CN108238582B - 一种应用于引信的微尺度mems能量疏导器件及其制备方法 - Google Patents

一种应用于引信的微尺度mems能量疏导器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件及其制备方法。本发明采用在绝缘衬底上设置一对放电极板，距离为1μm～8μm，封装在封装壳中，在一对放电极板上形成空气的流体介质，一对放电极板并联在火工品的两端；火工品在正常状态下，一对放电极板不导通，在火工品的两端为断路；当火工品上具有干扰的高脉冲的静电电压时，击穿空气的流体介质，使得一对放电极板导通，火工品短路，从而将干扰的高脉冲的静电电压疏导到MEMS能量疏导器件上，保证火工品的安全；本发明体积小、功耗低、成本低；本发明突破器件本身尺寸效应，可以实现在较低能量输入(也会造成被保护器件误触发)的情况下，结构击穿从而实现静电能量的疏导。

Description

一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及引信的安全***，具体涉及一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件及其制备方法。
背景技术
为了确保各类导弹中引信功能安全可靠，引信安全***得到了迅速的发展。主要的引信安全***主要分为两类：机械安全***、全电子安全***。
机械安全***的作用机理是隔离起爆能量。传统的机械安全***体积比较大，现如今小型化是现代引信的主要特征，这就驱使安全***也朝这小型化方向发展，安保***小型化带动火工品小型化，但火工品小型化会导致其敏感程度增强，一旦火工品起爆将引爆战斗部。
全电子安全***：提高起爆能量阈值，实现安保能力，但是小型化是他主要面临的问题。引起引信误触发的外界因素有很多，包括恒流因素、射频因素、静电因素等，其中瞬态的静电冲击是最常见的引信误触发因素。在安保***中，静电对引信控制电路影响主要分为以下两类：第一种破坏干扰方式是传导性的方式，即ESD的电流直接通过接触PCB板上的轨线、引脚、设备的I/O接口端子等，造成设备工作异常。
第二种破坏干扰方式是辐射性的方式，即在发生ESD现象时产生了短时大电流，此电流会产生磁场和电场，附近电路的信号环路中会感应出因变化的磁场而产生的电压，此电压为骚扰电压。由于电流的变化率为20A/150ns，所产生的感应骚扰电压会引起逻辑电路的误触发，导致误工作。为了提高安保***的可靠性，TVS(瞬态电压抑制二极管)应运而生，其可以有效的吸收静电能量，并瞬间泄放大量的电流，实现能量疏导。但是由于TVS管本身的阻抗和加工问题，限制了其吸收能量的性能。
发明内容
针对以上两种类型安保***存在的问题及TVS二极管自身性能的限制，本发明提出一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件及其制备方法，通过对MEMS静电疏导实现对火工品的安全防护；与传统的静电疏导相比发现，在疏导结构间距为微尺度范围内，较低的击穿电压即可实现对火工品的电能输入能量疏导。
本发明的一个目的在于提出一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件。
本发明的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件包括：衬底、金属放电结构、流体介质、封装壳和电极；其中，在绝缘的衬底上设置金属放电结构；设置有金属放电结构的衬底封装在封装壳中，封装壳中充满空气，从而在金属放电结构的表面形成空气的流体介质；金属放电结构的两端分别通过引线连接至封装壳外；在封装壳外的两根引线的末端分别设置电极；金属放电结构的两端分别通过电极并联在引信上的火工品的两端；金属放电结构包括一对放电极板，一对放电极板之间有距离；火工品在正常状态下，一对放电极板之间有距离不导通，MEMS能量疏导器件在火工品的两端为断路；当火工品两端具有干扰的高脉冲的静电电压时，高脉冲的静电电压使得并联在火工品两端的MEMS能量疏器件的封装壳内封闭的小空间产生瞬态的高温和强电耦合环境，使得空气流体被激发，从而发生击穿；击穿电压使得一对放电极板导通，此时，火工品短路，高脉冲的静电能量被转移至MEMS能量疏导器件上，从而保证火工品的安全。
一对放电极板之间的距离为1μm～8μm。
本发明的金属放电结构采用平板梳齿结构、点对点结构或点对面结构。
平板梳齿结构中，一对放电极板为镜像结构，每一个放电极板为平板梳齿型，每一个放电极板包括互相平行且连通的放电梳齿，在一排放电梳齿的末端为连接端，在连接端上设置触点，两个触点分别连接引线；每一个放电梳齿为矩形金属结构，放电梳齿的宽度小于相邻两放电梳齿之间的距离；两个放电极板之间的放电梳齿交叉在一起，交叉在一起的两个放电极板间的相邻的放电梳齿之间的距离为1μm～8μm。
