RU2798415C1

RU2798415C1 - Pyrotechnic energy igniter

Info

Publication number: RU2798415C1
Application number: RU2022120538A
Authority: RU
Inventors: Иван Александрович Корж; Юлия Сергеевна Зонова
Original assignee: Акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (АО "ОНИИП")
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2023-06-22

Abstract

FIELD: igniting energy materials.

SUBSTANCE: invention can be used in blasting operations in the extraction of minerals, as well as for actuating airbags in cars. A pyrotechnic energy igniter consists of a board with a low thermal conductivity dielectric film applied and with contact pads formed on it and, placed between the contact pads, two areas of a conductive multilayer energy film with the effect of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), connected by a resistive bridge made of the same conductive multilayer energy film. Two areas of the conductive multilayer energy film are made identical from Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al with a thickness of not more than 5 mcm. The resistive bridge is made with a tapering width towards its middle. The contact pads are made of a material with high electrical conductivity. The areas of the conductive multilayer energy film are covered with a thermite multilayer energy film of NiO/Al, CuO/Al, MoO₃ /Al, CuO/Ti, NiO/Ti with a thickness of not more than 5 mcm.

EFFECT: creation of a structure with a low electrical ignition power, with a large area of a multilayer energy film, with a higher released energy.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области устройств воспламенения энергетических материалов и может быть использовано при проведении взрывных работ при добыче полезных ископаемых, а также для приведения в действие подушек безопасности автомобилей.The invention relates to the field of devices for igniting energy materials and can be used in blasting operations in the extraction of minerals, as well as for actuating airbags in cars.

Известна конструкция пиротехнического энергетического воспламенителя [1, 2, 3] состоящая из подложки (керамика, стекло, кремний и т.п.) на которой сформирован тонкопленочный резистивный мостик (из вольфрама, нихрома, титана, нитрида тантала, легированного кремния, платины и т.п.) с определенным сопротивлением в несколько единиц Ом. На концах резистивного мостика сформированы контактные площадки из проводящего материала (медь, алюминий, золото и т.п.) для подачи на резистивный мостик напряжения. На поверхности резистивного мостика располагается многослойная энергетическая пленка, состоящая из двух материалов типа Ni/Al, CuO/Al, Ti/Al, Pd/Al, NiO/Al, MoO₃/Al и т.п., обладающих эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Суть процесса СВС в следующем - при воздействии на край пленки локального импульса энергии (от термического нагрева, от искры и т.п.) происходит вспышка многослойной энергетической пленки и по ее объему распространяется фронт горения со скоростью (2-10) м/с. Температура пленки повышается до 1350°С-1500°С (для пленки Ni/Al) в течение долей секунд с выделением значительного количества тепла.Known design of a pyrotechnic energy igniter [1, 2, 3] consisting of a substrate (ceramics, glass, silicon, etc.) on which a thin-film resistive bridge is formed (made of tungsten, nichrome, titanium, tantalum nitride, doped silicon, platinum, etc. .p.) with a certain resistance of several ohms. Contact pads made of conductive material (copper, aluminum, gold, etc.) are formed at the ends of the resistive bridge to supply voltage to the resistive bridge. On the surface of the resistive bridge there is a multilayer energy film consisting of two materials such as Ni/Al, CuO/Al, Ti/Al, Pd/Al, NiO/Al, MoO ₃ /Al, etc., which have the effect of self-propagating high-temperature synthesis ( SHS). The essence of the SHS process is as follows: when a local energy pulse is applied to the edge of the film (from thermal heating, from a spark, etc.), a flash of a multilayer energy film occurs and a combustion front propagates through its volume at a speed of (2-10) m/s. The temperature of the film rises to 1350°C-1500°C (for Ni/Al film) within a fraction of a second with a significant amount of heat released.

При пропускании через резистивный мостик электрического тока происходит сгорание резистивного мостика и нагрев многослойной энергетической пленки в месте ее контакта с резистивным мостиком, в результате чего многослойная энергетическая пленка вспыхивает и воспламеняет контактирующий с ней пиротехнический состав.When an electric current is passed through the resistive bridge, the resistive bridge burns out and the multilayer energy film is heated at the point of its contact with the resistive bridge, as a result of which the multilayer energy film flares up and ignites the pyrotechnic composition in contact with it.

Достоинства такой конструкции - площадь контактирования воспламеняющегося пиротехнического состава с нагретой поверхностью резистивного мостика с многослойной энергетической пленкой в десятки раз больше чем при отсутствии энергетической пленки, а также частицы материала, образующиеся при СВС реакции, распространяются над поверхностью воспламенителя на несколько мм. Это способствует более надежному зажиганию пиротехнического состава, размещаемого на поверхности резистивного мостика с СВС пленкой.The advantages of this design are that the area of contact of the flammable pyrotechnic composition with the heated surface of the resistive bridge with a multilayer energy film is tens of times larger than in the absence of an energy film, and the material particles formed during the SHS reaction propagate over the surface of the igniter by several mm. This contributes to a more reliable ignition of the pyrotechnic composition placed on the surface of the resistive bridge with the SHS film.

