta kontakten mellan initieringsladdningen och metallkonstruktionen 242 med- för att initieringsladdningen upphettas intern och orsakar därigenom initiering. Alternativt kan initieringsladdningen ha en komponent, såsom en organisk halvledare, som innehåller ett oxideringsmedel vilket reagerar kemiskt i närvaro av ett till- râckligt kraftigt elektriskt fält i en exoterm reaktion. Vid denna aspekt av uppfinningen kan en anordning arbeta mellan några få volt och ungefär 1 kV och kan genomföras vid be- gränsad ström i storleksordningen och pickoamper.The initiation charge (not shown) is deposited directly on top of structure 242. The initiation charge is mixed or combined with finely ground graphite or with an organic semiconductor sensitizer as well as with a binder. The direct contact between the initiation charge and the metal structure 242 causes the initiation charge to heat internally and thereby cause initiation. Alternatively, the initiation charge may have a component, such as an organic semiconductor, which contains an oxidizing agent which reacts chemically in the presence of a sufficiently strong electric field in an exothermic reaction. In this aspect of the invention, a device can operate between a few volts and about 1 kV and can be implemented at limited current of the order of magnitude and pickoamps.

Figur 15 visar ett detonatoravfyringselement 250, vilket om- fattar en halvledare med ett kiselsubstrat 251 till vilket är applicerat eller i vilket är diffunderat en konstruktion, som inducerar en urladdning. Konstruktionen som inducerar en ur- laddning omfattar ett par åtskilda tandliknande delar 252 och 468 297 J? 254. Delen 252 omfattar ett par åtskilda tänder 256. På samma sätt omfattar delen 254 ett par åtskilda tänder 258. Tänderna 256 och 258 är uppriktade i förhållande till varandra och på avstånd från varandra för att bilda ett par urladdningsspalter 260. Konstruktionerna 252 och 254 har vardera ett förbindelse- organ 262 och 264 för förbindelse med en drivkrets (ej visad).Figure 15 shows a detonator firing element 250, which comprises a semiconductor with a silicon substrate 251 to which is applied or in which a structure is induced which induces a discharge. The structure that induces a discharge comprises a pair of spaced apart tooth-like portions 252 and 468 297 J? 254. The portion 252 comprises a pair of spaced teeth 256. Similarly, the portion 254 comprises a pair of spaced teeth 258. The teeth 256 and 258 are aligned relative to each other and spaced apart to form a pair of discharge slots 260. The structures 252 and 254 each has a connection means 262 and 264 for connection to a drive circuit (not shown).

Tänderna 256 och 258 användes för att koncentrera ett elektriskt fält i spalterna 260. Vid elektriska fält större än V/um kan urladdning ske mellan tänderna 256 och 258. Så snart urladdningen påbörjas kommer den at forsätta tills den elektriska energin har reducerats eller tills tänderna 256 och 258 har eroderats eller skador på kristallgittret har gått så långt att fältet blir för lågt för att vidmakthålla urladdning.Teeth 256 and 258 are used to concentrate an electric field in the gaps 260. In electric fields larger than V / um, discharge can occur between the teeth 256 and 258. As soon as the discharge begins, it will continue until the electric energy has been reduced or until the teeth 256 and 258 have been eroded or damage to the crystal lattice has gone so far that the field becomes too low to sustain discharge.

Ett primärsprängämne (ej visat) kan initieras direkt genom urladdningen mellan tänderna 258 och 258 eller indirekt med hjåp av en exoterm kemisk reaktion med ett skikt. som är i kontakt med konstruktionen som inducerar urladdningen.A primary explosive (not shown) can be initiated directly by the discharge between the teeth 258 and 258 or indirectly by means of an exothermic chemical reaction with one layer. which is in contact with the structure which induces the discharge.

En fördel med denna utföringsform är att en väl definierad tröskelspänning uppnås som en funktion av avståndet mellan tänderna 256 och 258 och att tröskelspänningen kan varieras mellan några volt och omkring 1 kV.An advantage of this embodiment is that a well-defined threshold voltage is achieved as a function of the distance between the teeth 256 and 258 and that the threshold voltage can be varied between a few volts and about 1 kV.

