CN103396282B - 一种薄膜桥式点火器 - Google Patents

Abstract

该发明属于火工品生产领域中的一种采用多层含能膜的桥式点火器。包括陶瓷基片，B/Ti、CuO/Al或Ni/Al多层含能膜，设于基片中部与多层含能膜之间的TaN点火膜桥，设于TaN点火膜桥的两侧上表面的电极。该发明由于在基片与多层含能膜之间设了一层专用于使含能膜着火反应的TaN点火膜桥，首先利用TaN点火膜桥在3.0A左右点火电流的作用下点燃多层含能膜，使多层含能膜反应放出大量的热能以点燃火药、燃料或引爆***。因而具有器件小型化，采用小电流的电能与大面积多层含能膜配合、利用电能和化学能有效提高了点火所需的热能、点火的安全性和可靠性，器件的一致性和性能稳定好，有利于批量生产，生产效率高、成本低，运输、储存方便等特点。

Description

一种薄膜桥式点火器

技术领域

本发明属于火工品生产领域中的点火器，特别是一种采用多层含能膜的桥式点火器。

背景技术

火工品如点火器、***等在航空、航天、导弹发射、矿山***等军用与民用领域都得到广泛的应用。火工品是装有火药或***，通过外界刺激后产生燃烧或***，以引燃火药、引爆***或做机械功的一次性使用的元器件和装置的总称。电火工品为利用电能控制的火工品。点火器是一种能在瞬间提供足够的能量点燃火药、燃料或引爆***等的装置，桥式点火器则是一种电点火器。常规的金属桥丝式点火器具有结构简单，易实现等优点，但却存在需要手工装配，点火器表层需要手工涂覆点火药，点火药涂敷的量及点火丝长度难以精确控制，产品一致性差，点火丝两端一般为焊接，接触电阻大；而点火药在潮湿环境下易潮解，又造成性能的稳定性和可靠性差；加之一般点火药自身着火温度较低、安全隐患大，对生产人员的人身安全威胁大。

薄膜点火桥具有集成化、小型化、批量化、成本低以及良好的一致性等特点。目前，国内外的薄膜桥式点火器的研究重点主要集中在金属膜桥、半导体膜桥及多层含能膜桥。其中金属膜桥点火器材料多为铂、铬、镍-铬和钛等金属；在公告号为CN202382273U、名称为《一种低发火电压的Ni-Cr合金薄膜桥点火器》的专利文件中公开了一种由Ni-Cr合金作膜桥的点火器，该点火器包括基底（片），设于基底上的隔离膜，设于隔离膜上的Ni-Cr合金发火元件，以及引线焊接盘（片）。该金属薄膜桥点火器虽然具有结构简单、所需的发火电压低的特点，但一是金属膜桥在低温、静电、射频、高空电磁脉冲及杂散电流等恶劣环境下安全性差；二是金属膜桥的储存性、抗潮湿性差，并且易腐蚀、氧化；三是金属膜桥本身放热量较小，一般在应用时还需手工加涂点火药。而半导体膜桥点火器是用半导体膜或金属-半导体膜做点火桥的点火器；半导体膜桥电阻多为负温度系数，随着点火升温，电阻变小，点火能量迅速降低，其点火的可靠性也随之降低，因而应用时仍需手工加涂点火药。含能膜桥点火器是利用能发生化学反应并放出能量的两种薄膜交替沉积而成的一类多层薄膜桥，含能薄膜材料通常为导电的复合薄膜，主要包括化学反应膜和合金化反应膜两种类型。在《多层含能薄膜的制备及性能表征》（《火工品》，2009(1):9-11.作者：王丽玲，蒋小华，何碧等．）一文中介绍了一种以Ti（钛）膜为底层并沉积于基底和两电极表面，再在该Ti膜上沉积B（硼）的B/Ti多层含能膜的点火器及性能，此类直接采用多层含能膜桥的点火器为了使其满足点火所需的能量（反应热），则需采用较大的桥区面积，桥区面积大在使用中就需要采用较大的点火电流，此类多层含能膜的点火器一般需采用5A以上的大电流才能达到点火的目的，因而所需恒流源的体积较大，影响点火器的小型化。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，研究设计一种薄膜桥式点火器，以采用大面积多层含能膜提供反应热的基础上降低点火电流，充分利用电能和化学能有效提高点火所需的热能，确保点火的可靠性，使用、运输及储存的安全性和器件的小型化等目的。