Недостаток такой конструкции - требуется значительное количество электрической энергии, необходимой для инициирования процесса СВС в многослойной энергетической пленке из-за низкой эффективности передачи тепла от нагретого резистивного мостика в месте его касания с энергетической СВС пленкой. Значительная часть тепла от резистивного мостика уходит в материал подложки. Для электрической изоляции, проводящей СВС пленки типа Ni/Al от резистивного мостика, дополнительно используют диэлектрические тонкие пленки нитрида кремния, оксида кремния и т.п., или используют в первом слое СВС пленки оксиды металлов (CuO, NiO, MoO₃) имеющие диэлектрические свойства. Все это снижает эффективность передачи тепла от резистивного мостика к материалу СВС пленки, так как часть тепловой энергии экранируется диэлектрической пленкой.The disadvantage of this design is that a significant amount of electrical energy is required to initiate the SHS process in a multilayer energy film due to the low efficiency of heat transfer from the heated resistive bridge at the point of contact with the energy SHS film. A significant part of the heat from the resistive bridge goes into the substrate material. For electrical insulation of a conductive SHS film of the Ni/Al type from the resistive bridge, dielectric thin films of silicon nitride, silicon oxide, etc. are additionally used, or metal oxides (CuO, NiO, MoO ₃ ) having dielectric properties are used in the first layer of the SHS film. properties. All this reduces the efficiency of heat transfer from the resistive bridge to the material of the SHS film, since part of the thermal energy is screened by the dielectric film.

Известна конструкция пиротехнического энергетического воспламенителя, в котором воспламенение СВС состава (многослойной энергетической пленки) происходит за счет прохождения тока через толщину СВС пленки. Конструкция пиротехнического энергетического воспламенителя [4, 5], представляет собой подложку, на которой сформирована конденсаторная структура воспламенителя в виде нижнего электрода из проводящего материала, поверх которого нанесена СВС пленка с нанесенным электродом из проводящего материала. В качестве СВС пленки в основном используется многослойная пленка типа CuO/Al [4], CuO/Ti [5]. Окись меди имеет высокое электрическое сопротивление (близкое к сопротивлению диэлектрических материалов), благодаря чему не происходит замыкания между собой нижнего и верхнего электродов конденсаторной структуры воспламенителя. При подаче на электроды электрического напряжения происходит пробой СВС пленки -образуется один или несколько каналов пробоя, в результате чего материал инициатора нагревается джоулевым теплом, при этом воспламеняется многослойная энергетическая пленка с образованием СВС реакции.Known design of a pyrotechnic energy igniter, in which the ignition of the SHS composition (multilayer energy film) occurs due to the passage of current through the thickness of the SHS film. The design of a pyrotechnic power igniter [4, 5] is a substrate on which a capacitor structure of the igniter is formed in the form of a bottom electrode made of a conductive material, on top of which an SHS film with a deposited electrode made of a conductive material is deposited. As a SHS film, a multilayer film of the CuO/Al [4], CuO/Ti [5] type is mainly used. Copper oxide has a high electrical resistance (close to the resistance of dielectric materials), due to which there is no short circuit between the lower and upper electrodes of the igniter capacitor structure. When an electrical voltage is applied to the electrodes, the SHS film breakdown occurs - one or several breakdown channels are formed, as a result of which the initiator material is heated by Joule heat, and the multilayer energy film is ignited with the formation of the SHS reaction.

Достоинства такой конструкции -простота изготовления и высокая температура (более 4000°К) образующаяся в процессе СВС реакции. Недостаток такой конструкции - для возникновения СВС реакции в первоначальный момент требуется подать на электроды большую величину напряжения (до сотен вольт), что в ряде случаев неприемлемо. Кроме того, активная область СВС пленки экранируется верхним электродом, что снижает эффективность работы такого воспламенителя: снижается температура вспышки и высота выброса прореагирующихся частиц в процессе СВС реакции. Также недостатком такой конструкции является наличие СВС пленки под верхним электродом, что создает трудности присоединения проволочных выводов методами контатной микросварки или пайки. При микросварке и пайке возникает нагрев СВС пленки, что может привести к преждевременной СВС реакции.The advantages of this design are ease of manufacture and high temperature (more than 4000°K) formed during the SHS reaction. The disadvantage of this design is that for the occurrence of the SHS reaction at the initial moment it is required to apply a large amount of voltage to the electrodes (up to hundreds of volts), which in some cases is unacceptable. In addition, the active region of the SHS film is shielded by the upper electrode, which reduces the efficiency of such an igniter: the flash temperature and the height of the ejection of reacting particles during the SHS reaction are reduced. Also, the disadvantage of this design is the presence of a SHS film under the top electrode, which creates difficulties in attaching wire leads by microwelding or soldering. During microwelding and soldering, heating of the SHS film occurs, which can lead to a premature SHS reaction.