Figur 16 visar ett detonatoravfyringselement 270. som omfattar ett ljusalstrande mikrochip 272 av N-typsmaterial med ett skikt 272A av P-typsmaterial. till vilket år applicerat en primärsprângladdning 274. Sprängladdningen 274 reagerar för ljus. som alstras av mikrochipet 272. som kan vara en samman- satt halvledarlaser eller en ljusavgivande anordning eller vilken som helst lämplig ljusavgivande anordning t.ex. en konventionell halvledaranordning som alstrar ljus genom plasmaeffekter.Figure 16 shows a detonator firing element 270. which comprises a light-generating microchip 272 of N-type material with a layer 272A of P-type material. to which year a primary explosive charge 274 has been applied. The explosive charge 274 reacts to light. which is generated by the microchip 272. which may be a composite semiconductor laser or a light emitting device or any suitable light emitting device e.g. a conventional semiconductor device that generates light through plasma effects.

Om det ljusalstrande mikrochipet 272 är en laser kan en till- râckligt hög energitäthet uppnås för att initiera laddningen 272 direkt. Om mikrochipet 272 ger en illuminering av lägre intensitet kan en optiskt sensitiserad pyroteknisk blandning af ' 468 297 användas för laddningen 274.If the light generating microchip 272 is a laser, a sufficiently high energy density can be achieved to initiate the charge 272 directly. If the microchip 272 provides a lower intensity illumination, an optically sensitized pyrotechnic mixture of '468 297 may be used for the charge 274.

Figur 1? visar ett annorlunda förpackningsarrangemang för ett detonatoravfyringselement, för åstadkommande av en detonator.Figure 1? shows a different packaging arrangement for a detonator firing element, for providing a detonator.

Detonatoravfyringselementet är monterat på en metallisk ledar- ram 276. vilken i sin tur är monterad i en detonatorkapsel 278. En basladdning 280 är anordnad i en ände av detonator- kapseln 278. Basladdningen 280 kan vara ett explosivt material såsom PETN. En tändladdning 282 av lämpligt explosivt material såsom en 4:1 blandning av blyazid och blystyfnat är anordnad i närheten av basladdningen 280. Tändladdningen 282 är placerad i nära anslutning till ett primârsprängâmne 222, 274 av vilket som helst av de tidigare beskrivna detonatoravfyrings- elementen. som är betecknat 300. Tändladdningen 282 är placerad i läge med hjälp av en fixeringshuv 284.The detonator firing element is mounted on a metallic conductor frame 276. which in turn is mounted in a detonator capsule 278. A base charge 280 is provided at one end of the detonator capsule 278. The base charge 280 may be an explosive material such as PETN. An igniter charge 282 of suitable explosive material such as a 4: 1 mixture of lead azide and lead stiffener is provided in the vicinity of the base charge 280. The igniter charge 282 is located in close proximity to a primary explosive body 222, 274 of any of the previously described detonator firing elements. designated 300. The igniter charge 282 is positioned by means of a fixing cap 284.

Den metalliska ledarramen 276, som uppbär detonatoravfyrings- elementet 300 passerar genom en lämplig plugg 286. som av- tåtar änden av kapseln 278, som är vänd från den ände i vilken basladdningen 280 är anordnad. Pluggen 286 tjänar vidare till att hålla ledarramen i läge. Ledarramen 276 har elektriska ledare för överföring av en elektrisk signal till detonator- avfyringselementet 300.The metallic conductor frame 276, which carries the detonator firing member 300, passes through a suitable plug 286. which blunts the end of the capsule 278, which faces from the end in which the base charge 280 is arranged. The plug 286 further serves to hold the conductor frame in position. The conductor frame 276 has electrical conductors for transmitting an electrical signal to the detonator firing element 300.

