Энергетический пиротехнический воспламенитель Российский патент 2024 года по МПК F42B3/12 F42C19/08 

Изобретение относится к области устройств воспламенения энергетических материалов и может быть использовано при проведении взрывных работ при добыче полезных ископаемых.

Известна конструкция энергетического пиротехнического воспламенителя на основе многослойных энергетических пленок, обладающих эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1]. Многослойная энергетическая пленка, состоящая из двух материалов типа Ni/Al, CuO/Al, Ti/Al, Pd/Al, NiO/Al, MoO₃/Al и т.п., обладает эффектом СВС. При воздействии на край энергетической пленки локального импульса энергии (от термического нагрева, от искры и т.п.) происходит вспышка многослойной энергетической пленки. Температура пленки повышается до 1350°С-1500°С (для многослойной пленки Ni/Al) в течение долей секунд с выделением значительного количества тепла. В большинстве случаев многослойные пленки с эффектом СВС изготавливаются методом магнетронного распыления в вакууме материалов на соответствующие подложки.

В [1] приведена конструкция энергетического пиротехнического воспламенителя в которой воспламенение многослойной энергетической пленки происходит за счет пропускания тока через эту пленку. 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 [1, 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 главных недостатков данной конструкции.

Известна конструкция энергетического воспламенителя [2], 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. 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; 4 - заданную конфигурацию толстых пленок затруднительно формировать при помощи жидкостной фотолитографии и-за бокового 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.

Известен пиротехнический энергетический воспламенитель [3] - прототип, который состоит из платы с нанесенной диэлектрической пленкой с низкой теплопроводностью и с сформированными на ней контактными площадками и размещенными между двумя контактными площадками двумя областями проводящей многослойной энергетической пленки с эффектом СВС, соединяющимся резистивным мостиком, выполненным из такой же многослойной энергетической пленки. Две области проводящей многослойной энергетической пленки выполнены одинаковыми из Ni/Al или Ti/Al или Pd/Al или Ru/Al или Со/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 или CuO/А1 или MoO₃/Al или CuO/Ti или NiO/Ti толщиной не более 5 мкм.

Достоинства прототипа - воспламенитель обладает низкой электрической мощностью воспламенения, большой площадью многослойной энергетической пленки с более высокой выделяемой энергией.

Недостатки прототипа.

1. Требуются большие величины токов для приведения в рабочее состояние (поджиг) воспламенителя за счет низкого сопротивления резистивного мостика (0.1-0.5 Ом), образованного из-за того, что для создания резистивного мостика используется достаточно толстая (5 мкм) проводящая многослойная пленка типа Ni/Al. Для воспламенения мостика токи могут быть до (20-50) А, что в ряде случаев неприемлемо.

2. Конструкция воспламенителя предусматривает формирование заданной конфигурации мостика выполняемой из проводящей многослойной энергетической пленки Ni/Al или Ti/Al или Pd/Al или Ru/Al или Со/Al известными методами, такими как использование жидкостного химического травления, «взрывной» фотолитографии. При этом необходимо использовать селективные химические травители многослойных энергетических пленок, не воздействующие на материал диэлектрической пленки с низкой теплопроводностью, нанесенной на плату. Для ряда материалов, таких как Pd/Al, Ru/Al невозможно подобрать химический селективный травитель, что является недостатком прототипа. Кроме того, недопустимо воздействие на СВС пленку температур выше (100-120)°С, возникающих при операциях по формированию заданной конфигурации резистивного мостика с использованием фоторезистов (задубливание пленок фоторезиста осуществляется при температурах 200°С). Воздействие высокой температуры на СВС пленку приводит к ухудшению ее энергетических свойств за счет перемешивания нанослоев, образующих СВС пленку. Снижается теплота реакции, скорость реакции, температура реакции и т.п.;

3. При вспышке резистивного мостика по его длине распространяется фронт горения от которого вспыхивают основные области СВС пленки (области, примыкающие к концам резистивного мостика). При этом может уменьшаться суммарная площадь вспышки СВС области за счет того, что одна из СВС областей может не прореагировать от тепла, передающего от мостика в месте его касания с СВС областью за счет перегорания мостика в этом месте.

Задача изобретения: 1 - создание конструкции энергетического пиротехнического воспламенителя с низкой электрической мощностью воспламенения, с малым током инициирования за счет увеличения сопротивления резистивного мостика; 2 - конструкция воспламенителя должна допускать формирование заданной конфигурации резистивного мостика без операций травления материала многослойной энергетической пленки (химического травления, взрывной фотолитографии, ионного травления и т.п.), без использования повышенных температур при формировании пленок фоторезистов.

Задачи изобретения решаются следующим образом. Предлагается конструкция энергетического пиротехнического воспламенителя (фиг. 1 - фиг. 3), состоящая из диэлектрической платы 1, с нанесенной на ее поверхность диэлектрической пленки 2 с низкой теплопроводностью (полиимид, фторопласт и т.п.); пленочных контактных площадок 3 из материала с высокой электропроводностью (медь, алюминий, серебро, золото и т.п.); диэлектрической пленки 4 с низкой теплопроводностью со сформированной в ней областью 6 по форме резистивного мостика (эта область 6 служит в дальнейшем маской через которую будет формироваться конфигурация резистивного мостика); многослойной энергетической пленки 5, состоящей из пленки в области 6, пленки 7 и пленки 8 (см. фиг .2).

