一种等离子体增强型的微芯片爆炸箔起爆器及制备方法与流程

本发明涉及微型低能量点火和起爆技术领域，具体涉及一种等离子体增强型的微芯片爆炸箔起爆器及制备方法。

背景技术：

低能量点火和起爆，是武器系统中实现点火和起爆的发展趋势。

爆炸箔起爆器(explodingfoilinitiator,efi)又叫冲击片雷管，通常由基片、爆炸桥箔、飞片层、加速膛和药剂组成，是一种极其安全可靠的点火和起爆装置，传统的efi，各组件采用人工手动对准安装，导致精度低且制备成本高，采用微机电系统(microelectromechanicalsystem,mems)工艺，集成批量化制备mcefi成为新的研究趋势。

然而，当前mcefi的发火(点火或者起爆)能量较高，由武器系统(如固体火箭发动机或者导弹引信等)所提供的能量又是极其有限的，因此如何降低mcefi的发火能量，在mcefi基础上制备低能量爆炸箔起爆器(lowenergyexplodingfoilinitiator,leefi)，成为当前和今后的研究热点。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种等离子体增强型的微芯片爆炸箔起爆器及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种等离子体增强型的微芯片爆炸箔起爆器，所述起爆器包括：

作为反射背板的基片；

金属/低熔点聚合物薄膜层：置于基片之上，包括金属层和低熔点聚合物层，其中金属层设置在基片之上，包括焊盘、过渡区和桥箔，焊盘为两端最宽的部分，桥箔为中间最窄的部分，焊盘与桥箔通过逐渐变窄的过渡区相连；低熔点聚合物层设置在金属层之上，沉积在桥箔上的低熔点聚合物层向过渡区部分延伸；

抗拉聚合物飞片层：设置在金属/低熔点聚合物薄膜层之上；

加速膛：为一中空的圆柱，设置在抗拉聚合物飞片层之上，位于桥箔正上方，加速膛的膛孔直径大于或等于桥箔的边长；

药剂：置于加速膛的正上方。

所述金属层的金属为au、ag、cu或al；所述低熔点聚合物层的聚合物为pe或ptfe。

所述基片为陶瓷、金属或玻璃。

所述抗拉聚合物飞片层为pc、pi或pmma。

所述加速膛的膛孔直径为桥箔边长的1倍倍或2倍。

所述药剂为点火药或高能猛炸药，形状为药柱或药片的形式，装药密度为理论密度的85％-95％。

所述焊盘尺寸为1.5-3mm×5mm-10mm，从桥箔到焊盘距离为5mm-6mm；低熔点聚合物层厚度为2μm-4μm；聚合物飞片层厚度为20μm-40μm；加速膛高度为0.4mm-0.8mm；药柱尺寸为直径3mm-5mm×高度3mm-5mm。

一种制备上述的等离子体增强型的微芯片爆炸箔起爆器的方法，所述方法采用微机电系统工艺，具体包括如下步骤：

步骤一，清洗基片；

步骤二，利用镀膜工艺制备金属层；

步骤三，采用cvd、电子束蒸发或原位聚合方法制备低熔点聚合物层；

步骤四，采用cvd、电子束蒸发或原位聚合方法制备聚合物飞片层；

步骤五，制备加速膛：在飞片层上方、桥箔正上方，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影的工艺制备加速膛；

步骤六，将经压药后的药剂置于加速膛正上方，即能制备出一种等离子体增强型的微芯片爆炸箔起爆器。

所述步骤一中清洗基片具体为在超声条件下，用去离子水、丙酮和乙醇依次对基片表面进行清洗，直至表面被洗净为止。

所述步骤二中的镀膜工艺具体为磁控溅射和湿法刻蚀工艺。

所述步骤五中，采用光刻工艺，使用su-8光刻胶在聚合物飞片层上方、桥箔正上方制备中空圆柱形的su-8胶加速膛。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明通过使用金属/聚合物层，使得聚合物在桥箔电爆炸的基础上，能被激发产生大量的蒸汽和等离子体，增强了桥箔剪切及驱动飞片的能力，降低mcefi的发火能量；

(2)本发明采用微机电系统(microelectromechanicalsystem,mems)工艺制备mcefi，可实现批量化生产，降低了制备成本，并且所得mcefi的集成度高、体积小。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明等离子体增强型的mcefi的立体图。

图2是本发明等离子体增强型的mcefi的俯视图。

图3是本发明等离子体增强型的mcefi的制备工艺流程示意图；其中(a)为基片主视图，(a′)为基片俯视图；(b)为制备金属层之后的主视图，(b′)为制备金属层之后的俯视图；(c)为制备低熔点聚合物层之后的主视图，(c′)为制备低熔点聚合物层之后的俯视图；(d)为制备聚合物飞片层之后的主视图，(d′)为制备聚合物飞片层之后的俯视图；(e)为制备加速膛之后的主视图，(e′)为制备加速膛之后的俯视图；(f)为放置药剂之后的主视图，(f′)为放置药剂之后的俯视图。