Известны конструкции устройств (линии задержки воспламенения зарядов, воспламенители), состоящие из многослойных энергетических пленок, в которых для инициирования зажигания пропускается ток непосредственно через материал многослойной энергетической пленки. Предполагается, что для инициирования реакции потребуется низкие значения прикладываемого напряжения. Так, например, в патенте [6] описан пиротехнический шлейф, сформированный из реактивных пленок и который воспламеняется за счет пропускания электрического тока через сформированные многослойные энергетические пленки. В указанном патенте не приведены конкретные значения прикладываемой электрической мощности для воспламенения сформированных дорожек. По-видимому для воспламенения требуются большие значения тока (сотни ампер), что для миниатюрных энергетических воспламенителей неприемлемо.Device designs (charge ignition delay lines, igniters) are known, consisting of multilayer energy films, in which current is passed directly through the material of the multilayer energy film to initiate ignition. It is assumed that low values of the applied voltage will be required to initiate the reaction. For example, patent [6] describes a pyrotechnic plume formed from reactive films and which is ignited by passing an electric current through the formed multilayer energy films. This patent does not give specific values for the applied electrical power to ignite the formed tracks. Apparently, ignition requires large currents (hundreds of amperes), which is unacceptable for miniature energy igniters.

Известна конструкция воспламенителя на основе многослойных структур, в котором воспламенение многослойной энергетической пленки происходит также за счет пропускания тока через эту пленку [7]. Воспламенитель содержит подложку с топологией и пленку многослойной структуры, состоящую из последовательно чередующихся слоев электропроводящих материалов, между которыми при пропускании электрического тока протекает экзотермическая реакция. К сожалению в данном патенте не приведены технические характеристики по величине электрической мощности, необходимой для зажигания воспламенителя. В [7, фиг. 1] показана конструкция воспламенителя, из которой следует, что при приложении напряжения к контактным площадкам 2 через проводник 3 будет проходить ток, который воспламенит этот проводник и реакция через отвод 4 распространится на область 5, которая также должна воспламениться. Недостатком такой конструкции является то, что при пропускании тока через проводник 3 он может перегореть и воспламениться не в месте его контакта с проводником 4, а в другом месте, например рядом с контактными площадками 2. И тогда воспламенения области 3 не произойдет. Это один из недостатков данной конструкции.Known design of the igniter based on multilayer structures, in which the ignition of the multilayer energy film also occurs due to the passage of current through this film [7]. The igniter contains a substrate with a topology and a film of a multilayer structure, consisting of successively alternating layers of electrically conductive materials, between which an exothermic reaction occurs when an electric current is passed. Unfortunately, this patent does not provide technical specifications for the amount of electrical power required to ignite the igniter. In [7, fig. 1] shows the design of the igniter, from which it follows that when a voltage is applied to the contact pads 2, a current will flow through the conductor 3, which will ignite this conductor and the reaction through the outlet 4 will spread to area 5, which should also ignite. The disadvantage of this design is that when current is passed through conductor 3, it can burn out and ignite not at the place of its contact with conductor 4, but elsewhere, for example, near contact pads 2. And then ignition of area 3 will not occur. This is one of the disadvantages of this design.

Известна конструкция энергетического воспламенителя [8] - прототип, состоящая из платы - подложки из кремния с покрытой пленкой двуокиси кремния, на которой располагается сформированная область из многослойной энергетической пленки Ni/Al с толщиной от 10 мкм. Пленка двуокиси кремния препятствует отводу тепла к подложке, так как обладает низкой теплопроводностью. К области подходит полоска пленки Ni/Al, к которой присоединяются контакты также из пленки Ni/Al. На полоски из Ni/Al подается напряжение 1,5 В. При пропускании тока полоска вспыхивает инициирует реакцию области с Ni/Al пленкой. СВС реакция происходит за счет выделения тепла при сгорании СВС полоски. Прямоугольная область и полоски, соединенные с этой областью, выполнены методом фотолитографии с использованием жидких химических травителей. В данной конструкции Т-образная полоска выполняет роль резистивного мостика. Под действием пропускания электрического тока инициируется экзотермическая реакция в области проводника-полоски, расположенной между контактными площадками. При этом экзотермическая реакция распространяется по отводу к области (площадке), состоящей из многослойной энергетической пленки.A well-known design of an energy igniter [8] is a prototype consisting of a board - a silicon substrate coated with a film of silicon dioxide, on which there is a formed area from a multilayer Ni/Al energy film with a thickness of 10 μm. The silicon dioxide film prevents heat removal to the substrate, as it has a low thermal conductivity. A Ni/Al film strip approaches the region, to which contacts are also attached from the Ni/Al film. A voltage of 1.5 V is applied to the Ni/Al strips. When a current is passed, the strip flashes and initiates the reaction of the region with the Ni/Al film. The SHS reaction occurs due to the release of heat during the combustion of the SHS strip. The rectangular area and the strips connected to this area are made by photolithography using liquid chemical etchants. In this design, the T-shaped strip acts as a resistive bridge. Under the action of the transmission of electric current, an exothermic reaction is initiated in the region of the conductor-strip located between the contact pads. In this case, the exothermic reaction propagates along the outlet to the area (platform) consisting of a multilayer energy film.

Достоинство такой конструкции - для инициирования СВС реакции требуется низкий уровень подводимого напряжения.The advantage of this design is that a low level of input voltage is required to initiate the SHS reaction.