Сопротивление резистивного мостика в области 6 образуется из токопроводящей пленки типа Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al и т.п.толщиной (1-1.5) мкм. Сверху токопроводящая пленка покрывается непроводящей ток СВС термитной пленкой типа NiO/Al, CuO/Al, MoO₃/Al, CuO/Ti, NiO/Ti и т.п. состоящей из двух бислоев с толщиной каждого бислоя (100-250) нм. Эта термитная пленка служит электрическим изолятором от расположенной сверху токопроводящей пленкой типа Ni/Al, Ti/Al, Pd/Al, Ru/Al, Co/Al с толщиной не более 15 мкм. Резистивный мостик выполняется с сужением по ширине к его середине. Здесь получается повышенное сопротивление и при протекании тока в этом месте выделяется максимальная температура, что способствует более интенсивной СВС реакции.

На фиг. 3 приведен укрупненно фрагмент центральной части воспламенителя показанного на фиг. 2. Здесь d1 - толщина металлизации контактных площадок; d2 - толщина диэлектрической пленки с низкой теплопроводностью; d3 - толщина СВС пленки типа Ni/Al и т.п.; d4 - толщина изолирующей термитной пленки типа NiO/Al и т.п.; d5 - толщина токопроводящей пленки типа Ni/Al и т.п.

Толщина металлизации контактных площадок d1 выбирается в диапазоне (0.5-1.0) мкм. Она должна быть примерно на 0.5 мкм меньше толщины d3 СВС пленки типа Ni/Al, равной (1-1.5) мкм, исходя из того чтобы не было обрыва СВС пленки на ступеньке металлизации контактных площадок. Например, если толщина металлизации контактных площадок равна 0.5 мкм, то минимальная толщина СВС пленки должна быть 1.0 мкм. Если толщина металлизации контактных площадок равна 1.0 мкм, то толщина СВС пленки должна быть 1.5 мкм. Выше толщину СВС пленки делать нецелесообразно, так как это ведет к снижению сопротивления резистивного мостика, что в ряде случаев неприемлемо. Для изоляции материала резистивного мостика от основной области СВС пленки на пленку мостика, толщиной d3, наносится изолирующая термитная пленка типа NiO/Al, CuO/Al и т.п. по два бислоя с толщиной каждого бислоя (100-250) нм. Бислой - это слой NiO+слой А1. Результаты экспериментов показали, что два бислоя пленки типа NiO/Al полностью изолируют мостик от основной области СВС пленки типа Ni/Al, толщиной d5 до 15 мкм. При использовании одного бислоя NiO/Al в ряде случаев часть мостиков может изолироваться не полностью. При использовании более двух бислоев NiO/Al увеличивается трудоемкость изготовления этих бислоев, так как слой NiO формируется путем распыления мишени Ni в среде аргон + кислород, а слой Al - в аргоне, т.е. требуется откачка кислорода из вакуумной камеры в последнем случае. СВС пленки, толщиной 15 мкм, хватает для уверенного воспламенения любого пиротехнического материала, располагаемого на поверхности СВС пленки. Также толщина d3 СВС пленки должна быть как минимум на 0.5 мкм меньше толщины d2 диэлектрической пленки, выбираемой в диапазоне (2-4) мкм, тем самым дополнительно увеличивается электрическое сопротивление между поверхностью резистивного мостика и поверхностью основной области СВС пленки из-за утонения СВС пленки на боковых стенках в диэлектрической пленке.

Для лучшего понимания устройства конструкции энергетического пиротехнического воспламенителя на фиг. 4 приведена последовательность его изготовления. Здесь: а) - формирование на плате 1 диэлектрической пленки 2 с низкой теплопроводностью (полиимид, фторопласт и т.п.); б) - формирование металлизации контактных площадок 3; в) - формирование диэлектрической пленки 4 с низкой теплопроводностью со сформированной конфигурацией резистивного мостика; г) - нанесение через свободную маску суммарной СВС пленки 5, включающей СВС пленку образующей резистивный мостик 6 (фиг. 2) с нанесенной изолирующей термитной пленкой 7 (фиг. 2) и основной областью из пленки 8 (фиг. 2).