图4是本发明等离子体增强型的mcefi的发火电路连接示意图。

附图标记说明：

1-基片，2-金属层，21-焊盘，22-过渡区，23-桥箔，3-低熔点聚合物层，4-聚合物飞片层，5-加速膛，6-药剂。

具体实施方式

下面结合附图，以具体实施方式对本发明作进一步描述。

所述等离子体增强型的mcefi主要包括基片1、等离子体增强型桥箔23(桥箔和低熔点聚合物层)、抗拉聚合物飞片层4、加速膛5和药剂6以及焊盘21和过渡区22。药剂6之前的目标层都采用mems工艺制备：在基片上一体化制备出包含焊盘21、过渡区22、等离子体增强型桥箔23(桥箔和低熔点聚合物层)、飞片层4及加速膛5在内的集成芯片，再将药剂6置于加速膛5正上方即能制备出等离子体增强型的mcefi。所述焊盘21、过渡区22和金属桥箔23可以采用磁控溅射镀膜等镀膜方法同时制备；所述低熔点聚合物层3和飞片层4可以依次采用cvd或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备；所述加速膛5选用光敏材料，如su-8光刻胶，采用紫外光光刻工艺制备，加速膛5位于飞片层4上方、桥箔23正上方，为一中空的圆柱，其膛孔直径为桥箔23直径的1倍、倍或者2倍；所述药剂6为药柱或者药片的形式，装药密度为理论密度的85％-95％。所述mcefi可以用于直列式点火和直列式起爆领域。

结合图1至图3，所述一种等离子体增强型的mcefi主要包括基片1、金属桥箔23和低熔点聚合物层3、抗拉聚合物飞片层4、加速膛5和药剂6以及焊盘21和过渡区22。该mcefi的制备过程如下：

第一步，清洗基片1：在超声条件下，用去离子水、丙酮和乙醇依次对基片1表面进行清洗，直至表面被洗净为止。

第二步，制备金属层：利用磁控溅射等镀膜工艺制备au或ag或cu或al等金属层，金属层上下对称，包括焊盘21、过渡区22和桥箔23。所述焊盘21为两端最宽的部分，所述金属桥箔23为最窄的部分；从焊盘至桥箔之间的区域由逐渐变窄的过渡区22连接，短脉冲大电流从焊盘21经过渡区22流入桥箔23，截面积逐渐缩小，这有利于能量的汇聚，推进桥箔23电爆炸形成等离子体。

第三步，制备低熔点聚合物层3：采用cvd或者电子束蒸发或者原位聚合等方法在金属桥箔23上方制备，为保证聚合物的粘附性，沉积在桥箔23上的聚合物向过渡区22部分延伸。

第四步，制备飞片层4：采用粘贴胶带(如聚酰亚胺胶带)的方法，先将焊盘区21保护，然后采用cvd或者电子束蒸发或者原位聚合等方法在低熔点聚合物层3上方制备飞片层4。

第五步，制备加速膛层5：在飞片层4表面，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影的工艺将掩膜版上的目标图形转移到桥箔正上方，为一中空的圆柱，加速膛起着约束及加速飞片的作用，其直径直接影响等离子体量及约束效果，根据研究膛孔直径为桥箔23直径的1倍(内切)、倍(外切)或者2倍(视为无限大)。

第六步，将经压药后具有一定密度的药剂6置于加速膛5正上方，即能制备出一种等离子体增强型的mcefi。

具体而言，桥箔23在短脉冲大电流作用下，一方面被激发产生大量蒸汽和等离子体，另一方面低熔点聚合物在热的作用下，进一步增加了蒸汽和等离子体量。蒸汽和等离子体剪切抗拉聚合物飞片层4，并在加速膛5中驱动飞片。在出加速膛5口后，飞片具有较高的速度，为每秒数千米，高速飞片直接作用在具有一定密度的药剂6表面上，实现点火或者起爆功能。

实施案例

本实施案例是在制备mcefi的基础上设计了发火电路，结合图3和图4，包括以下步骤(注：图3中的左右两图分别为制备工艺过程的主视图和俯视图)：

第一步，见图3(a)和(a′)，对50.8mm(长)×50.8mm(宽)×0.635mm(高)的al2o3陶瓷基片1表面进行清洗。

第二步，见图3(b)和(b′)，采用磁控溅射和湿法刻蚀工艺在al2o3陶瓷基片1表面沉积cu金属层，构成焊盘21、过渡区22和金属桥箔23。相关尺寸为：焊盘21宽5mm-10mm；从金属桥箔23到焊盘21距离为5mm-6mm；桥箔尺寸为0.4mm(长)×0.4mm(宽)×3.6μm(高)；焊盘21到金属层中间由逐渐变窄的过渡区22相连。

第三步，见图3(c)和(c′)，在金属桥箔23及部分过渡区22上，采用cvd及图形化工艺制备pe，厚度为2μm-3μm。

第四步，见图3(d)和(d′)，使用胶带将焊盘区21保护，采用cvd方法沉积聚合物pc，厚度为20μm-40μm，剥离胶带后裸露焊盘，制备出pc飞片层4。

第五步，见图3(e)和(e′)，采用光刻工艺，使用su-8光刻胶在pc飞片层4上方、桥箔23正上方制备中空圆柱形的su-8胶加速膛5，直径为桥箔边长：0.4mm；高度为0.4mm-0.8mm。

第六步，见图3(f)和(f′)，在su-8胶加速膛5上采用胶带正对加速膛5紧贴钝感药柱，装药采用对短脉冲敏感的猛炸药六硝基芪-四型(hns-iv)，其装药密度取为理论密度1.74g/cm³的85％-95％，药柱尺寸为：4mm(φ)×4mm(h)，起爆能量约0.1j。

见图4，在mcefi的基础上设计了发火电路：将一种等离子体增强型的mcefi、高压电容和三电极气体开关组成串联电路，首先在mcefi两端的焊盘上通过电容施加主高压，然后通过对开关触发极(t)施加触发脉冲信号(另外，a代表开关阳极，k代表开关阴极)，从而导通1000v-1300v的主高压，回路中出现短脉冲大电流，即能完成起爆功能。