点对点结构中，一对放电极板为相同的结构；每一个放电极板包括一排互相平行的针尖梳齿，在一排针尖梳齿的末端为连接端，在连接端上设置触点，两个触点分别连接引线；每一个针尖梳齿包括矩形金属结构和尖端，在矩形金属结构的前端设置三角形金属结构的尖端，三角形金属结构的顶角为45～60度；一对放电极板的相对应的针尖梳齿的尖端相对放置，一对放电极板的尖端之间的距离为1μm～8μm。
点对面结构包括第一放电极板和第二放电极板，第一放电极板包括一排互相平行的针尖梳齿，在一排针尖梳齿的末端为连接端，在连接端上设置触点；每一个针尖梳齿包括矩形金属结构和尖端，在矩形金属结构的前端设置三角形金属结构的尖端，三角形金属结构的顶角为45～60度；第二放电极板包括矩形金属板，矩形金属板的一边正对第一放电极板的一排针尖梳齿的尖端，相对的另一边设置触点；两个触点分别连接引线；第一放电极板的针尖梳齿的尖端与第二放电极板的矩形金属板之间的距离为1μm～8μm。
封装壳采用抗强电场和高温的材料。封装壳的形式和材料的选取对本发明结构能量疏导能力有很重要的影响，当瞬态的高脉冲的静电电压输入时，在封闭的小空间会产生瞬态的高温和强电耦合环境，通过对比各类封装材料，本发明选择聚四氟乙烯材料实现器件封装与外部电器互联，聚四氟乙烯材料在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗很气，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性很高，在瞬态高温环境下，25°～250°的膨胀系数很低，而且在实验室环境下更容易抵抗各类环境的影响，比如：酸、碱条件等。
金属放电结构包括多层金属层，相邻的金属层之间具有粘附层。由于体硅工艺中的感应耦合等离子体刻蚀技术DRIE会使器件表面的平整度降低，而且在刻蚀区域中，存在结构拐点，这些点都会使得静电在这个区域内能量堆叠，无法在金属放电结构的尖端实现稳定的能量疏导功能。故本发明设计的金属放电结构采用硅基表面工艺，由于不同的电极材料在相同的静电环境下有着不同的能量疏导能力，通过多物理场仿真，本发明得到了以下组合：第一层金属层为铝或银，粘附层为锗，以及第二层金属层为镍Ni、钨W或金Au。
本发明的另一个目的在于提供一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的制备方法。
本发明的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供绝缘的衬底；
2)在绝缘的衬底上溅射金属，并通过湿法图形化，形成金属放电结构，金属放电结构的一对放电极板之间有距离，距离为1μm～8μm；
3)在金属放电结构的两端分别通过引线键合工艺连接引线；
4)将形成在绝缘的衬底上的金属放电结构封装在封装壳中，两根引线的末端穿出封装壳外；
5)将露在封装壳外的两根引线的末端分别制备电极；
6)将两个电极分别并联在引信上的火工品的两端，从而将MEMS能量疏导器件并联在引信上的火工品的两端；火工品在正常状态下，一对放电极板之间有距离不导通，MEMS能量疏导器件在火工品的两端为断路；当火工品两端具有干扰的高脉冲的静电电压时，高脉冲的静电电压使得并联在火工品两端的MEMS能量疏器件的封装壳内封闭的小空间产生瞬态的高温和强电耦合环境，使得空气流体被激发，从而发生击穿；击穿电压使得一对放电极板导通，此时，火工品短路，高脉冲的静电能量被转移至MEMS能量疏导器件上，从而保证火工品的安全。
在步骤1)中，提供绝缘的衬底，包括以下步骤：
a)提供硅(100)晶向作为基板；
b)将基板在高温氧化扩散炉中，生长氧化硅，从而形成绝缘的衬底。
在步骤2)中，在绝缘的衬底上形成金属放电结构，具体包括以下步骤：
a)在衬底上溅射第一层金属；
b)湿法图形化第一层金属，选择材料惰性的正胶作为光刻胶，确保选择光刻胶坚膜后不会产生过大横钻，导致衬底粘连，形成第一层金属层；
c)在第一层金属层上溅射粘附层；
d)在粘附层上溅射第二层金属；
e)采用湿法腐蚀图形化第二层金属，形成第二层金属层。
其中，在步骤2)的a)中，第一层金属采用铝或银。
在步骤2)的c)中，粘附层采用锗。
在步骤2)的d)中，第二层金属采用镍Ni、钨W和金Au中的一种。
本发明的优点：
