一种含能半导体桥及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体桥的技术领域，特别是一种含能半导体桥及其制备方法。
【背景技术】
[0002]火工品是武器装备的功能首发元件，伴随着高新工程技术的发展，对火工品的安全性和可靠性的要求也越来越高，半导体桥火工品应运而生。半导体桥火工品诞生于1968年，它具有高瞬发度、高安全性、高可靠性、低发火能量以及能与数字逻辑电路组合等优点。目前，数字化、智能化武器弹药的点火、姿态控制、弹道修正、解锁分离以及安全保险等都离不开微型点火和传爆序列模块(芯片)。另外汽车的安全气囊、预紧张器等民用领域也对发火装置的小型化以及低发火能量提出了高要求。与传统的桥丝式点火系统相比，将智能电子、保险和发火电路集成到起爆器上，再加上半导体桥火工品点火性能的优越性，使起爆器在体积、质量、功率和功能上都具有更多的优势，因此半导体桥火工品已成为微型点火和传爆序列芯片研宄的热点。
[0003]半导体桥火工品的核心是半导体桥芯片，所以研制半导体桥火工品的关键技术也就是寻找更为合适的半导体桥芯片，其结构和性能直接影响半导体桥火工品的性能。根据桥膜材料的发展，主要分为多晶硅半导体桥、单层金属半导体复合桥、多层金属半导体复合桥以及反应性半导体桥等几个阶段。
[0004]专利I (Hollander Jr.Semiconductive explosive igniter: US, USP3366055[P], 1968.)采用在多晶硅中进行重掺杂形成发火桥，利用半导体膜做发火元件，即多晶硅半导体桥，其结构由蓝宝石(或硅)基片与铝(或钨)覆盖层之间呈“H”型的重掺杂多晶硅构成。多晶硅半导体桥的发火机理是在电流的作用下硅桥因焦耳热迅速气化并在电场的作用形成4100K?6000K弱等离子体，这种高温、高压的流体迅速扩散到装药中，使装药受热达到着火温度而发火。
[0005]专利2 (D.A.Benson, R.W.Bickes, Jr.，R.S.Blewer.Tungsten bridge for the lowenergy ignit1n of explosive and energetic materials:US, USP 4976200[P].1990.)提供了一种钨/硅(W/Si)半导体复合桥，它由未掺杂的多晶硅上沉积一层钨构成。其作用原理为当电流通过桥时，首先大量电流从钨桥上流过，W/Si被加热，其中钨桥上电阻增加，电流减小，而硅桥上电阻迅速减小，电流增加，最后硅被汽化形成等离子体放电。由于在半导体桥上增加了金属层，与多晶硅半导体桥相比金属半导体复合桥发火时产生了固体粒子，这在一定程度上增加了半导体桥的点火能力。
[0006]专利 3(Bernardo Martinez-Tovar, John A.Montoya.Semiconductor bridgedevice and method of making the same:US, USP 6133146[P].2000.)提出了一种了由娃或蓝宝石基片、重掺杂多晶硅层、钛/钛一钨/钨(Ti/T1-W/W)复合层构成的多层金属半导体复合桥。在制作工艺过程中，Ti/Ti一W/W复合层均采用金属溅射技术，不存在退火过程。该器件克服了多晶硅半导体桥中使用铝电极的电子迀移问题和硅钨桥中使用钨基层因退火引起的氧化问题，而且作用时间短、消耗能量小。由于该多层金属结构与半导体之间粘着力强，减少了金属-硅界面的接触电阻并增加了金属层向底层的传热，提高了器件的安全性。
[0007]专利4(Roland M.F, Winfried B, Ulrich.K.Bridge igniter: US, USP6810815B2[P].2004.)提供了一种反应式半导体桥。其采用微电子制作工艺在金属半导体复合桥上分别溅射Zr、Hf、Al和CuO、Fe203、Mn02或Zr — T1、B — Ti等复合膜，通过复合膜的反应热或晶格热来提高半导体桥的点火能力。由于在半导体桥上增加了可反应物质，靠金属及氧化物之间发生铝热反应或晶格热放出的大量的热和产生的火花使药剂发火，即使含能半导体桥和药剂之间的间隙增加到近3mm的情况下，起爆药仍能全部发火。
[0008]由上述可知，半导体桥研宄关键就是寻找合适的桥膜材料，但是现有的制备方法存在以下缺陷:
[0009]专利I中多晶硅半导体桥的输出能量一定程度上取决于输入能量，而且受桥区质量和等离子体能量在空气中迅速耗散的影响，不足以实现间隙点火，且铝电极易腐蚀且会产生电子迀移现象，同时半导体桥也存在桥部产生火花量不足，点火可靠性较差。
[0010]专利2中单层金属半导体复合桥鹤层的恪点3695K、高于娃层蒸发的温度2628K，硅层蒸发产生等离子体被固态钨层包覆，从而影响发火能力。由于产生的火花量有限，因此对桥与药剂界面的要求比较苛刻，少许的间隙也会影响发火甚至导致不发火。
[0011]专利3中多层金属半导体复合桥多层金属半导体复合桥结构比多晶硅、单层金属半导体复合桥复杂，制作成本也较高。
[0012]专利4中的反应式半导体桥制备比较困难，工艺复杂，成本较高。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提供一种结构简单、性能高效的半导体桥及其制备方法。