Недостатки такой конструкции: 1 - необходимо использовать достаточно толстые (более 10 мкм) многослойные энергетические пленки Ni/Al. Это связано с необходимостью получения высокой температуры горения пленки и получения высоких значений выделяемой при этом энергии (для пленок Ni/Al выделяемая энергия составляет (1050-1250) Дж/г [9]. Выделяемая энергия должна, как правило, превышать энергию, затрачиваемую для инициирования воспламенителя, поэтому и используются достаточно толстые СВС пленки; 2-для толстых пленок Ni/Al (более 10 мкм) требуется большие уровни тока для инициирования СВС реакции, что в ряде случаев неприемлемо, особенно для малогабаритных устройств с низким потреблением электрической энергии; 3 - при реакции (сгорании) пленок Ni/Al не происходит значительного выброса прореагировавших частиц, тем самым ухудшается поджиг пиротехнического материала размещаемого на поверхности СВС пленки; 4 - заданную конфигурацию толстых пленок затруднительно формировать при помощи жидкостной фотолитографии и-за подтравливания, проблем со стойкостью фоторезистов и длительности процесса травления; 5 - теплопроводность пленки двуокиси кремния (0.8-1 Вт/мК) полностью не устраняет отвод тепла на подложку из кремния при прохождении СВС реакции, поэтому требуются более высокие уровни электрической мощности для инициирования СВС реакции. Кроме того максимальная температура СВС реакции зависит от теплопроводности материала подложки.Disadvantages of this design: 1 - it is necessary to use sufficiently thick (more than 10 microns) multilayer Ni/Al energy films. This is due to the need to obtain a high combustion temperature of the film and obtain high values of the energy released in this case (for Ni/Al films, the released energy is (1050–1250) J/g [9]. The released energy should, as a rule, exceed the energy expended for igniter initiation, and therefore rather thick SHS films are used; 2 - for thick Ni/Al films (more than 10 μm) high current levels are required to initiate the SHS reaction, which in some cases is unacceptable, especially for small-sized devices with low electrical energy consumption; 3 - during the reaction (combustion) of Ni/Al films, there is no significant release of reacted particles, thereby worsening the ignition of the pyrotechnic material placed on the surface of the SHS film; 4 - it is difficult to form a given configuration of thick films using liquid photolithography due to etching, problems with the resistance of photoresists and the duration of the etching process; 5 - the thermal conductivity of the silicon dioxide film (0.8-1 W/mK) does not completely eliminate heat removal to the silicon substrate during the SHS reaction, therefore, higher levels of electrical power are required to initiate the SHS reaction. In addition, the maximum SHS reaction temperature depends on the thermal conductivity of the substrate material.

Задача изобретения - создание конструкции пиротехнического энергетического воспламенителя с низкой электрической мощностью воспламенения, с большой площадью многослойной энергетической пленки, с более высокой выделяемой энергией, чем при использовании пленок Ni/Al, а также с использованием тонких СВС пленок (не более 5 мкм).The objective of the invention is to create a design of a pyrotechnic energy igniter with a low electrical ignition power, with a large area of a multilayer energy film, with a higher energy released than when using Ni/Al films, and also using thin SHS films (no more than 5 μm).

Предлагается конструкция энергетического воспламенителя, состоящая из диэлектрической платы с покрытием из диэлектрической пленки с низкой теплопроводностью (например, из полиимида), на которой сформирован мостик из многослойной энергетической пленки Ni/Al с малой толщиной (не более 5 мкм) и с сужающейся шириной к середине мостика, с двумя контактными площадками из материала с высокой электропроводностью (медь, алюминий, золото и т.п.), которые контактируют с широкой частью пленки Ni/Al. Резистивный мостик и примыкающие к нему области из пленки Ni/Al покрыты термитной пленкой типа NiO/Al, CuO/Al и т.п. с толщиной до 5 мкм. Эти пленки имеют более высокую выделяемую энергию при сгорании. Так например, при реакции NiO/Al выделяется энергия 3440 Дж/г [3], что почти в 3 раза выше чем при реакции Ni/Al (1050-1250) Дж/г [7].A design of an energy igniter is proposed, consisting of a dielectric board coated with a dielectric film with low thermal conductivity (for example, polyimide), on which a bridge is formed from a multilayer Ni/Al energy film with a small thickness (no more than 5 μm) and with a tapering width towards the middle. bridge, with two contact pads made of a material with high electrical conductivity (copper, aluminum, gold, etc.), which are in contact with a wide part of the Ni/Al film. The resistive bridge and adjacent regions made of Ni/Al film are coated with a thermite film such as NiO/Al, CuO/Al, etc. with a thickness of up to 5 microns. These films have a higher energy release during combustion. For example, the NiO/Al reaction releases an energy of 3440 J/g [3], which is almost 3 times higher than the Ni/Al reaction (1050-1250) J/g [7].

Резистивный мостик здесь - мостик, выполняемый из проводящей ток СВС пленки типа Ni/Al. Типичные размеры резистивного мостика - длина (50-200) мкм, ширина (30-200) мкм. На резистивном мостике образуется повышенное сопротивление по сравнению с сопротивлением подсоединенной к мостику области (площадки) СВС пленки (в десятки раз). При этом максимальная выделяемая мощность, при подаче напряжения на контактные площадки, будет происходить на резистивном мостике. При перегорании (взрыве мостика) образуется повышенная локальная температура, приводящая к возникновению СВС реакции по площади и объему СВС пленки NiO/Al, которая нагревается свыше 1000°С. Вторым механизмом начала СВС реакции является образование искры в месте перегорания резистивного мостика.The resistive bridge here is a bridge made of a current-conducting SHS film of the Ni/Al type. Typical dimensions of a resistive bridge are length (50-200) µm, width (30-200) µm. An increased resistance is formed on the resistive bridge in comparison with the resistance of the region (platform) of the SHS film connected to the bridge (tens of times). In this case, the maximum released power, when voltage is applied to the contact pads, will occur on the resistive bridge. During burnout (explosion of the bridge), an increased local temperature is formed, which leads to the occurrence of an SHS reaction over the area and volume of the SHS NiO/Al film, which is heated above 1000°C. The second mechanism for the onset of the SHS reaction is the formation of a spark at the point of burnout of the resistive bridge.