Detonatoravfyringselementet 300 innetattar företrädesvis styr- kretsar (ej visade). av det slag som visas i figurerna 3 och 6 för att styra initieringena av primärladdningen 222. 274, som är formad i kiselsubstratet på detonatoravfyringselementet 300 med användande av konventionell mikroelektronikteknik. En säkerhetsförbindelse 301, som är isolerad från initierings- laddningen 222. 274. och som kortsluter styrledningarna på ledarramen 276 är anordnade av säkerhetsskäl.The detonator firing element 300 preferably includes control circuits (not shown). of the type shown in Figures 3 and 6 to control the initiations of the primary charge 222. 274 formed in the silicon substrate of the detonator firing element 300 using conventional microelectronics technology. A safety connection 301, which is isolated from the initial charge 222. 274. and which short-circuits the control lines on the conductor frame 276, is provided for safety reasons.

Aktivering av energiavledningsanordningen. d.v.s zirkon- förbindelsen 218. som visas i Figur 10 orsakar frigivande av energi för att aktivera laddningen 222, 274, som därpå tänder tändladdningen 282. vilken i sin tur tänder basladdningen 280, som utlöser explosionen, som är avsedd att initieras av detonatorn. 468 297 åó Det är uppenbart att uppfinningens principer kan uttryckas i en mångfald olika utföringsexempel av vilka vart och ett innefattar en miniatyriserad energiavledningsanordning formad i kombination med en integrerad krets. Detta sätt att närma sig problemet tillåter att komplexa styrfunktioner kan utföras med inbyggd säkerhet och idiotsäker funktion till låg kostnad.Activation of the energy dissipation device. i.e., the zirconium connection 218. shown in Figure 10 causes the release of energy to activate the charge 222, 274, which then ignites the ignition charge 282. which in turn ignites the base charge 280, which triggers the explosion intended to be initiated by the detonator. It is obvious that the principles of the invention can be expressed in a variety of different embodiments, each of which comprises a miniaturized energy dissipation device formed in combination with an integrated circuit. This approach to the problem allows complex control functions to be performed with built-in safety and foolproof operation at low cost.

Uppfinningen har beskrivits med hänvisning till ett fast initieringssprängämne. Såsom anges kan uppfinningens principer användas i kombination med flytande eller gasformiga initieringssprångladdningar. Detonatoravfyrings- anordningen för dessa exempel är företrädesvis av den typ som är baserad på användande av en smältbar förbindelse. eller en hög- spânningsurladdning. Den smältbara förbindelsen sprider, då den smälter, glödande fragment från förbindelsen in i den gas- eller vätskeformade initieringssprängladdningen. vilket säker- ställer en lyckad detonation. Högst framgångsrik initiering uppnås också med en högspânningsurladdning. Under montering avtätas detonatoravfyringselementet i en behållare såsom en burk 72 i figur 5. vilken också innesluter den vätske- eller gasformiga initieringssprångladdningen. Problemet med att an- ordna sprängladdningen på detonatoravfyringselementet undvikas därmed.The invention has been described with reference to a solid initiation explosive. As stated, the principles of the invention can be used in combination with liquid or gaseous initial charge charges. The detonator firing device for these examples is preferably of the type based on the use of a fusible compound. or a high-voltage discharge. The fusible compound, as it melts, disperses glowing fragments from the compound into the gaseous or liquid initiation explosive charge. which ensures a successful detonation. Highly successful initialization is also achieved with a high voltage discharge. During assembly, the detonator firing element is sealed in a container such as a can 72 in Figure 5. which also encloses the liquid or gaseous initial charge charge. The problem of arranging the explosive charge on the detonator firing element is thus avoided.

Detonatorn enligt uppfinningen och detonatoravfyringselementet kan användas i förbindelse med vilket sprängämne som helst antingen för militärt bruk eller för gruvändamål eller andra ändamål.The detonator according to the invention and the detonator firing element can be used in connection with any explosive either for military use or for mining purposes or other purposes.

