專利名稱:介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋和點火橋陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電火工品的基礎(chǔ)部件領(lǐng)域，特別是一種介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋和以該點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列。
背景技術(shù)：
電火工品是含能材料燃燒與爆炸常用的初始能源之一，在武器裝備和國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如礦山爆破，安全保護氣囊，微小型衛(wèi)星推進系統(tǒng)，火箭發(fā)動機點火系統(tǒng)，戰(zhàn)斗部的傳火與傳爆序列，導(dǎo)彈的彈道修正和安全保險裝置等。橋絲式電火工品是使用的最廣泛的電火工品。它是靠電流通過有一定電阻的微細金屬橋絲，電能按焦耳-楞次定律β =0.2412A產(chǎn)生熱量，使橋絲升溫達到灼熱狀態(tài)，加熱橋絲周圍的炸藥使其爆炸。橋絲式
電火工品的橋絲材料通常為鎳鉻、康銅或鉬銥等，當(dāng)電流通入橋絲后，在橋絲上電能轉(zhuǎn)換成熱能，能量的轉(zhuǎn)換效率較低。橋絲式電火工品通常是用焊錫將橋絲直接焊接在兩個腳線上，防射頻的效果不好，容易受到外界電磁波的影響出現(xiàn)意外發(fā)火。同時由于受加工方法的限制，橋絲式電火工品的集成度不好，很難實現(xiàn)與火工品其它部件的集成化生產(chǎn)并組成點火橋陣列。
半導(dǎo)體橋(Semiconductor Bridge,簡稱SCB)火工品是指利用半導(dǎo)體薄膜或金屬-半導(dǎo)體復(fù)合薄膜作發(fā)火組件的一類電火工品。SCB的作用機理是等離子體的微對流作用，當(dāng)向SCB通脈沖電流時，橋膜材料因焦耳熱迅速汽化，在電場的作用下形成弱等離子體放電，等離子體迅速擴散到與其相鄰的煙火劑或高能炸藥中，向煙火劑或高能炸藥進行極迅速的熱量傳遞，使其受熱達到著火溫度而發(fā)火。SCB具有一定的防射頻特性，但電熱轉(zhuǎn)換率較低，制作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。
薄膜電橋是把金屬通過物理或化學(xué)方法制作在基片上的一種膜式點火橋，它的工作原理是，在橋體通電后，橋體經(jīng)過電加熱發(fā)生爆炸，產(chǎn)生等離子體點燃藥劑。薄膜電橋可以用MEMS工藝加工制作，容易實現(xiàn)與火工品其它部件的集成化生產(chǎn)，但與橋絲式電火工品和SCB相似，它僅依靠電能加熱橋膜，能量轉(zhuǎn)換率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋和以該點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋，點火橋橋體由上電極、下電極和電介質(zhì)層疊加而成，兩層尺寸相同方向相反的金屬薄膜分別作為上電極和下電極，與上電極金屬薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO復(fù)合薄膜層夾在兩層金屬薄膜之間作為電介質(zhì)層，Al/CuO復(fù)合薄膜層的一部分覆蓋疊加在下電極金屬薄膜上，上電極金屬薄膜完全覆蓋疊加在Al/CuO復(fù)合薄膜層上。
一種以介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列，用Au金屬薄膜或Cu金屬薄膜制作成引線連接若干介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋排列成點火陣列。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點
(I)本發(fā)明利用點火橋的介電式結(jié)構(gòu)提高點火橋的安全性和Al/CuO復(fù)合薄膜的
反應(yīng)率；
介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋的基本結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，這種橋體結(jié)構(gòu)由三部分組成，兩層金屬薄膜分別作為上、下電極，多層Al/CuO復(fù)合薄膜夾在兩層金屬薄膜之間作為電介質(zhì)層，介電常數(shù)可以通過調(diào)控Al/CuO復(fù)合薄膜的調(diào)制周期數(shù)進行調(diào)整。金屬薄膜電極可以根據(jù)需要選擇高電阻值金屬薄膜，如Pt、Ti、Cr等，也可以選擇低電阻值金屬薄膜，如Al、Cu等。高電阻值薄膜可以增加點火橋的電阻，增強點火橋的電熱轉(zhuǎn)換能力，但會增加點火橋的爆發(fā)時間。低電阻值薄膜會減少點火橋的爆發(fā)時間，但會降低點 火橋的電熱轉(zhuǎn)換能力。
