本發(fā)明涉及電火工品的基礎部件技術領域，特別是一種SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元。

背景技術：
電火工品是含能材料燃燒與爆炸常用的初始能源之一，在武器裝備和國民經(jīng)濟領域有著廣泛的應用，如礦山爆破，安全保護氣囊，微小型衛(wèi)星推進系統(tǒng)，火箭發(fā)動機點火系統(tǒng)，戰(zhàn)斗部的傳火與傳爆序列，導彈的彈道修正和安全保險裝置等。橋絲式電火工品是使用的最廣泛的電火工品。它是靠電流通過有一定電阻的微細金屬橋絲，電能按焦耳-楞次定律Q＝0.24I2Rt產(chǎn)生熱量，使橋絲升溫達到灼熱狀態(tài)，加熱橋絲周圍的炸藥使其爆炸。橋絲式電火工品的橋絲材料通常為鎳鉻、康銅或鉑銥等，當電流通入橋絲后，在橋絲上電能轉換成熱能，能量的轉換效率較低。橋絲式電火工品通常是用焊錫將橋絲直接焊接在兩個腳線上，防射頻的效果不好，容易受到外界電磁波的影響出現(xiàn)意外發(fā)火。同時由于受加工方法的限制，橋絲式電火工品的集成度不好，很難實現(xiàn)與火工品其它部件的集成化生產(chǎn)。半導體橋(SemiconductorBridge，簡稱SCB)火工品是指利用半導體薄膜或金屬-半導體復合薄膜作發(fā)火組件的一類電火工品。SCB的作用機理是等離子體的微對流作用，當向SCB通脈沖電流時，橋膜材料因焦耳熱迅速汽化，在電場的作用下形成弱等離子體放電，等離子體迅速擴散到與其相鄰的煙火劑或高能炸藥中，向煙火劑或高能炸藥進行極迅速的熱量傳遞，使其受熱達到著火溫度而發(fā)火。SCB具有一定的防射頻特性，但電熱轉換率較低，制作工藝復雜，生產(chǎn)成本較高，并且在裝藥時經(jīng)常和藥劑間留有縫隙，發(fā)火可靠性有待進一步提高。薄膜電橋是把金屬通過物理或化學方法制作在基片上的一種膜式換能元，它的工作原理是，在橋體通電后，橋體經(jīng)過電加熱發(fā)生爆炸，產(chǎn)生等離子體點燃藥劑。薄膜電橋可以用MEMS工藝加工制作，容易實現(xiàn)與火工品其它部件的集成化生產(chǎn)，但與橋絲式電火工品和SCB相似，它僅依靠電能加熱橋膜，能量轉換率低。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種安全性高、點火能力強的SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元，由下向上依次包括Si基底、SiO2絕緣層、N型重摻雜多晶硅橋、金屬焊盤、Al/MxOy氧化物納米復合薄膜，所述Si基底的上表面有SiO2絕緣層，SiO2絕緣層上表面沉積生長一層N型重摻雜多晶硅層，N型重摻雜多晶硅層的中間部分刻蝕形成N型重摻雜多晶硅橋，N型重摻雜多晶硅橋兩側的N型重摻雜多晶硅層上表面均設置金屬焊盤，N型重摻雜多晶硅橋的橋區(qū)上方覆蓋Al/MxOy氧化物納米復合薄膜，所述Al/MxOy氧化物納米復合薄膜的底層為MxOy薄膜，MxOy薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且MxOy薄膜和Al薄膜的厚度均為納米級。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)使用SCB作為初級換能元提高了電爆換能元的安全性，可耐受1A1W5min不發(fā)火；(2)調制周期在100nm的納米復合薄膜具有放熱量高、反應速率快等特點，可提高換能元的點火能力；(3)電爆換能元的MEMS制作工藝提高了與火工品其他部件的集成度。附圖說明圖1是SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元的結構圖，其中(a)是俯視圖，(b)是主視圖。圖2是刻蝕出預定形狀的半導體橋結構圖，其中(a)是俯視圖，(b)是主視圖。圖3是帶有金焊盤的SCB圖，其中(a)是俯視圖，(b)是主視圖。圖4是自動控制磁控濺射鍍膜儀示意圖。圖5是封裝于陶瓷塞的電爆換能元結構圖，其中(a)是俯視圖，(b)是主視圖。圖6是微型點火陣列示意圖。