Systemet som föreslås genom uppfinningen använder storskalig integration genom en digital lågeffektprocess. som innefattar en lågeffektsenergiavledningsanordning och överspänningsskydd för att använda ett högintelligent detonator-chip. Denna lösning med ett enda chip inneslutet i ett lågprishölje med en billig kondensator ger en detonator. som under användnings- tiden kan drivas från den billiga kondensatorn ifall trådarna kapas genom stenkast.The system proposed by the invention uses large-scale integration through a low-power digital process. which includes a low power energy dissipation device and surge protector to use a highly intelligent detonator chip. This solution with a single chip enclosed in a low-cost housing with a cheap capacitor provides a detonator. which during the period of use can be driven from the cheap capacitor if the wires are cut by stone throwing.

Den möjliga kretstätheten i VLSI-kretsar användes då för att Ü 468 297 möjliggöra helt dubbelriktade kommunikationer till och från en styrdator. Användande av en normal dator och högtillförlitliga kommunikationer ger ett system, som snabbt kan anpassas för att passa individuella användares behov.The possible circuit density in VLSI circuits was then used to enable fully bidirectional communications to and from a control computer. The use of a normal computer and highly reliable communications provide a system that can be quickly adapted to suit the needs of individual users.

Utsatta' ställen d.v.s energiavledningsanordningar kommer att utformas för att passa i ett standardlâge på alla chips och standardförpackningsteknik kommer att definieras.Exposed locations i.e. energy dissipation devices will be designed to fit in a standard position on all chips and standard packaging technology will be defined.

Detonatorerna kan således skräddarsys med användande av fördefinierade standardkomponenter. Detta motsvarar användande av en teknik. som utvecklats för halvstandardiserade integ- rerade kretsar för utformning av standardiserade detonatorer.The detonators can thus be customized using predefined standard components. This corresponds to the use of a technique. developed for semi-standardized integrated circuits for the design of standardized detonators.

