一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元的制作方法

1.本发明涉及火工品领域，尤其涉及一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元。

背景技术：

2.火工品技术应用广泛，属于大国核心竞争力关键技术之一，广泛应用于航空航天、汽车电子、通讯技术、引信技术等领域。可反应复合薄膜是利用镀膜的形式将两种及以上可以反应放热的材料集成在一起，通过能量注入引发材料的化学反应进而获得更好的输出。由于可反应复合薄膜取代了较为敏感的剂，使得火工品安全性大幅提高。除了可反应复合薄膜材料的组合，调制周期也是影响可反应复合薄膜能量转换的关键。调制周期（bilayer）是指两种及以上可反应薄膜材料的整体厚度，调制周期对可反应复合薄膜的反应温度、反应放热量、输出能力都有很大的影响。目前的可反应复合薄膜的设计和研究多关注于定调制周期的材料能量特性研究。
3.以点火管中应用的可反应复合薄膜为例，在点火管设计中，可反应复合薄膜需要在一定时间内点燃点bpn火药，目前的技术指标一般要求在5ms以内。由于可反应复合薄膜的体积能量密度和反应速度的限制，在实际应用中，以5~6a输入的条件下，很难达到毫秒量级的点燃效果。此外，剂一般要求不与铜、铝等活泼金属接触，目前的可反应复合薄膜多沉积在半导体桥上，半导体桥需要引线键合金丝，这两点都要求半导体桥的焊盘材料为金au，但是金与硅的粘附性不好，容易引起金薄膜结构变化，进而引起火工品电阻异常的问题。

技术实现要素：

4.针对以上现有的问题和需求，本发明提出一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，该可反应复合薄膜换能元解决了可反应复合薄膜输出能量有限和作用时间较长的问题，在纳米级的调制周期控制下，利用不同调制周期可反应复合薄膜能量逐级放大的特性，以毫焦级的能量输入，完成微秒级的点火输出。
5.本发明的目的是提供一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，由下向上依次包括基底、绝缘层、单晶硅桥、粘附层、金属焊盘、隔离层、可反应复合薄膜，所述基底的上表面有绝缘层，绝缘层上表面为单晶硅层，单晶硅层的中间部分刻蚀形成单晶硅桥，单晶硅桥两侧的硅层上表面均设置粘附层和金属焊盘，金属焊盘、单晶硅桥的上方覆盖隔离层，隔离层上方沉积可变调制周期的可反应复合薄膜。
6.所述单晶硅桥桥区的形状为梭形。
7.所述金属焊盘的材料为au或al。
8.所述粘附层的材料为ti或cr。
9.所述隔离层的材料为sio2或si3n4。
10.所述可反应复合薄膜包含且不限于金属氧化物纳米复合薄膜和合金化反应薄膜。
11.所述可反应复合薄膜的调制周期是可调节的，进一步的，与隔离层接触的第一调
制周期为20~50nm以下，第二调制周期为70~100nm，按照50~100nm步长，逐渐增加调制周期，直至镀膜到最终设定厚度。
12.所述可反应复合薄膜含有预混层，预混层厚度通过真空烘箱的温度和时间进行调控。
13.所述的隔离层的厚度为50~280nm。
14.所述的单晶硅桥、绝缘层和基底采用单晶soi晶圆。
15.所述的隔离层、可反应复合薄膜材料通过磁控溅射的方式制备，制备时需要不低于3个溅射。
16.所述的隔离层需完全覆盖单晶硅桥区，隔离层面积小于硅基底面积且大于可反应薄膜的面积。
17.所述的可反应复合薄膜的点火时间小于10us。
18.本发明解决了可反应复合薄膜输出能量较低和作用时间较长的问题，在纳米级的调制周期控制下，利用不同调制周期可反应复合薄膜能量逐级放大的特性，以毫焦级的能量输入，完成微秒级的点火输出。
附图说明
19.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
20.图1为本发明高瞬发度可反应复合薄膜换能元的剖面示意图；图2为本发明高瞬发度可反应复合薄膜换能元的俯视示意图；图中1.基底，2.绝缘层，3. 粘附层，4.金属焊盘，5.单晶硅桥区，6.隔离层，7.第一调制周期可反应复合薄膜，8.第二调制周期可反应复合薄膜；a单晶桥结构，b可反应复合薄膜结构。
具体实施方式
21.本发明提供的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元结构如图1和2所示，包括：基底（1）的上表面有绝缘层（2），绝缘层（2）上表面为单晶硅层，通过离子注入进行掺杂单晶硅成n型半导体，单晶硅层的中间部分刻蚀形成单晶硅桥（5），单晶硅桥呈梭形，梭形可以尽可能减小区域的热积聚，防止隔离层（6）提前破坏，单晶硅桥两侧的硅层上表面均设置粘附层（3）和金属焊盘（4），金属焊盘（4）、单晶硅桥（5）的上方溅射隔离层（6），隔离层（6）上方通过磁控溅射沉积可变调制周期的可反应复合薄膜（7）（8），注意隔离层（6）、第一调制周期可反应复合薄膜（7）和第二调制周期可反应复合薄膜（8）尽可能分步逐次溅射，减少沉积层与外界颗粒接触的机会，溅射数量不低于可反应复合薄膜材料的总和+1。
22.在本实施例中，选用单晶soi晶圆可以保证硅材料批量一致性的同时，减少硅膜沉积和生成绝缘层的工艺，增加粘附层使得金属焊盘（4）与单晶硅有更好的附着强度，不易受温度冲击带来的损伤。可反应复合薄膜与单晶硅桥区有隔离层，隔离层起到热积聚的功能，隔离层热阻大，使得单晶硅桥与隔离层的接触面温度上升，界面温度上升会进一步提高单晶桥区电阻阻值，进而增强单晶硅桥的换能效果，此外，单晶硅桥发生电爆时，隔离层（6）本身有一定的结构强度，会进一步增强单晶硅桥（5）电爆输出的效果。第一调制周期可反应复合薄膜（7）的感度高，较于第二调制周期可反应复合薄膜（8）更容易发生反应，第一调制周
期可反应复合薄膜（7）反应放出的热量会激发第二调制周期可反应复合薄膜（8）放出更多的能量激发下级，类似于链式反应，同样厚度的可反应复合薄膜能量可以在更短的时间内完成转换和释放。