Использование достаточно тонких пленок Ni/Al (до 5 мкм) позволяет применять для получения заданной конфигурации с высокой точностью методы фотолитографии с жидкостным травлением в смеси кислот. При использовании толстых пленок (более 10 мкм как в прототипе [6]) увеличивается время травления пленок и ухудшаются получаемые габариты пленок за счет большего бокового растравливания. Конфигурация наносимых пленок NiO/Al на область пленок Ni/Al может выполняться при помощи свободных масок или при использовании метода обратной (взврывной) фотолитографии с применением специальных фоторезистов.The use of sufficiently thin Ni/Al films (up to 5 μm) makes it possible to apply photolithography methods with liquid etching in a mixture of acids to obtain a given configuration with high accuracy. When using thick films (more than 10 μm as in the prototype [6]), the etching time of the films increases and the resulting dimensions of the films deteriorate due to greater lateral etching. The configuration of the applied NiO/Al films on the area of the Ni/Al films can be performed using free masks or using the reverse (explosive) photolithography method using special photoresists.

Пленки NiO/Al толщиной до 5 мкм эквивалентны по выделяемой энергии пленкам Ni/Al толщиной до 15 мкм. Но при этом получение заданной конфигурации пленок NiO/Al с толщиной до 5 мкм не вызывает технологических проблем. При реакции пленок NiO/Al образуются частицы вылетающие при реакции на расстояние до нескольких мм, что способствует более эффективному воспламенению пиротехнического состава, контактирующего с пленкой NiO/Al и с большей надежностью воспламенения. Пленка NiO/Al контактирует с пленкой Ni/Al слоем NiO, имеющим высокое электрическое сопротивление, тем самым не происходит закорачивания пленки Ni/Al. Максимальная толщина пленок Ni/Al равная 5 мкм, выбрана из следующих соображений. Пленки такой толщины достаточно просто с высокой производительностью могут изготавливаться при помощи метода магнетронного распыления двух материалов (Ni и А1) на вращающиеся подложки. При такой толщине пленок не возникает проблем с получением заданной конфигурации с использованием обычных фоторезистов с типичной толщиной 1 мкм.NiO/Al films up to 5 µm thick are equivalent in terms of released energy to Ni/Al films up to 15 µm thick. But at the same time, obtaining a given configuration of NiO/Al films with a thickness of up to 5 μm does not cause technological problems. During the reaction of NiO/Al films, particles are formed that fly out during the reaction at a distance of up to several mm, which contributes to more efficient ignition of the pyrotechnic composition in contact with the NiO/Al film and with greater ignition reliability. The NiO/Al film is in contact with the Ni/Al film with a NiO layer having a high electrical resistance, whereby the Ni/Al film is not short-circuited. The maximum thickness of Ni/Al films equal to 5 µm was chosen from the following considerations. Films of this thickness can be fabricated quite simply with high productivity by magnetron sputtering of two materials (Ni and Al) on rotating substrates. With such a film thickness, there are no problems with obtaining a given configuration using conventional photoresists with a typical thickness of 1 μm.

Максимальная толщина пленок NiO/Al также выбрана не более 5 мкм, при этом пленки могут изготавливаться с использованием методов магнетронного распыления материалов на вращающиеся подложки с высокой производительностью, а получение заданной конфигурации пленок производится при помощи методов обратной фотолитографии или при помощи свободных масок. Имеется большое количество фоторезистов для обратной фотолитографии, например, отечественный фоторезист ФН-14ТК-7.The maximum thickness of the NiO/Al films is also chosen to be no more than 5 μm, while the films can be produced using magnetron sputtering of materials on rotating substrates with high productivity, and the desired film configuration is obtained using reverse photolithography methods or using free masks. There are a large number of photoresists for reverse photolithography, for example, the domestic photoresist FN-14TK-7.