Systemet är sådant att för varje speciellt system kan man utbyta en lågenergiarbetspunkt mot en annan med minimal inverkan på de andra systemmodulerna. Energiavlednings- anordningar, såsom halvledareförbindelser, elektriska fâltgeneratorer och ljusgeneratorer kan utbytas mot dessa utsatta ställen.The system is such that for each particular system one can exchange one low energy operating point for another with minimal impact on the other system modules. Energy dissipation devices, such as semiconductor connections, electric field generators and light generators can be exchanged for these exposed points.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 468 297 28 PATENTKRAV10 15 20 25 30 35 468 297 28 PATENT REQUIREMENTS 1. Detonatoravfyringselement, som omfattar ett lämpligt substrat för tillverkning av en integrerad krets, minst en energi- avledningsanordning, vilken är anordnad på eller i ett lämpligt substrat, ett explosivämne i närheten av energiavlednings- anordningen, vilken, efter att ha påverkats, initierar explosiv- ämnet genom avledning av energi, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, 9 att det innefattar ett passiviseringsskikt (34: 214; 236) mellan åtminstone en del av substratet (20: 212; 231) och minst en del av explosivämnet.A detonator firing element comprising a suitable substrate for manufacturing an integrated circuit, at least one energy dissipation device, which is arranged on or in a suitable substrate, an explosive substance in the vicinity of the energy dissipation device, which, after being actuated, initiates explosive the substance by dissipating energy, characterized in that it comprises a passivation layer (34: 214; 236) between at least a part of the substrate (20: 212; 231) and at least a part of the explosive. 2. Detonatoravfyringselement enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att energiavledningsanordningen (12) är en utvald av ett diffusionsmotstànd, ett implanterat motstånd och ett motstånds- element anordnat på en yta på eller i substratet, varvid mot- ståndselementet är utformat av åtminstone ett av följande material: kromnickel, volfram, aluminium, zirkonium, polysilikon och metallsilicider.Detonator firing element according to claim 1, characterized in that the energy dissipation device (12) is a selection of a diffusion resistor, an implanted resistor and a resistor element arranged on a surface on or in the substrate, the resistor element being formed of at least one of the following materials: chromium nickel, tungsten, aluminum, zirconium, polysilicon and metal silicides. 3. Detonatoravfyringselement enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att energiavledningsanordningen är ett halvledarelement innefattande minst ett av följande element: fälteffekttransistor, lysdiod. (225), en transistor, en ett fyrskiktsorgan, en zenerdiod och en3. A detonator firing element according to claim 1, characterized in that the energy dissipation device is a semiconductor element comprising at least one of the following elements: field effect transistor, LED. (225), a transistor, a four layer means, a zener diode and a 4. Detonatoravfyringselement enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att energiavledningsanordningen är ett fälteffektelement (90), som innefattar två åtskilda elektroder (102;lO4) på substratet, varvid vid användning pålägges en spänning över elektroderna, för _ att därigenom alstra ett elektriskt högeffektfält eller för att urladdas mellan elektroderna. 10 15 20 25 30 35 ,g7 6” 2974. A detonator firing element according to claim 1, characterized in that the energy dissipation device is a field effect element (90) comprising two separate electrodes (102; 10 4) on the substrate, wherein in use a voltage is applied across the electrodes, thereby generating a electric high power field or to discharge between the electrodes. 10 15 20 25 30 35, g7 6 ”297 5. Detonatoravfyringselement enligt något av patentkraven 1 - 4 i kombination med en behållare (72), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att explosivämnet är flytande eller gasformigt och inneslutet i behållaren tillsammans med detonatoravfyringselementet.Detonator firing element according to any one of claims 1 to 4 in combination with a container (72), characterized in that the explosive is liquid or gaseous and enclosed in the container together with the detonator firing element. 6. Detonatoravfyringselement enligt något av patentkraven 1 - 4, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att explosivämnet (222) häftar fast vid åtminstone en ytaßav, eller vid en yta, som är fäst till substratet, och att en adhesionsförstärkare är anordnad för' att förbättra sammanhåll- ningen mellan explosivämnet och substratets yta.Detonator firing element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the explosive (222) adheres to at least one surface saw, or to a surface attached to the substrate, and that an adhesion promoter is provided to improve the cohesion between the explosive and the surface of the substrate. 7. Detonatoravfyringselement enligt något av patentkraven l - 6, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att substratet (20;2l2) bildar ett halvledarelement, fattar integrerade kretsar avsedda att styra aktiveringen av som inne- detonatoravfyringselementet.Detonator firing element according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the substrate (20; 212) forms a semiconductor element, comprises integrated circuits intended to control the activation of the indoor detonator firing element. 8. Detonatoravfyringselement enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att halvledarelementet innefattar överspänningsskyddsorgan (30), anslutna till energiavledningsanordningen.A detonator firing element according to claim 7, characterized in that the semiconductor element comprises surge protection means (30) connected to the energy dissipation device. 9. Detonatoravfyringselement enligt patentkravet 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att halvledarelementet innefattar omkopplingsorgan (14), anslutna till energiavledningsanordningen. för att skydda, mot inducerade elektriska strömmar och ge exakt styrning av initieringen av explosivämnet.9. A detonator firing element according to claim 7 or 8, characterized in that the semiconductor element comprises switching means (14) connected to the energy dissipation device. to protect, against induced electric currents and provide precise control of the initiation of the explosive. 10. Detonatoravfyringselement enligt något av patentkraven 7 - 9, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att energiavledningsanordningen är integrerad med halvledar- elementet. lO 15 20 25 30 35 D 297 .IL CN 80Detonator firing element according to one of Claims 7 to 9, characterized in that the energy dissipation device is integrated with the semiconductor element. lO 15 20 25 30 35 D 297 .IL CN 80 11. ll. Detonator innefattande en behållare (72), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att ett detonatoravfyringselement enligt något av patentkraven 7 till 10 är monterat i behållaren (72) som är inrättat att initieras av sagda tillsammans med ett explosivt material, explosivämne.11. ll. Detonator comprising a container (72), characterized in that a detonator firing element according to any one of claims 7 to 10 is mounted in the container (72) which is arranged to be initiated by said together with an explosive material, explosive substance. 12. Detonator enligt patentkravet ll, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den innefattar energilagringsorgan (84) inrättade att avge elektrisk energi till energiavledningsanordningen och till de integrerade kretsarna.12. A detonator according to claim 11, characterized in that it comprises energy storage means (84) arranged to supply electrical energy to the energy dissipation device and to the integrated circuits. 13. Seriesprängningssystem (figur 7), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att det innefattar ett antal sammankopplade detonatorer enligt patentkravet ll eller 12, och organ för styrning av avfyrningen av individuella detonatorer.13. A series detonation system (Figure 7), characterized in that it comprises a number of interconnected detonators according to claim 11 or 12, and means for controlling the firing of individual detonators. 14. Seriesprängningssystem enligt patentkravet 13, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att de integrerade kretsarna till varje detonatoravfyringselement innefattar kommunikationsorgan, som aktiveras av en signal från avfyringsstyrorganen för' överförande av en signal beroende på läget hos den elektroniska halvledaranordningen till avfyrings- styrorganen.14. A series detonation system according to claim 13, characterized in that the integrated circuits of each detonator firing element comprise communication means which are activated by a signal from the firing control means for transmitting a signal depending on the position of the electronic semiconductor device to the firing control means. 15. Seriesprängningssystem enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att ett antal detonatorer är seriekopplade och, vilket system innefattar en anslutningsenhet kopplad till ena änden av de seriekopplade detonatorerna, varvid kommunikationsorganen till de olika detonatoravfyringselementen efter varandra sänder respek- tive statussignaler till avfyringsstyrorganen, och att anslut- ningsenheten sänder signalen till avfyringsstyrorganen för att identifiera änden av de seriekopplade detonatorerna.15. A series detonation system according to claim 14, characterized in that a number of detonators are connected in series and, which system comprises a connection unit connected to one end of the series-connected detonators, the communication means for the different detonator firing elements successively transmitting respective status control means to firing means. , and that the connection unit sends the signal to the firing control means to identify the end of the series-connected detonators.
SE8704574A 1986-05-22 1987-11-20 Detonator-firing element SE468297B (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ZA863818 1986-05-22