В качестве примера был изготовлен энергетический пиротехнический воспламенитель со следующими конструктивными параметрами. В качестве платы 1 (см. фиг. 1 - фиг. 3) был использован ситалл марки СТ50-1 с теплопроводностью 1.4 Вт/м⋅К с нанесенной диэлектрической пленкой 2 с низкой теплопроводностью 0.2 Вт/м⋅К из полиимида. На плате формировались контактные площадки 3 из пленки алюминия толщиной 0.5 мкм. Затем на плате формировалась диэлектрическая пленка 4 толщиной 2 мкм из полиимида в которой методами фотолитографии вытравливалась область пленки по конфигурации резистивного мостика 6. Далее через маску была нанесена многослойная энергетическая пленка 5 состоящая из многослойной энергетической пленки 6 из Ni/Al, толщиной 1.0 мкм, образующей резистивный мостик. Для изоляции мостика от основной СВС области 8, толщиной 15 мкм использовалась термитная пленка 7 из NiO/Al (два бислоя с суммарной толщиной 500 нм).

Были получены следующие электрические параметры воспламенителя. Сопротивление мостика в диапазоне (15-30) Ом, напряжение инициирования СВС реакции U=10 В от конденсатора С=4.7 мкФ. Ток воспламенения не превышал 1А. Электрическая мощность для воспламенения составляла не более 3 Вт.

Поставленные задачи решены полностью: 1 - получены энергетические пиротехнические воспламенители с низкой энергией воспламенения Е, вычисленой по формуле E=U²⋅С/2, равной 235 мкДж. При реакции СВС пленки выделяется энергия в сотни раз больше энергии, затраченной на приведение в работу воспламенителя; 2 - получены воспламенители с повышенным сопротивлением резистивного мостика (15-30) Ом и для них требовались низкие значения токов воспламенения (меньше 1А); 3 - для получения заданной конфигурации резистивного мостика не используется химическое травление СВС пленки с фоторезистом задубливаемым при высокой температуре (200°С), тем самым устраняется воздействие химических реагентов на диэлектрическую пленку, располагаемую на плате инициатора и устраняется угроза деградации материала СВС пленки. СВС пленка формируется через металлическую маску, прижимаемую к поверхности подложки. Также возможно использование СВС пленок для которых нет селективных химических травителей.

Источники информации:

1. Патент на полезную модель RU 177296 U1. Воспламенитель на основе моногослойных структур. Опубл. 15.02.2018, Бюл. №5.

2. 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.

3. Пиротехнический энергетический воспламенитель. Патент РФ №2798415 от 26.07.2022, Дата регистрации 22.06.2023 г.

Изобретение относится к области устройств воспламенения энергетических материалов, а именно к энергетическому пиротехническому воспламенителю. Энергетический пиротехнический воспламенитель состоит из платы с нанесенной диэлектрической пленкой с низкой теплопроводностью и с сформированными на ней контактными площадками и размещенной между контактными площадками проводящей многослойной энергетической пленки с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с резистивным мостиком, выполненным из такой же проводящей многослойной энергетической пленки, и покрытой термитной многослойной энергетической пленкой из NiO/Al, или CuO/Al, или MoO₃/Al, или CuO/Ti, или NiO/Ti. На плате между контактными площадками и проводящей многослойной энергетической пленкой дополнительно размещается диэлектрическая пленка толщиной 2-4 мкм со сформированными областями в местах расположения контактных площадок и с конфигурацией контактных площадок. На диэлектрической пленке выполнена сформированная в ней область по форме резистивного мостика, служащей в дальнейшем маской, через которую будет формироваться конфигурация резистивного мостика. Технический результат заключается в создании конструкции энергетического пиротехнического воспламенителя с низкой электрической мощностью воспламенения, с малым током инициирования за счет увеличения сопротивления резистивного мостика и обеспечении формирования заданной конфигурации резистивного мостика без операций травления материала многослойной энергетической пленки без использования повышенных температур при формировании пленок фоторезистов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергетический пиротехнический воспламенитель, состоящий из платы с нанесенной диэлектрической пленкой с низкой теплопроводностью и с сформированными на ней контактными площадками и размещенной между контактными площадками проводящей многослойной энергетической пленки с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с резистивным мостиком, выполненным из такой же проводящей многослойной энергетической пленки, и покрытой термитной многослойной энергетической пленкой из NiO/Al, или CuO/Al, или MoO₃/Al, или CuO/Ti, или NiO/Ti, отличающийся тем, что на плате между контактными площадками и проводящей многослойной энергетической пленкой дополнительно размещается диэлектрическая пленка толщиной 2-4 мкм со сформированными областями в местах расположения контактных площадок и с конфигурацией контактных площадок и сформированной в ней областью по форме резистивного мостика, служащей в дальнейшем маской, через которую будет формироваться конфигурация резистивного мостика.

2. Энергетический пиротехничесий воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что толщина проводящей многослойной энергетической пленки Ni/Al, или Ti/Al, или Pd/Al, или Ru/Al, или Со/Al составляет 1-1,5 мкм, а покрывающая ее термитная пленка состоит из двух бислоев типа NiO/Al, или CuO/Al, или MoO₃/Al, или CuO/Ti, или NiO/Ti с толщиной каждого бислоя 100-250 нм.

3. Энергетический пиротехнический воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности термитной пленки располагается проводящая многослойная энергетическая пленка типа Ni/Al, или Ti/Al, или Pd/Al, или Ru/Al, или Co/Al с толщиной не более 15 мкм.