Пиротехнический энергетический воспламенитель Российский патент 2023 года по МПК F42C11/00 F42C19/08 F42B3/10 F42B3/12 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Достоинство такой конструкции - для инициирования СВС реакции требуется низкий уровень подводимого напряжения.

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.

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).

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].

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Источники информации:

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.

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.

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.

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.

7. Патент на полезную модель RU177296 Ul. Воспламенитель на основе моногослойных структур. Опубл. 15.02.2018, Бюл. №5.

8. 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.

9. www.indium.com/nanofoil.

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. Пиротехнический энергетический воспламенитель состоит 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. Две области проводящей многослойной энергетической пленки выполнены одинаковыми из Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al толщиной не более 5 мкм. 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. Техническим результатом является создание конструкции с низкой электрической мощностью воспламенения, с большой площадью многослойной энергетической пленки, с более высокой выделяемой энергией. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

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.

2. Пиротехнический энергетический воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что длина резистивного мостика равна 50-200 мкм, а ширина 30-200 мкм.

3. Пиротехнический энергетический воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что толщина термитной многослойной энергетической пленки составляет не более 5 мкм.

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.