具體實施方式下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元的基本結構如圖1所示，由下向上依次包括Si基底1、SiO2絕緣層2、N型重摻雜多晶硅橋3、金屬焊盤4、Al/MxOy氧化物納米復合薄膜5，所述Si基底1的上表面有SiO2絕緣層2，SiO2絕緣層2上表面沉積生長一層N型重摻雜多晶硅層，N型重摻雜多晶硅層的中間部分刻蝕形成N型重摻雜多晶硅橋3，N型重摻雜多晶硅橋3兩側的N型重摻雜多晶硅層上表面均設置金屬焊盤4，N型重摻雜多晶硅橋3的橋區(qū)上方覆蓋Al/MxOy氧化物納米復合薄膜5，所述Al/MxOy氧化物納米復合薄膜5的底層為MxOy薄膜，MxOy薄膜和Al薄膜由下至上交替分布，且MxOy薄膜和Al薄膜的厚度均為納米級。優(yōu)選地，所述N型重摻雜多晶硅橋3橋區(qū)的形狀為正方形、長方形或V字形。優(yōu)選地，所述金屬焊盤4的材料為Au、Al、Pt、Ti或Cu。優(yōu)選地，所述Al/MxOy氧化物納米復合薄膜5中Al/MxOy為Al/CuO、Al/MoO3或Al/Fe2O3。所述Al/CuO納米復合薄膜的調制周期是80nm，其中Al薄膜的厚度是26nm，CuO薄膜的厚度是54nm；Al/MoO3納米復合薄膜的調制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，MoO3薄膜的厚度是45nm；Al/Fe2O3納米復合薄膜的調制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，F(xiàn)e2O3薄膜的厚度是45nm。本發(fā)明內容主要包括以下三個方面：1.使用SCB作為初級換能元提高了換能元的可靠性。SCB使用微電子技術制造，用半導體橋膜做發(fā)火元件，它具有發(fā)火能量低、作用時間短等優(yōu)越性能，是現(xiàn)代火工品的典型代表。焊盤和半導體橋膜與底層硅基底接觸緊密，如圖1。硅具有良好的散熱性，且硅基底體積較發(fā)火層體積大很多，當有外界能量持續(xù)注入到換能元區(qū)時，產(chǎn)生的熱量可及時通過底層硅基底導走，防止橋區(qū)因熱積累而意外發(fā)火，提高了換能元的安全性。將換能元封裝于陶瓷塞，可通過1A1W5min不發(fā)火的鈍感實驗。2.調制周期在100nm的納米復合薄膜具有放熱量高、反應速率快等特點，可提高換能元的點火能力。先在SCB表面使用磁控濺射工藝濺射一層厚度在100nm以下的MxOy薄膜作為絕緣層，防止復合薄膜對SCB發(fā)火產(chǎn)生影響，之后交替濺射Al和MxOy納米含能復合薄膜。Al和MxOy納米含能復合薄膜在加熱時能激烈地發(fā)生氧化還原反應，并放出大量的熱，Al和CuO的理論放熱量是4067J/g，Al和MoO3的理論放熱量是4703J/g，Al和Fe2O3的理論放熱量是3956J/g。本發(fā)明利用程序自動控制磁控濺射儀制備出了Al/MxOy納米含能復合薄膜，并通過DSC實驗測定了調制周期接近理論化學計量比時的放熱量。Al/CuO納米復合薄膜的調制周期是80nm，其中Al薄膜的厚度是26nm，CuO薄膜的厚度是54nm，放熱量是2181J/g；Al/MoO3納米復合薄膜的調制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，MoO3薄膜的厚度是45nm，放熱量是3198J/g；Al/Fe2O3納米復合薄膜的調制周期是75nm，其中Al薄膜的厚度是30nm，F(xiàn)e2O3薄膜的厚度是45nm，放熱量是1680J/g。換能元通電時，瞬間大電流通過SCB產(chǎn)生焦耳熱，使多晶硅橋區(qū)融化并電離產(chǎn)生高溫等離子體，當達到一定溫度時，點燃覆蓋于SCB之上的Al/MxOy納米含能復合薄膜，納米復合薄膜發(fā)生劇烈的氧化還原反應，釋放出反應熱。因此，在輸入相同的電能時，SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元不僅產(chǎn)生了焦耳熱，而且還釋放出化學反應熱，提高了換能元的點火能力。