技术特征：

1.一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，由下向上依次包括基底、绝缘层、单晶硅桥、粘附层、金属焊盘、隔离层、可反应复合薄膜，所述基底的上表面有绝缘层，所述绝缘层上表面为单晶硅层，单晶硅层的中间部分刻蚀形成单晶硅桥，所述单晶硅桥两侧的单晶硅层上表面均设置粘附层和金属焊盘，所述金属焊盘、单晶硅桥的上方覆盖隔离层，所述隔离层上方沉积可变调制周期的可反应复合薄膜。2.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述单晶硅桥桥区的形状为梭形；所述金属焊盘的材料为au或al；所述粘附层的材料为ti或cr；所述隔离层的材料为sio2或si3n4。3.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述可反应复合薄膜为金属氧化物纳米复合薄膜和合金化反应薄膜。4.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述可反应复合薄膜的调制周期是可调节的，与隔离层接触的第一调制周期为20~50nm，第二调制周期为70~100nm，按照50~100nm步长，逐渐增加调制周期，直至镀膜到最终设定厚度。5.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述可反应复合薄膜含有预混层，预混层厚度通过真空烘箱的温度和时间进行调控。6.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述隔离层的厚度为50~280nm。7.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述单晶硅桥、绝缘层和基底采用单晶soi晶圆。8.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述隔离层、可反应复合薄膜材料通过磁控溅射的方式制备，制备时需要不低于3个溅射。9.根据权利要求1所述的一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元，其特征在于，所述隔离层需完全覆盖单晶硅桥区，隔离层面积小于硅基底面积且大于可反应复合薄膜的面积。

技术总结

本发明提供了一种高瞬发度可反应复合薄膜换能元。本发明的高瞬发度可反应复合薄膜换能元，由下向上依次包括基底、绝缘层、单晶硅桥、粘附层、金属焊盘、隔离层、可反应复合薄膜，所述基底的上表面有绝缘层，绝缘层上表面为单晶硅层，单晶硅层的中间部分刻蚀形成单晶硅桥，单晶硅桥两侧的金属硅层上表面均设置粘附层和金属焊盘，金属焊盘、单晶硅桥的上方覆盖隔离层，隔离层上方沉积可变调制周期的可反应复合薄膜。本发明通过控制可反应复合薄膜的调制周期的厚度变化实现可反应复合薄膜的能量逐级释放，通过隔离层的厚度设计可以使单晶硅桥的热转换积聚，最终提升可反应复合薄膜的化学反应速率，实现点火功能的高瞬发度特性。实现点火功能的高瞬发度特性。实现点火功能的高瞬发度特性。