[0014]实现本发明目的的技术解决方案为:一种含能半导体桥，包括半导体桥基底以及该半导体桥基底上制备的金属氧化物纳米铝热剂薄膜，所述金属氧化物纳米铝热剂薄膜呈三维有序大孔结构。
[0015]优选地，所述金属氧化物纳米铝热剂薄膜中的金属氧化物为Mn2O3或Co 304。
[0016]一种所述含能半导体桥的制备方法，包括如下步骤:
[0017]步骤I，制备PS微球，分散在水中形成PS微球乳液；
[0018]步骤2，制备金属氧化物前驱液；
[0019]步骤3，在半导体桥基底上滴加步骤I制备的PS微球乳液并进行干燥，PS微球在重力作用下自然沉积形成胶晶模板；
[0020]步骤4，在步骤3得到的胶晶模板上滴加步骤2制备的金属氧化物前驱液，该金属氧化物前驱液渗透入胶晶模板中，然后进行干燥得到PS微球/前驱液复合薄膜；
[0021]步骤5，将步骤4得到的PS微球/前驱液复合薄膜放入马弗炉中煅烧除去PS胶晶模板，生成三维有序大孔金属氧化物骨架；
[0022]步骤6，采用磁控溅射对步骤5得到的半导体桥基底上的三维有序大孔金属氧化物骨架进行镀铝，得到载有三维有序大孔金属氧化物纳米铝热剂薄膜的半导体桥。
[0023]优选地，步骤I所述PS微球的粒径为200?800nm。
[0024]优选地，步骤I所述PS微球乳液浓度为2?1wt %。
[0025]优选地，步骤2所述制备金属氧化物前驱液，其中金属氧化物为Mn2O3,前驱液配置过程如下JfMn(Ac)2.4H20加入到甲醇和乙二醇的混合溶剂中搅拌，直至Mn (Ac)2.4H20完全溶解，并加入PVP(1000)调节前驱液粘度；其中甲醇、乙二醇的摩尔比为3: I;Mn (Ac) 2.4Η20添加质量为甲醇和乙二醇混合溶剂质量的0.3?0.5倍；PVP(10000)添加质量为甲醇和乙二醇混合溶剂质量的0.01?0.2倍。
[0026]优选地，步骤2所述制备金属氧化物前驱液，其中金属氧化物为Co3O4,前驱液配置过程如下:将Co (NO3) 2.6H20加入到甲醇和乙二醇的混合溶剂中搅拌，直至Co(NO3)2.6H20完全溶解，并加入柠檬酸调节前驱液粘度。其中甲醇、乙二醇的摩尔比为1: 2;Co (NO3)2.6Η20添加质量为甲醇和乙二醇混合溶剂质量的0.2?0.4倍；柠檬酸添加质量为甲醇和乙二醇混合溶剂质量的0.01?0.1倍。
[0027]优选地，步骤5所述马弗炉煅烧参数为:以1°C.HiirT1的升温速率升至500°C，保温5小时，然后冷却至温室。
[0028]优选地，步骤6所述采用磁控溅射对步骤5得到的半导体桥基底上的三维有序大孔金属氧化物骨架进行镀铝，其中磁控溅射参数如下:Ar气流量32Sccm，溅射功率150w，沉积速率约1nm.mirf1;镀销时间为10?30mino
[0029]本发明与现有技术相比，其显著优点在于:(1) 3D0M金属氧化物纳米铝热剂薄膜在纳米尺度紧密接触，缩短了氧化剂与可燃剂之间的扩散传质距离，加快了反应速率，同时该结构有效阻止了过多铝在空气中暴露氧化的发生，可以有效的改变半导体桥的发火能量；(2)原料用量少，反应温度相对较低，实验安全，产物后处理方便、环保；(3)操作简单，设备便利，无需加入任何稳定剂，适用于大规模工业化生产。
【附图说明】
[0030]图1为本发明含能半导体桥的结构示意图。
[0031]图2为本发明含能半导体桥的制备方法流程示意图。
[0032]图3为本发明中实例I的3D0M Mn2O3骨架薄膜SEM图，其中(a)为放大100000倍的SEM图，(b)为放大50000倍SEM图。
[0033]图4为本发明中实例I的AVMn2O3铝热薄膜SEM图，其中(a)为放大50000倍的SEM图，(b)为放大40000倍的SEM图。
[0034]图5为本发明中实例I的3D0M Mn2O3的XRD图。
[0035]图6为本发明中实例I的3D0M Α1/Μη203纳米铝热复合薄膜DSC图。
[0036]图7为本发明中实例12的3D0M Co3O4骨架薄膜SEM图，其中(a)为放大90000倍的SEM图，(b)为放大45000倍的SEM图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0038]结合图1，本发明含能半导体桥，包括半导体桥基底以及该半导体桥基底上制备的金属氧化物纳米铝热剂薄膜，所述金属氧化物纳米铝热剂薄膜呈三维有序大孔(3D0M)结构。所述金属氧化物纳米销热剂薄膜中的金属氧化物为Mn2O3或Co 304。通过在基底上集成三维有序大孔(3D0M)金属氧化物纳米铝热剂薄膜制备半导体桥，利用薄膜反应放出的大量化学热及反应产生的灼热固体产物提高换能元的能量输出、增加发火时溅射出的火花，从而提高换能元的点火能力。
[0039]结合图2，本发明所述含能半导体桥的制备方法，包括如下步骤:
[0040]步骤1，制备PS微球，所述PS微球的粒径为200?800nm，分散在水中形成PS微球乳液，所述PS微球乳液浓度为2?1wt % ；
[0041]步骤2，制备金属氧化物前驱液；包括以下两种金属氧化物前驱液，分别如下:
[0042](a)所述制备金属氧化物前驱液，其中金属氧化物为Mn2O