點火橋由薄膜疊加而成，與基底的接觸面積較大，具備一定的抗雜散電流的能力。同時CuO薄膜是半導(dǎo)體材料，所以Al/CuO復(fù)合薄膜具有一定的擊穿電壓，可以保證只有在外界電壓高于Al/CuO復(fù)合薄膜的擊穿電壓時，才能激發(fā)點火橋發(fā)火。通過調(diào)控點火橋的面積和Al/CuO復(fù)合薄膜的厚度，可以控制Al/CuO復(fù)合薄膜的擊穿電壓，從而可以設(shè)計出具有抗雜散電流和電磁干擾能力的點火橋，提高點火橋的安全性。當(dāng)外界電壓低于Al/CuO復(fù)合薄膜的擊穿電壓時，只有微弱電流通過點火橋，點火橋不發(fā)火，當(dāng)外界電壓高于Al/CuO復(fù)合薄膜的擊穿電壓時，在上下兩層金屬薄膜電極之間會形成電場，該電場可以允許瞬間大電流通過橋體，促進Al/CuO的放熱反應(yīng)，提高Al/CuO復(fù)合薄膜的反應(yīng)率，同時還可以防止點火橋提如溶斷，提聞點火橋的電熱轉(zhuǎn)換率。
(2)本發(fā)明利用多層Al/CuO復(fù)合薄膜的化學(xué)反應(yīng)能提高點火橋的點火能力；
Al和CuO在加熱時能激烈地發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并放出大量的熱，理論放熱量是4067J/g。本發(fā)明利用磁控濺射法制備了 Al/CuO復(fù)合薄膜，并通過DSC實驗確定了其放熱量最大的調(diào)制周期。Al/CuO復(fù)合薄膜的最佳調(diào)制周期是I. 2 μ m，其中Al薄膜的厚度是
0.38 μ m, CuO薄膜的厚度是0.8211111，放熱量是27601^。在點火橋?qū)崿F(xiàn)電擊穿時，電流能產(chǎn)生焦耳熱，使橋體升溫，當(dāng)達到一定溫度時，Al/CuO復(fù)合薄膜電介質(zhì)層發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，釋放出反應(yīng)熱。因此，在輸入相同的電能時，介電式Al/CuO復(fù)合膜含能點火橋不僅產(chǎn)生了焦耳熱，而且還釋放出化學(xué)反應(yīng)熱，提高了點火橋的點火能力。
(3)利用微加工工藝制作點火橋陣列，提高與MEMS火工品系統(tǒng)的相容性。
點火橋的制作由磁控濺射、紫外曝光等微細加工技術(shù)完成?？蛇x用硅或Pyrex7740玻璃等多種材料作為基片，分別用丙酮和去離子水對基片超聲清洗30min，在空氣中吹干后放入200°C烘箱烘烤備用。用正性反轉(zhuǎn)光刻膠(AZ5200)在基片上涂覆后烘干，加底層金屬薄膜電極的掩膜后進行初次曝光和反轉(zhuǎn)曝光，顯影后出現(xiàn)倒臺型輪廓。用磁控濺射在顯影后的基片上鍍上底層金屬薄膜電極，鍍好后把基片放入丙酮溶液超聲清洗30seC去除殘膠，再用去離子水清洗，烘干后即得到完整底層金屬薄膜電極。重復(fù)以上操作兩次，分別制作出Al/CuO復(fù)合薄膜和上層金屬薄膜電極即可得到如圖I所示的介電式點火橋。
采用相同的制作工藝，可以用Au或Cu金屬薄膜制作成引線，連接各點火橋，組成點火陣列，如實施例4所示。整個工藝均采用標準的微細加工工藝制作，基底材料選用的是半導(dǎo)體材料常用的硅和Pyrex7740玻璃，因此和MEMS火工品系統(tǒng)具有很好的相容性。


圖I是本發(fā)明點火橋的橫向剖視圖。
圖2是本發(fā)明點火橋的俯視圖。圖3是本發(fā)明點火橋陣列的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
結(jié)合圖1、2，本發(fā)明介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋，點火橋橋體由上電極
I、下電極2和電介質(zhì)層3疊加而成，兩層尺寸相同方向相反的金屬薄膜分別作為上電極I和下電極2，與上電極I金屬薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO復(fù)合薄膜層夾在兩層金屬薄膜之間作為電介質(zhì)層3，A1/Cu0復(fù)合薄膜層的一部分覆蓋疊加在下電極2金屬薄膜上，上電極3金屬薄膜完全覆蓋疊加在Al/CuO復(fù)合薄膜層上。所述電介質(zhì)層Al/CuO復(fù)合薄膜層為若干調(diào)制周期的Al/CuO復(fù)合薄膜，Al/CuO復(fù)合薄膜調(diào)制周期的具體參數(shù)為A1薄膜的厚度是0. 3-0. 4 μ m，CuO薄膜的厚度是0. 8-0. 9 μ m0金屬薄膜和Al/CuO復(fù)合薄膜層采用微加工工藝磁控濺射、紫外曝光制得。所述上電極金屬薄膜、下電極金屬薄膜可選擇的金屬為Pt、Ti、Cr、Al或Cu。上電極、下電極和電介質(zhì)層疊加重合部分的形狀為圓形、正方形、長方形或三角形。