本发明采用在绝缘衬底上设置一对放电极板，距离为1μm～8μm，封装在封装壳中，在一对放电极板上形成空气的流体介质，一对放电极板并联在火工品的两端；火工品在正常状态下，一对放电极板不导通，在火工品的两端为断路；当火工品上具有干扰的高脉冲的静电电压时，击穿空气的流体介质，使得一对放电极板导通，火工品短路，从而将干扰的高脉冲的静电电压疏导到MEMS能量疏导器件上，保证火工品的安全；本发明为基于MEMS基础的能量疏导器件，与其他类型的引信安保***相比：他的体积小、功耗低、成本低；本发明结构与其他类型的能量吸收装置(TVS瞬态抑制二极管)相比：本结构设计的目的是通过电击穿形成导通回路，以实现被保护器件短路的结构，而传统的TVS管等器件则是易吸收能量为主，由于该期间本身的阻抗等原因，也限制了其能量吸收的能力；本发明结构与已经研发的能量疏导结构相比，突破器件本身尺寸效应，可以实现在较低能量输入(也会造成被保护器件误触发)的情况下，结构击穿从而实现静电能量的疏导。
附图说明
图1为本发明的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的一个实施例的示意图；
图2为本发明的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的实施例一的金属放电结构的示意图；
图3为本发明的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的实施例二的金属放电结构的示意图；
图4为本发明的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的实施例三的金属放电结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件包括：衬底1、金属放电结构2、流体介质、封装壳3和电极4；其中，在绝缘的衬底1上设置金属放电结构2；设置有金属放电结构的衬底封装在封装壳3中，封装壳中充满空气，从而在金属放电结构的表面形成空气的流体介质；金属放电结构2的两端分别通过引线连接至封装壳外；在封装壳外的两根引线的末端分别设置电极4；金属放电结构的两端分别通过电极并联在引信上的火工品的两端。
在本实施例中，衬底为硅基板上高温氧化形成氧化硅；金属放电结构包括两层金属层，两层金属层之间为粘附层，第一层金属层为铝、粘附层为锗以及第二层金属层为镍Ni；封装壳为聚四氟乙烯。
如图2所示，在本实施例的金属放电结构2采用平板梳齿结构，一对放电极板为镜像结构，每一个放电极板为平板梳齿型，每一个放电极板包括互相平行且连通的放电梳齿21，在一排放电梳齿的末端为连接端22，在连接端上设置触点23，两个触点分别连接引线；每一个放电梳齿21为矩形金属结构，放电梳齿的宽度小于相邻两放电梳齿之间的距离；两个放电极板之间的放电梳齿交叉在一起，交叉在一起的两个放电极板间的相邻的放电梳齿之间的距离为1μm～8μm。
本实施例的应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供绝缘的衬底：
a)提供硅(100)作为基板；
b)将基板放在高温氧化扩散炉中，生长500nm氧化硅，从而形成绝缘的衬底。
2)在绝缘的衬底形成金属放电结构：
a)在衬底上溅射1μm厚的第一层金属铝；
b)湿法图形化第一层金属，选择材料惰性的正胶作为光刻胶，确保选择光刻胶坚膜后不会产生过大横钻，导致衬底粘连，形成第一层金属层；
c)在第一层金属层上溅射50nm的锗，形成粘附层；
d)在粘附层上溅射第二层金属镍；
e)采用湿法腐蚀图形化第二层金属，形成第二层金属层。
3)在金属放电结构的两端分别通过引线键合工艺连接引线；
4)将形成在绝缘的衬底上的金属放电结构封装在聚四氟乙烯材料的封装壳中，两根引线
的末端穿出封装壳外；
5)将露在封装壳外的两根引线的末端分别制备电极；
6)将两个电极分别并联在引信上的火工品的两端。
实施例二
如图3所示，在本实施例的金属放电结构2采用点对点结构，一对放电极板为相同的结构；每一个放电极板包括一排互相平行的针尖梳齿24，在一排针尖梳齿的末端为连接端22，在连接端上设置触点23，两个触点分别连接引线；每一个针尖梳齿24包括矩形金属结构以及尖端，在矩形金属结构的前端设置三角形金属结构的尖端，三角形金属结构的顶角为45～60度；一对放电极板的相对应针尖梳齿的尖端相对放置。其他同实施例一。
实施例三