Для более надежной передачи тепла от прореагирующей пленки Ni/Al на располагаемую на ее поверхности пленку NiO/Al, толщина первых бислоев (NiO+Al) выполняется с минимальными размерами. Например, толщина первого слоя NiO выбирается равной 150 нм, второго слоя Al - 100 нм. Более толстые слои NiO и Al имеют более высокую отдачу энергии при их воспламенении. Поэтому целесообразно последующие слои выполнять с большей толщиной, например для NiO и Al 600 нм и 400 нм, соответственно, как это описано в [3]. Типичная толщина бислоя Ni/Al выбирается в диапазоне (20-100) нм. От толщины бислоя Ni и Al зависит скорость распространения фронта горения пленки, температура горения и выделяемая энергия. При толщине бислоя менее 20 нм уменьшается количество выделяемой энергии (Дж/г), а при толщине бислоя более 100 нм уменьшается скорость горения, что в ряде случаев недопустимо.For more reliable heat transfer from the reacting Ni/Al film to the NiO/Al film located on its surface, the thickness of the first bilayers (NiO+Al) is made with minimum dimensions. For example, the thickness of the first NiO layer is chosen to be 150 nm, the second Al layer is 100 nm. Thicker layers of NiO and Al have a higher energy return when ignited. Therefore, it is advisable to perform subsequent layers with a greater thickness, for example, for NiO and Al 600 nm and 400 nm, respectively, as described in [3]. The typical thickness of the Ni/Al bilayer is selected in the range (20-100) nm. The thickness of the Ni and Al bilayer determines the rate of propagation of the film combustion front, the combustion temperature, and the released energy. At a bilayer thickness of less than 20 nm, the amount of released energy (J/g) decreases, and at a bilayer thickness of more than 100 nm, the combustion rate decreases, which is unacceptable in some cases.

Один из вариантов предлагаемой конструкции энергетического воспламенителя показан на фиг. 1. Здесь: 1 - диэлектрическая плата из материала с низкой теплопроводностью (стекло, ситалл); 2 - диэлектрическая пленка с низкой теплопроводностью (полииимид, фоторезист и т.п.); 3 - контактные площадки из пленки алюминия (меди, серебра, золота и т.п.); 4 - проводящая многослойная энергетическая пленка; 5 - резистивный мостик; 6 - термитная многослойная энергетическая пленка. Толщина первого бислоя NiO/Al равна 250 нм, толщина последующих бислоев NiO/Al равна 1000 нм.One of the options for the proposed design of the energy igniter is shown in Fig. 1. Here: 1 - a dielectric board made of a material with low thermal conductivity (glass, glass-ceramic); 2 - dielectric film with low thermal conductivity (polyimide, photoresist, etc.); 3 - pads made of aluminum film (copper, silver, gold, etc.); 4 - conductive multilayer energy film; 5 - resistive bridge; 6 - thermite multilayer energy film. The thickness of the first NiO/Al bilayer is 250 nm; the thickness of subsequent NiO/Al bilayers is 1000 nm.

Предлагаемая конструкция может не ограничиваться конструкцией представленной на фиг. 1. В частном случае резистивный мостик может располагаться в разных частях площади воспламенителя. Количество областей из многослойной энергетической пленки, может быть более двух, а количество резистивных мостиков также может быть более двух и их соединение с областями из многослойной энергетической пленки может быть, как параллельным, так и последовательным (для увеличения надежности срабатывания и для регулировки прикладываемой электрической мощности).The proposed design may not be limited to the design shown in Fig. 1. In a particular case, the resistive bridge can be located in different parts of the igniter area. The number of regions from a multilayer energy film can be more than two, and the number of resistive bridges can also be more than two, and their connection to the regions from a multilayer energy film can be either parallel or in series (to increase the reliability of operation and to adjust the applied electric power ).

На фиг. 2 и фиг. 3 показаны возможные варианты конструкции энергетического воспламенителя. Здесь: 1 - диэлектрическая плата из материала с низкой теплопроводностью (стекло, ситалл); 2 - диэлектрическая пленка с низкой теплопроводностью (полииимид, фоторезист и т.п.). Пленки из полиимида имеют теплопроводность не более 0.2 Вт/м⋅К, в 5 раз меньше коэффициента теплопроводности пленок двуокиси кремния и поэтому они препятствуют отводу тепла при СВС реакции в подложку; 3 - контактные площадки из пленки алюминия (меди, серебра, золота и т.п.); 4 - проводящая многослойная энергетическая пленка; 5 - резистивный мостик; 6 - термитная многослойная энергетическая пленка. Толщина первого бислоя NiO/Al равна 250 нм, толщина последующих бислоев NiO/Al равна 1000 нм. Толщина пленки из полиимида выбирается в пределах 1-50 мкм. Тонкие пленки полиимида (1-10) мкм) наносятся методом центрифугирования, широко применяемым в технологии изготовления микросхем. В качестве толстых пленок целесообразно использовать полиимидный скотч - полиимидную пленку с клеевым слоем.In FIG. 2 and FIG. 3 shows possible options for the design of a power igniter. Here: 1 - dielectric board made of a material with low thermal conductivity (glass, glass-ceramic); 2 - dielectric film with low thermal conductivity (polyimide, photoresist, etc.). Polyimide films have a thermal conductivity of no more than 0.2 W/m⋅K, which is 5 times lower than the thermal conductivity of silicon dioxide films, and therefore they prevent heat removal into the substrate during the SHS reaction; 3 - pads made of aluminum film (copper, silver, gold, etc.); 4 - conductive multilayer energy film; 5 - resistive bridge; 6 - thermite multilayer energy film. The thickness of the first NiO/Al bilayer is 250 nm; the thickness of subsequent NiO/Al bilayers is 1000 nm. The thickness of the polyimide film is selected in the range of 1-50 µm. Thin films of polyimide (1-10 µm) are applied by centrifugation, which is widely used in microcircuit manufacturing technology. As thick films, it is advisable to use polyimide adhesive tape - a polyimide film with an adhesive layer.