本發(fā)明以介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列，用Au金屬薄膜或Cu金屬薄膜制作成引線連接若干介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋排列成點火陣列。所述Au金屬薄膜或Cu金屬薄膜采用微加工工藝磁控濺射、紫外曝光制得。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例I
基于Cr金屬膜加熱的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋
以2μηι Cr金屬薄膜作為上下電極,6個調(diào)制周期(厚度為7. 2 μ m)的Al/CuO復(fù)合薄膜作為電介質(zhì)層，采用上述的微細加工工藝制作了點火橋。點火橋上下電極層的尺寸為1000μπιΧ1000μπιΧ2μπι，Α1/αι0 復(fù)合薄膜介電層為1000 μ mX 1000 μ mX7. 2 μ m。用40V直流恒壓可實現(xiàn)介電層的電擊穿，得到的發(fā)火延遲時間是0. 7ms，消耗的電能是381mJ。Al/CuO復(fù)合薄膜釋放的化學(xué)反應(yīng)熱是101. 34mJ，所以反應(yīng)的總熱量為484. 34mJ，化學(xué)反應(yīng)熱占總釋放能量的21%。通過對點火橋的發(fā)火溫度測試可知，點火橋電爆炸時，發(fā)火溫度為3500。C 持續(xù) I. 4ms。
實施例2
基于Ti金屬膜加熱的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋
以2μπι Ti金屬薄膜作為上下電極，6個調(diào)制周期(厚度為7.2 μ m)的Al/CuO復(fù)合薄膜作為電介質(zhì)層，采用上述的微細加工工藝制作了點火橋。點火橋上下電極層的尺寸為1000μπιΧ1000μπιΧ2μπι，Α1/αι0 復(fù)合薄膜介電層為1000 μ mX 1000 μ mX 7. 2 μ m。用40V直流恒壓可實現(xiàn)介電層的電擊穿，得到的發(fā)火延遲時間是I. 2ms，消耗的電能是432mJ。Al/CuO復(fù)合薄膜釋放的化學(xué)反應(yīng)熱是101. 34mJ，所以反應(yīng)的總熱量為533. 34mJ，化學(xué)反應(yīng)熱占總釋放能量的19%。通過對點火橋的發(fā)火溫度測試可知，點火橋電爆炸時，發(fā)火溫度為3800。C 持續(xù) I. 8ms。
實施例3
基于Cu金屬膜加熱的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋
以2 μ m Cu金屬薄膜作為上下電極，6個調(diào)制周期(厚度為7. 2 μ m)的Al/CuO復(fù)合薄膜作為電介質(zhì)層，采用上述的微細加工工藝制作了點火橋。點火橋上下電極層的尺寸為1000μπιΧ1000μπιΧ2μπι，Α1/αι0 復(fù)合薄膜介電層為1000 μ mX 1000 μ mX 7. 2 μ m。用40V直流恒壓可實現(xiàn)介電層的電擊穿，得到的發(fā)火延遲時間是0. 5ms，消耗的電能是212mJ。Al/CuO復(fù)合薄膜釋放的化學(xué)反應(yīng)熱是101. 34mJ，所以反應(yīng)的總熱量為313. 34mJ，化學(xué)反應(yīng)熱占總釋放能量的32%。通過對點火橋的發(fā)火溫度測試可知，點火橋電爆炸時，發(fā)火溫度為2700。C 持續(xù) 0.6ms。
實施例4
介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列