如图4所示，在本实施例的金属放电结构2采用点对面结构，第一放电极板包括一排互相平行的针尖梳齿24，在一排针尖梳齿的末端为连接端22，在连接端上设置触点23；每一个针尖梳齿24包括矩形金属结构以及矩形金属结构前端的三角形金属结构的尖端，三角形金属结构的顶角为45～60度；第二放电极板包括矩形金属板25，矩形金属板的一边正对第一放电极板的一排的针尖梳齿24的尖端；矩形金属板25的另一边设置触点23；两个触点分别连接引线。其他同实施例一。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件，其特征在于，所述MEMS能量疏导器件包括：衬底、金属放电结构、流体介质、封装壳和电极；其中，在绝缘的衬底上设置金属放电结构；设置有金属放电结构的衬底封装在封装壳中，所述封装壳中充满空气，从而在金属放电结构的表面形成空气的流体介质；所述金属放电结构的两端分别通过引线连接至封装壳外；在封装壳外的两根引线的末端分别设置电极；所述金属放电结构的两端分别通过电极并联在引信上的火工品的两端；所述金属放电结构包括一对放电极板，一对放电极板之间有距离；火工品在正常状态下，一对放电极板之间有距离不导通，MEMS能量疏导器件在火工品的两端为断路；当火工品两端具有干扰的高脉冲的静电电压时，高脉冲的静电电压使得并联在火工品两端的MEMS能量疏器件的封装壳内封闭的小空间产生瞬态的高温和强电耦合环境，使得空气流体被激发，从而发生击穿；击穿电压使得一对放电极板导通，此时，火工品短路，高脉冲的静电能量被转移至MEMS能量疏导器件上，从而保证火工品的安全；金属放电结构采用平板梳齿结构、点对点结构或点对面结构；所述金属放电结构包括多层金属层，相邻的金属层之间具有粘附层。
2.如权利要求1所述的MEMS能量疏导器件，其特征在于，所述一对放电极板之间的距离为1μm～8μm。
3.如权利要求1所述的MEMS能量疏导器件，其特征在于，所述平板梳齿结构中，一对放电极板为镜像结构，每一个放电极板为平板梳齿型，每一个放电极板包括互相平行且连通的放电梳齿，在一排放电梳齿的末端为连接端，在连接端上设置触点，两个触点分别连接引线；每一个放电梳齿为矩形金属结构，放电梳齿的宽度小于相邻两放电梳齿之间的距离；两个放电极板之间的放电梳齿交叉在一起，交叉在一起的两个放电极板间的相邻的放电梳齿之间的距离为1μm～8μm。
4.如权利要求1所述的MEMS能量疏导器件，其特征在于，所述点对点结构中，一对放电极板为相同的结构；每一个放电极板包括一排互相平行的针尖梳齿，在一排针尖梳齿的末端为连接端，在连接端上设置触点，两个触点分别连接引线；每一个针尖梳齿包括矩形金属结构和尖端，在矩形金属结构的前端设置三角形金属结构的尖端，三角形金属结构的顶角为45～60度；一对放电极板的相对应的针尖梳齿的尖端相对放置，一对放电极板的尖端之间的距离为1μm～8μm。
5.如权利要求1所述的MEMS能量疏导器件，其特征在于，所述点对面结构包括第一放电极板和第二放电极板，第一放电极板包括一排互相平行的针尖梳齿，在一排针尖梳齿的末端为连接端，在连接端上设置触点；每一个针尖梳齿包括矩形金属结构和尖端，在矩形金属结构的前端设置三角形金属结构的尖端，三角形金属结构的顶角为45～60度；第二放电极板包括矩形金属板，矩形金属板的一边正对第一放电极板的一排针尖梳齿的尖端，相对的另一边设置触点；两个触点分别连接引线；第一放电极板的针尖梳齿的尖端与第二放电极板的矩形金属板之间的距离为1μm～8μm。
6.如权利要求1所述的MEMS能量疏导器件，其特征在于，所述封装壳采用抗强电场和高温的材料。
7.一种应用于引信的微尺度MEMS能量疏导器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供绝缘的衬底；
2)在绝缘的衬底上溅射金属，并通过湿法图形化，形成金属放电结构，金属放电结构的一对放电极板之间有距离，距离为1μm～8μm；
3)在金属放电结构的两端分别通过引线键合工艺连接引线；
4)将形成在绝缘的衬底上的金属放电结构封装在封装壳中，两根引线的末端穿出封装壳外；
5)将露在封装壳外的两根引线的末端分别制备电极；
6)将两个电极分别并联在引信上的火工品的两端，从而将MEMS能量疏导器件并联在引信上的火工品的两端；火工品在正常状态下，一对放电极板之间有距离不导通，MEMS能量疏导器件在火工品的两端为断路；当火工品两端具有干扰的高脉冲的静电电压时，高脉冲的静电电压使得并联在火工品两端的MEMS能量疏器件的封装壳内封闭的小空间产生瞬态的高温和强电耦合环境，使得空气流体被激发，从而发生击穿；击穿电压使得一对放电极板导通，此时，火工品短路，高脉冲的静电能量被转移至MEMS能量疏导器件上，从而保证火工品的安全。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，在绝缘的衬底上形成金属放电结构，具体包括以下步骤：
a)在衬底上溅射第一层金属；
b)湿法图形化第一层金属，选择材料惰性的正胶作为光刻胶，确保选择光刻胶坚膜后不会产生横钻，导致衬底粘连，形成第一层金属层；
c)在第一层金属层上溅射粘附层；
d)在粘附层上溅射第二层金属；
e)采用湿法腐蚀图形化第二层金属，形成第二层金属层。
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