Ширина и длина резистивного мостика может варьироваться в широких пределах также исходя из заданных требованиях по величине прикладываемой электрической мощности. Типичные размеры мостика: длина (50-200) мкм, ширина (30-200) мкм. Минимальный размер 30 мкм по ширине и 50 мкм по длине, меньше изготавливать нецелесообразно - это связано с точностью воспроизведения топологии пленок толщиной в 5 мкм. Максимальный размер в 200 мкм также увеличивать нецелесообразно, так как при вспышке (инициировании) резистивного мостика возможно затухание СВС реакции.The width and length of the resistive bridge can vary over a wide range, also based on the given requirements for the magnitude of the applied electrical power. Typical dimensions of the bridge: length (50-200) µm, width (30-200) µm. The minimum size is 30 µm in width and 50 µm in length; it is impractical to manufacture smaller ones - this is due to the accuracy of reproduction of the topology of films 5 µm thick. It is also unreasonable to increase the maximum size of 200 μm, since the SHS reaction may be attenuated during the flash (initiation) of the resistive bridge.

Вместо пленок Ni/Al могут быть использованы пленки Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Со/А1 и т.п. с металлической проводимостью, позволяющей формировать резистивные мостики, а вместо пленок NiO/Al могут быть использованы пленки CuO/Al, MoO₃/AI, CuO/Ti, NiO/Ti и т.п.Instead of Ni/Al films, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al, etc. films can be used. with metallic conductivity, which makes it possible to form resistive bridges, and CuO/Al, MoO ₃ /AI, CuO/Ti, NiO/Ti, etc. films can be used instead of NiO/Al films.

В качестве примера был изготовлен пиротехнический энергетический воспламенитель со следующими параметрами. В качестве платы использовались подложки из ситалла СТ-50-1, толщиной 0,5 мм. Размер платы составлял (2×2) мм, размер резистивного мостика, из многослойной энергетической пленки Ni/Al, толщиной 5 мкм, был длиной 120 мкм и шириной в узкой части 50 мкм. Размер СВС пленки из Ni/Al составлял (1×1,8) мм, а размер СВС пленки из NiO/Al, толщиной 5 мкм, составлял (0,8×1,6) мм. Инициирование зажигания (СВС реакции) производилось от заряженного конденсатора напряжением (3-15)В, что соответствовало предъявляемым требованием к такого рода устройствам (требования по надежности срабатывания, требования по безопасному току и т.п.). При инициировании воспламенителя наблюдались яркая вспышка и выброс прореагировавших частиц на высоту до (2-3) мм.As an example, a pyrotechnic energy igniter was made with the following parameters. As a board, substrates made of glass-ceramic ST-50-1, 0.5 mm thick, were used. The size of the board was (2×2) mm, the size of the resistive bridge, made of a multilayer Ni/Al energy film, 5 µm thick, was 120 µm long and 50 µm wide at the narrow part. The size of the Ni/Al SHS film was (1×1.8) mm, and the size of the NiO/Al SHS film, 5 µm thick, was (0.8×1.6) mm. Ignition initiation (SHS reaction) was carried out from a charged capacitor with a voltage of (3-15) V, which corresponded to the requirements for such devices (requirements for reliability of operation, requirements for safe current, etc.). When the igniter was initiated, a bright flash and the ejection of reacted particles to a height of up to (2-3) mm were observed.

Расчеты показывают, что энергетика (Дж/г) предложенного энергетического воспламенителя с толщиной пленок Ni/Al, равной 5 мкм и с толщиной пленок NiO/Al, равной 5 мкм примерно в 2 раза выше энергетики энергетического воспламенителя (прототипа) с толщиной пленок Ni/Al, равной 10 мкм.Calculations show that the energy (J/g) of the proposed energy igniter with a Ni/Al film thickness of 5 μm and with a NiO/Al film thickness of 5 μm is about 2 times higher than the energy of an energy igniter (prototype) with a Ni/ Al equal to 10 µm.

Источники информации:Information sources:

1. Peng Zhua, Dongle Li, Shuai Fu, Bo Hu, Ruiqi Shen, and Yinghua YeEur. Improving reliability of SCB initiators based on Al/Ni multilayer nanofilms. Phys. J. Appl. Phys. (2013) 63: 10302 DOI: 10.1051/epjap/2013130219.1. Peng Zhua, Dongle Li, Shuai Fu, Bo Hu, Ruiqi Shen, and Yinghua YeEur. Improving reliability of SCB initiators based on Al/Ni multilayer nanofilms. Phys. J. Appl. Phys. (2013) 63:10302 DOI:10.1051/epjap/2013130219.

2. Carole Rossi. Engineering of Al/CuO Reactive Multilayer Thin Films for Tunable Initiation and Actuation Propellants Explos. Pyrotech. 2018, 43, 1-16. DOI: 10.1002/prep.201800045.2. Carole Rossi. Engineering of Al/CuO Reactive Multilayer Thin Films for Tunable Initiation and Actuation Propellants Explos. Pyrotech. 2018, 43, 1-16. DOI: 10.1002/prep.201800045.

3. YiChao Yan, Wei Shi, HongChuan Jiang, Jie Xiong*, WanLi Zhang and Yanrong LiYan et al.3. YiChao Yan, Wei Shi, HongChuan Jiang, Jie Xiong*, WanLi Zhang and Yanrong LiYan et al.