3.SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元的MEMS制作工藝提高了與火工品其他部件的集成度。使用標準的半導體橋制備工藝技術在硅片上制備出呈陣列分布的SCB：將硅基片上沉積生長一層厚度約為2μm的N型重摻雜多晶硅層，經(jīng)氧化、光刻、掩膜、洗蝕工序形成預定形狀的半導體橋，在橋上沉積一層厚度1μm的金層，再經(jīng)過光刻、掩膜、洗蝕工序形成具有金焊盤的半導體橋；使用正性反轉光刻膠(AZ5200)，利用紫外光刻反轉剝離工藝在每個SCB橋區(qū)制備出1mm×1mm鏤空圖形用于濺射納米復合薄膜，使用程序自動控制磁控濺射鍍膜儀交替濺射Al/氧化物納米復合薄膜，最后經(jīng)去膠、劃片、焊絲、封裝等工藝制備出單個成品。也可以將制備完成的SCB圓片經(jīng)劃片、焊絲、封裝于陶瓷塞后再使用程序自動控制磁控濺射鍍膜儀在單個SCB上直接交替濺射沉積Al/MxOy納米含能復合薄膜。整個工藝均采用標準的微細加工工藝制作，基底材料選用的是半導體材料常用的硅，因此和MEMS火工品系統(tǒng)具有很好的相容性。實施例1本實施例提供SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元制備過程：將硅基片上沉積生長一層厚度約為2μm的N型重摻雜多晶硅層，經(jīng)氧化、光刻、掩膜、洗蝕工序形成預定形狀的半導體橋，橋區(qū)尺寸為長80μm，寬380μm，厚2μm，V型夾角為90°，如圖2，Si基底1厚度為500μm，SiO2絕緣層2厚度為2μm，N型重摻雜多晶硅橋3厚度為2μm。在已經(jīng)刻蝕出預定形狀的半導體橋上沉積一層厚度1μm的金層，再經(jīng)過光刻、掩膜、洗蝕工序形成具有金焊盤的半導體橋，如圖3。Al/MxOy納米含能復合薄膜制備工過程為：用丙酮和去離子水超聲清洗帶有SCB陣列的基片15min，在空氣中吹干后放入200℃烘箱烘烤備用。用正性反轉光刻膠(AZ5200)在基片上涂覆后烘干，加正方形復合薄膜的掩膜后進行初次曝光和反轉曝光，顯影后在每個SCB橋區(qū)中央形成1000μm×1000μm的正方形倒臺型輪廓，之后向顯影完成的帶有SCB的基片上濺射納米復合薄膜。使用自主設計的自動控制磁控濺射鍍膜儀，同時起輝對稱方向的兩個靶頭，由程序自動控制基片在雙靶之間來回循環(huán)，實現(xiàn)納米含能薄膜的高效制備，如圖4所示，自動控制磁控濺射鍍膜儀包括真空室6、磁控濺射靶7、Al靶材8、CuO或MoO3或Fe2O3靶材9、換能元樣品10、程序控制電動旋轉承片臺11、擋板12、水冷13。將鍍好納米復合薄膜的基片放入丙酮溶液超聲清洗30sec去除殘膠，再用去離子水清洗，烘干后即得到電爆換能元芯片，其結構示意圖如圖1所示，其中，硅片厚度為500μm；SiO2厚度為2μm；n型摻雜多晶硅厚度為2μm；Al/MxOy納米含能復合薄膜厚度可根據(jù)需要確定，納米復合薄膜最底層須為一定厚度的氧化物層，此氧化物層可起到絕緣層的作用，防止納米復合薄膜對SCB發(fā)火產(chǎn)生影響。覆有納米復合薄膜的SCB基片經(jīng)劃片、焊絲、封裝在陶瓷塞14中，制備成單個成品換能元，如圖5所示，為確保焊絲可靠導通，在焊絲上覆蓋導電銀漿17，外接輸入源通過第一腳線15和第二腳線16激發(fā)換能元實現(xiàn)換能電爆。該電爆換能元可應用于電火工品的單點點火，也可與火工品其他部件集成，實現(xiàn)點火、傳火、傳爆功能。實施例2本實施例提供SCB集成Al/MxOy納米含能復合薄膜的電爆換能元的點火陣列應用：陣列全部是由微細加工工藝制作而成，可以以實施例1所述的單個換能元為基礎，制作微型點火陣列。點火陣列的結構如圖6所示。圖6中黑色的部分為換能元，組成了6×6個點火單元，通過點火母線與單元的邏輯尋址電路可以實現(xiàn)點火單元的獨立發(fā)火。邏輯尋址電路材料采用Cu或Au薄膜，Cu或Au薄膜具有較低的電阻率，對換能元的影響較小，線路的寬度為50μm。類似于這種的邏輯尋址點火電路，可以用于微推進器系統(tǒng)的點火，也可以用于多點點火系統(tǒng)和微型雷管點火系統(tǒng)等。