介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能點火橋全部是由微細加工工藝制作而成，可以以單個點火橋為基礎(chǔ)，制作微型點火陣列。點火陣列的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3中黑色的部分為點火橋，組成了 4X6個點火單元，通過點火母線與單元的邏輯尋址電路可以實現(xiàn)單元的獨立發(fā)火。邏輯尋址電路材料采用Cu或Au薄膜，Cu或Au薄膜具有較低的電阻率，對點火橋的影響較小，線路的寬度為80μπι。類似于這種的邏輯尋址點火電路，可以用于微推進器系統(tǒng)的點火，也可以用于多點點火系統(tǒng)和微型雷管點火系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋,其特征在于點火橋橋體由上電極[I]、下電極[2]和電介質(zhì)層[3]疊加而成，兩層尺寸相同方向相反的金屬薄膜分別作為上電極[I]和下電極[2]，與上電極[I]金屬薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO復(fù)合薄膜層夾在兩層金屬薄膜之間作為電介質(zhì)層[3]，Al/CuO復(fù)合薄膜層的一部分覆蓋疊加在下電極[2]金屬薄膜上，上電極[I]金屬薄膜完全覆蓋疊加在Al/CuO復(fù)合薄膜層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋，其特征在于所述電介質(zhì)層Al/CuO復(fù)合薄膜層為若干調(diào)制周期的Al/CuO復(fù)合薄膜，Al/CuO復(fù)合薄膜調(diào)制周期的具體參數(shù)為A1薄膜的厚度是O. 3-0. 4 μ m，CuO薄膜的厚度是O. 8-0. 9 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋，其特征在于所述金屬薄膜和Al/CuO復(fù)合薄膜層采用微加工工藝磁控濺射、紫外曝光制得。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋，其特征在于所述上電極[I]金屬薄膜、下電極[2]金屬薄膜可選擇的金屬為Pt、Ti、Cr、Al或Cu。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋,其特征在于上電極[1]、下電極[2]和電介質(zhì)層[3]疊加重合部分的形狀為圓形、正方形、長方形或三角形。
6.一種以介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列，其特征在于所述介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋為點火橋橋體由上電極[I]、下電極[2]和電介質(zhì)層[3]疊加而成，兩層尺寸相同方向相反的金屬薄膜分別作為上電極[I]和下電極[2]，與上電極[I]金屬薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO復(fù)合薄膜層夾在兩層金屬薄膜之間作為電介質(zhì)層[3]，A1/Cu0復(fù)合薄膜層的一部分覆蓋疊加在下電極[2]金屬薄膜上，上電極[I]金屬薄膜完全覆蓋疊加在Al/CuO復(fù)合薄膜層上；用Au金屬薄膜或Cu金屬薄膜制作成引線連接若干介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋排列成點火陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的以介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列，其特征在于所述Au金屬薄膜或Cu金屬薄膜采用微加工工藝磁控濺射、紫外曝光制得。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋和點火橋陣列，點火橋橋體由上電極、下電極和電介質(zhì)層疊加而成，兩層尺寸相同方向相反的金屬薄膜分別作為上電極和下電極，與上電極金屬薄膜尺寸、方向都相同的Al/CuO復(fù)合薄膜層夾在兩層金屬薄膜之間作為電介質(zhì)層，Al/CuO復(fù)合薄膜層的一部分覆蓋疊加在下電極金屬薄膜上，上電極金屬薄膜完全覆蓋疊加在Al/CuO復(fù)合薄膜層上。以介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋為基礎(chǔ)單元的點火陣列，用Au金屬薄膜或Cu金屬薄膜制作成引線連接若干介電式Al/CuO復(fù)合薄膜含能電點火橋排列成點火陣列。本發(fā)明具有安全性高、點火能力強、相容性好的功能。
文檔編號C06C5/00GKCN102260125SQ201110167773
公開日2013年1月30日 申請日期2011年6月21日
發(fā)明者朱朋, 沈瑞琪, 葉迎華, 胡艷, 吳立志, 周翔 申請人:南京理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (2),