Characteristics of the Energetic Igniters Through Integrating Al/NiO Nanolaminates on Cr Film Bridge. Nanoscale Research Letters (2015) 10:504. DOI 10.1186/sl 1671-015-1204-9.Characteristics of the Energetic Igniters Through Integrating Al/NiO Nanolaminates on Cr Film Bridge. Nanoscale Research Letters (2015) 10:504. DOI 10.1186/sl 1671-015-1204-9.

4. Shuai Fu, Ruiqi Shen*, Peng Zhu, Yinghua Ye. Metal-interlayer-metal structured initiator containing Al/CuO reactive multilayer films that exhibits improved ignition properties. Sensors and Actuators A 292 (2019) 198-204.4. Shuai Fu, Ruiqi Shen*, Peng Zhu, Yinghua Ye. Metal-interlayer-metal structured initiator containing Al/CuO reactive multilayer films that exhibit improved ignition properties. Sensors and Actuators A 292 (2019) 198-204.

5. Peng Zhu, Ruiqi Shen, N. N. Fiadosenka, Yinghua Ye, and Yan Hu. Dielectric structure pyrotechnic initiator realized by integrating Ti/CuO-based reactive multilayer. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 084523 (2011).5. Peng Zhu, Ruiqi Shen, N. N. Fiadosenka, Yinghua Ye, and Yan Hu. Dielectric structure pyrotechnic initiator realized by integrating Ti/CuO-based reactive multilayer. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 084523 (2011).

6. Patent GB2224729(A). Pyrotechnic train/ 1990-05-16.6. Patent GB2224729(A). Pyrotechnic train/ 1990-05-16.

7. Патент на полезную модель RU177296 Ul. Воспламенитель на основе моногослойных структур. Опубл. 15.02.2018, Бюл. №5.7. Patent for utility model RU177296 Ul. Igniter based on monolayer structures. Published 02/15/2018, Bull. No. 5.

8. Xiaotun Qiu • Rui Tang • Ranran Liu • Hai Huang • Shengmin Guo • Hongyu Yu8. Xiaotun Qiu • Rui Tang • Ranran Liu • Hai Huang • Shengmin Guo • Hongyu Yu

A micro initiator realized by reactive Ni/Al nanolaminates. J Mater Sci: Mater Electron (2012) 23:2140-2144. DOI 10.1007/sl0854-012-0726-5.A micro initiator realized by reactive Ni/Al nanolaminates. J Mater Sci: Mater Electron (2012) 23:2140-2144. DOI 10.1007/sl0854-012-0726-5.

9. www.indium.com/nanofoil.9 www.indium.com/nanofoil.

Claims

1. Пиротехнический энергетический воспламенитель, состоящий из платы с нанесенной диэлектрической пленкой с низкой теплопроводностью и с сформированными на ней контактными площадками и, размещенными между контактными площадками, двумя областями проводящей многослойной энергетической пленки с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), соединяющимися резистивным мостиком, выполненным из такой же проводящей многослойной энергетической пленки, отличающийся тем, что две области проводящей многослойной энергетической пленки выполнены одинаковыми из Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al толщиной не более 5 мкм, а резистивный мостик выполнен с сужающейся шириной к его середине, контактные площадки выполнены из материала с высокой электропроводностью, области проводящей многослойной энергетической пленки покрыты термитной многослойной энергетической пленкой из NiO/Al, CuO/Al, MoO₃/Al, CuO/Ti, NiO/Ti толщиной не более 5 мкм.1. A pyrotechnic energy igniter, consisting of a board with a deposited dielectric film with low thermal conductivity and with contact pads formed on it and, placed between the contact pads, two areas of a conductive multilayer energy film with the effect of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), connected by a resistive bridge made from the same conductive multilayer energy film, characterized in that two areas of the conductive multilayer energy film are made identical from Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al with a thickness of not more than 5 μm, and the resistive bridge is made with a tapering width towards its middle, the contact pads are made of a material with high electrical conductivity, the areas of the conductive multilayer energy film are covered with a thermite multilayer energy film of NiO/Al, CuO/Al, MoO ₃ /Al, CuO/Ti, NiO/Ti with a thickness of not more than 5 µm.

2. Пиротехнический энергетический воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что длина резистивного мостика равна 50-200 мкм, а ширина 30-200 мкм.2. Pyrotechnic energy igniter according to claim 1, characterized in that the length of the resistive bridge is 50-200 microns, and the width is 30-200 microns.

3. Пиротехнический энергетический воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что толщина термитной многослойной энергетической пленки составляет не более 5 мкм.3. Pyrotechnic energy igniter according to claim 1, characterized in that the thickness of the thermite multilayer energy film is not more than 5 microns.

4. Пиротехнический энергетический воспламенитель по п. 2, отличающийся тем, что многослойные энергетические пленки состоят из бислоев, при этом толщина каждого бислоя проводящей многослойной энергетической пленки Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al составляет 20-100 нм.4. The pyrotechnic energy igniter according to claim 2, characterized in that the multilayer energy films consist of bilayers, while the thickness of each bilayer of the conductive multilayer energy film Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al is 20-100 nm.