本发明的解决方案是在背景技术基片与多层含能膜之间增设（磁控溅射）一层专用于使含能膜着火反应的TaN点火膜桥，将两电极直接分设于TaN点火膜桥的两侧以克服背景技术直接采用多层含能膜桥点火或需大电流、或需在含能膜桥上加涂点火药等所存在的缺陷。因而，本发明包括基片，多层含能膜及电极，关键在于在基片中部与多层含能膜之间还设有一层用于使多层含能膜着火反应的TaN点火膜桥，两电极则直接分设于TaN点火膜桥的两侧的上表面；TaN点火膜桥通过磁控溅射紧固于基片上，多层含能膜亦通过磁控溅射分别紧密覆盖于TaN点火膜桥中部表面和基片表面上。

上述多层含能膜为以B（硼）为底层的B/Ti多层含能膜、或以CuO为底层的CuO/Al多层含能膜或Ni/Al多层含能膜；其中当采用Ni/Al多层含能膜时，在Ni/Al多层含能膜与TaN点火膜桥和基片之间还设有氧化铝或氧化硅绝缘层。

本发明薄膜桥式点火器在基片与多层含能膜之间设了一层专用于使含能膜着火反应的TaN点火膜桥，首先利用TaN点火膜桥在3.0A左右点火电流的作用下放出的热能点燃多层含能膜，使多层含能膜反应放出大量的热能以达到点燃火药、燃料或引爆***的目的；本发明采用TaN点火膜桥，因TaN薄膜具有自钝化性及电阻温度系数（TCR，TemperatureCoefficientofResistance）可调节到接近为零的特性，其中自钝化性增强了点火膜桥（电阻桥）的抗氧化性、抗潮湿性、耐储存性，而零电阻温度系数使TaN点火膜桥对环境温度不敏感、具有更好的稳定性，同时在点火温度急剧升高时电阻几乎不发生变化，使点火过程释放出稳定的能量，确保使较大面积的多层含能膜着火发生化学反应或合金化反应所需的热能，同时综合利用了电能与化学能配合，大幅度提高了点火的可靠性和稳定性，既不需要采用较大的点火电流、又不需要在点火膜桥上涂敷点火药；此外本发明采用在TaN点火膜桥上再沉积含能反应多层膜如：B/Ti、Ni/Al或CuO/Al等，此类多层膜临界反应温度较高，也更为安全。因而本发明具有在器件小型化的基础上，采用小电流的电能与大面积多层含能膜配合、充分利用电能和化学能有效提高了点火所需的热能、点火的安全性和可靠性，器件的一致性和性能稳定好，并有利于规范化的批量生产，生产效率高、成本低，运输、储存方便等特点。

附图说明

图1为本发明结构示意图（A-A剖视放大图）；

图2为俯视图。

图中：1.电极，2.多层含能薄膜，3.TaN点火膜桥、3-1.点火桥区，4.陶瓷基片。

具体实施方式

实施例1：本实施例以生产(长×宽×厚)6mm×3mm×0.5mm的点火器为例，磁控溅射腔体采用常规多层含能薄膜磁控溅射腔体；其生产方法为：

步骤1.首先采用丙酮、酒精、去离子水依次超声波清洗直径为76.2mm（3英寸）氧化铝陶瓷基片4；然后将氧化铝陶瓷基片4置于背底真空抽至5×10^-4Pa以下的磁控溅射腔体内，在通氩气17sccm，通氮气0.5sccm，真空腔内气压上升至0.6Pa，直流功率源电流为0.24A、电压为320V的条件下，使Ta靶启辉并溅射处理50分钟、至基片上沉积TaN薄膜厚约1μm止；