Publications (3)

Publication Number Publication Date
SE8704574D0 SE8704574D0 (en) 1987-11-20
SE8704574L SE8704574L (en) 1989-05-21
SE468297B true SE468297B (en) 1992-12-07

Family

ID=25578414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE8704574A SE468297B (en) 1986-05-22 1987-11-20 Detonator-firing element

Country Status (1)

Country Link
SE (1) SE468297B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SE8704574D0 (en) 1987-11-20
SE8704574L (en) 1989-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1310861C (en) Detonator firing element
RU2112915C1 (en) Ignition device for initiation of detonator which have at least one main charge in casing
JP2845348B2 (en) Digital delay device
CA2215326C (en) Programmable electronic timer circuit
CA2880368C (en) Integrated detonators for use with explosive devices
US4840122A (en) Integrated silicon plasma switch
JP3289916B2 (en) Hybrid type delay circuit assembly for electronic detonator
SE511798C2 (en) Detonator with electric time delay
US6640718B2 (en) Thin-film bridge electropyrotechnic initiator with a very low operating energy
US20030192445A1 (en) Electro-explosive device with laminate bridge
US5700969A (en) Underground jet perforating using resistive blasting caps
CN100478641C (en) Detonator assembly
GB2123122A (en) Explosive devices
SE468297B (en) Detonator-firing element
US6220165B1 (en) Pyrotechnic bridgewire circuit
EP1315941B1 (en) Electro-explosive device with laminate bridge and method of fabricating said bridge
NO178945B (en) Detonator firing element, detonator with the firing element, and a blasting system involving several such detonators
Patil et al. Intelligent Ordnance Initiation System
Kumar et al. Design of Integrated SCB Chip for Explosive Initiation
NO302593B1 (en) Teeth for initiating explosive caps