步骤2.光刻TaN点火膜桥：

2.1、在经步骤1溅射TaN薄膜后的基片上涂覆光刻胶（本实施例采用转速3000转甩胶），然后在100℃的温度烘烤5分钟；

2.2光刻处理：将（长×宽）5.8×2.9mm（其中桥区3-1为0.1X0.2mm）的光刻板正对已镀TaN薄膜,经(光刻机)曝光10秒后采用显影液去除被曝光的光刻胶,然后在100℃的温度下烘干；再将基片放入HF/HNO₃/H₂O比例为1：1：5的腐蚀液，腐蚀2分钟后，用丙酮、酒精依次清洗，并用氮气吹干即得到置于基片4上的TaN点火膜桥3；

步骤3.采用常规剥离法在步骤2所得基片4上的TaN点火膜桥3的两侧制备Al电极：

3.1经涂覆光刻胶、用100℃的温度烘干后，采用Al电极的光刻板对准已制备点火膜桥3的基片4，通过光刻机曝光处理20秒后用显影液去除被曝光的光刻胶，烘干；然后在磁控溅射腔体内背底真空5x10^-4Pa以下、通氩气17sccm、调节腔内真空气压至0.6Pa，功率源电流为0.32A、电压为360V，将Al靶启辉并溅射200分钟沉积Al薄膜电极约3μm止；

3.2将步骤3.1沉积Al薄膜电极1的基片4用丙酮剥离光刻胶及溅射在光刻胶上的Al膜得到后用酒精和去离子水清洗干净、烘干；

步骤4.采用背景技术磁控溅射以B（硼）为底层的B/Ti多层含能膜：

采用掩模法以桥区中点为多层含能膜的中心在TaN点火膜桥3和基片4的表面依次交替采用射频磁控溅射B及直流磁控溅射Ti的B/Ti多层含能膜；B、Ti膜各50层，其中第1层B厚1μm，此后各层B、Ti的厚均为100nm；本实施例在直径为76.2mm（3英寸）氧化铝陶瓷基片4上一次性共制作200个(长×宽×厚)6mm×3mm×0.5mm的点火器件；

步骤5.切割处理：将步骤4所得基片上各成型的(长×宽×厚)6mm×3mm×0.5mm的点火器件通过激光划片机分别切割下，即成。

本实施例经测试：在点火电流3.0A的条件下，TaN的点火温度达3100℃，B/Ti多层薄膜燃烧释放的热能1.65J（焦耳）。

实施例2：

本实施例以采用Ni/Al多层含能薄膜为例：基片4的处理、TaN点火膜桥及薄膜电极1的制作方法均与实施例1（即步骤1-3）相同；

步骤4.将步骤3所得设置有TaN点火膜桥3及Al薄膜电极1的基片4置于磁控溅射腔体内，在背底真空5x10^-4Pa以下，通氩气17sccm、氧气0.2sccm，将真空腔内气压调至0.6Pa，然后将Al靶直流功率的电流调为0.15A、电压为150V，使Al靶启辉反应TaN点火膜桥3和基片4的表面溅射处理8min、至氧化铝薄膜厚100nm止，作为绝缘层；

步骤5.采用背景技术磁控溅射以Al为底层的Ni/Al多层含能膜：在步骤4所得基片的氧化铝薄膜上背景技术依次交替采用直流磁控溅射Ni/Al多层含能膜，各Al、Ni薄膜各50层，每层厚度均为100nm。

步骤6.切割处理亦与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种薄膜桥式点火器，包括基片，多层含能膜、点火膜桥及电极，其特征在于使多层含能膜着火反应的点火膜桥为TaN点火膜桥并设于基片中部与多层含能膜之间，而基片为陶瓷基片、多层含能膜则采用以B为底层的B/Ti多层含能膜或以CuO为底层的CuO/Al多层含能膜，两电极则直接分设于TaN点火膜桥的两侧的上表面；TaN点火膜桥通过磁控溅射紧固于基片上，多层含能膜亦通过磁控溅射分别紧密覆盖于TaN点火膜桥中部表面和陶瓷基片表面上。

2.按权利要求1所述薄膜桥式点火器，其特征在于所述多层含能膜替代为Ni/Al多层含能膜；当采用Ni/Al作多层含能膜时，在Ni/Al多层含能膜与TaN点火膜桥和基片之间还设有氧化铝或氧化硅绝缘层。