0416-3985101
中文|English
網站首頁 關于我們
資質榮譽
產品展示
成功案例
行業動態
工程業績
在線留言
聯系我們

行業動態

當前位置:首頁>行業動態

氮化鉭薄膜換能元低能化研究 

發布時間:2023/11/25

      MEMS火工品具有結構微型化、換能信息化和序 列集成化等特征,是新一代火工品的重要發展方向。 微結構換能元作為MEMS火工品的核心部分,決定了 MEMS火工品的發火性能、安全性和可靠性,進而影 響武器彈藥的作戰性能[1-3]。

      微結構換能元主要是將金屬或半導體等材料沉 積到絕緣基片上制作而成。氮化鉭(TaN)具有優良 的電學性能、穩定的熱性能、抗氧化腐蝕性能好等特 點, 在航空航天、微電子、生物醫學、動力機械等領域有著重要應用[4-5]。與金屬材料相比,TaN的電阻溫 度系數(TCR)為負值, 電阻隨溫度的增加而減小, 有利于實現微結構換能元的低能化。國外維歇 (Vishay)公司披露了一種基于TaN薄膜技術的電起 爆器薄膜芯片, 發火能量降至 50μJ;國內蔡賢耀等 制備的TaN薄膜發火能量為 1 ~30mJ[6] ,陜西應用物 理化學研究所制備的TaN  薄膜發火能量為 0.6mJ [7]。 國內外相關領域研究成果差距較大。

      本文設計制作了不同橋膜厚度、不同橋區尺寸、不同橋區圖形的 TaN 薄膜換能元,并對其發火感度進 行了測試,獲得了橋區參數對換能元發火性能的影 響, 為微結構換能元的低能化提供基礎參數。

1  實驗部分

1.1 氮化鉭薄膜換能元的設計與制備

      氮化鉭薄膜換能元整體結構由基體、中間層、發 火層、焊盤層組成,示意圖如圖 1 所示?;w的作用 是支撐載體,基體材料選用 7740 玻璃;中間層的作 用是增加材料之間的黏附力,中間層材料選用鈦或鎳 鉻;發火層材料為氮化鉭;焊盤層的作用是提高導電 性能,焊盤材料選用銅。橋區在發火層上兩個焊盤之 間裸露出來的部分,示意圖如圖 2 所示。

1700872212549.png

圖 1 氮化鉭薄膜換能元整體結構設計示意圖

                 橋區

圖片2.png 

圖 2 橋區示意圖

      氮化鉭薄膜換能元采用 MEMS 工藝制備,氮化 鉭薄膜采用磁控濺射工藝制備,選用意大利 KENO- SISTEC 公司KS60VR 型磁控濺射設備。本文選用 99.9%的氮化鉭作為靶材, 腔體真空度為 5×10-6Pa , 濺射功率為 200W,濺射時間為 50min,Ar流量為 60 sccm,基底溫度為 70°。通過勻膠、光刻、顯影、剝 離技術等一系列MEMS工藝完成換能元圖形的制備。

      氮化鉭薄膜厚度通過調節磁控濺射時間來控制, 實際測量值與設計值誤差極小,所以本文氮化鉭薄膜 厚度統一采用設計值。橋區形狀通過光刻工藝制備, 線條尺寸在 10μm 以上,實際測量值與設計值誤差極 ??; 線條尺寸 10μm 以下, 實際測量值比設計值小, 線條容易出現斷裂等現象,工藝成品率不高,本文涉 及數量只有 1 個,故本文橋區尺寸統一采用設計值。

1.2 氮化鉭薄膜換能元的發火感度測試

      依據 GJB/z 377A-94 感度試驗用蘭利法,對不同 橋區參數的氮化鉭薄膜換能元發火感度進行測試,選 用的儀器分辨率為 0.1V,試驗數據分布假設為正態分 布。測試用起爆電路如圖 3 所示, 采用 33μF 發火電 容,含能材料采用斯蒂芬酸鉛。

1700872351413.png

圖 3 起爆電路示意圖

2  結果與討論

2.1 橋膜厚度對 TaN 薄膜換能元發火感度的影響

      在橋區選用圖形 1(如圖 4 所示)、橋區尺寸為 0.2mm×0.2mm 情況下,對不同橋膜厚度的換能元進 行發火感度測試,結果如表 1 所示。

1700872428580.png

圖 4 橋區圖形 1 示意圖

表 1 不同橋膜厚度的換能元發火感度測試結果

1700872483251.png

      表 1 結果表明:當橋區形狀、尺寸一定時,隨著 橋膜厚度的增加,換能元的發火電壓先降低再升高, 當橋膜厚度為 0.9μm 時,平均發火電壓最小,為 6.4V。

 2.2 橋膜尺寸對 TaN 薄膜換能元發火感度的影響

      根據表 1 測試結果,選用厚度為 0.9 μm 的橋膜, 橋區選擇圖形 1,通過改變橋區尺寸(H×L ),研究其 對發火感度的影響規律。不同橋區尺寸的換能元發火 感度測試結果如表 2 所示。

表 2 不同橋區尺寸的換能元發火感度測試結果

1700872540170.png

      表 2 結果表明: 當橋膜厚度、橋區形狀一定時, 隨著橋區尺寸的減小,換能元的發火電壓也不斷減 小,當橋區尺寸為 0.1mm×0.1mm 時,平均發火電壓 最小,為 6.4V。

2.3 橋區夾角對 TaN 薄膜換能元發火感度的影響

      根據表 1 ~2 的測試結果, 選用厚度為 0.9μm 的 橋膜,橋區尺寸為 0.1 mm×0.1mm,改變橋區形狀和 橋區形狀夾角得到橋區圖形 2,如圖 5 所示。

1700872593855.png

圖 5 不同夾角的橋區圖形 2

      夾角 θ 設計為 30°、45° 、60°, 對其進行發火感 度測試,測試結果如表 3 所示。表 3 結果表明:相同 厚度和橋區尺寸的情況下,橋區圖形 2 的平均發火電 壓比橋區圖形 1 平均發火電壓低; 夾角 θ 為 45°時, 換能元的平均發火電壓最小,為 5.6V。

表 3 不同夾角的換能元發火感度測試結果

1700872655468.png

2.4 橋區形狀對 TaN 薄膜換能元發火感度的影響

      選用厚度為 0.9μm 的橋膜,橋區圖形 2,橋區尺 寸為 0.5mm×0.5mm,夾角 θ 為 45°, 通過對橋區圖 形 2 中間部分進行等分, 研究不同橋區形狀下,TaN 薄膜換能元的發火感度變化。橋區圖形 4 等分的橋區 形狀(橋區圖形 3)如圖 6 所示。

      不同橋區等分的換能元發火感度測試結果如表 4 所示,表 4 結果表明:在相同橋膜厚度、橋區尺寸及 橋區夾角的情況下,將橋區中間部分等分為 8 時,平 均發火電壓最低,為 11.9V;當橋區等分數增加到 30時,橋區線條容易出現斷裂等現象,線條實際測量值 與設計值誤差較大,工藝成品率不高。結合制造工藝 水平和發火感度測試結果,橋區等分數在 4 ~ 8 之間最優。

圖片6.png

圖 6  橋區圖形 2 的4 等分示意圖(橋區圖形 3)

表 4 不同橋區等分的換能元發火感度測試結果

1700872832829.png

      在以上研究的基礎上進一步優化橋區圖形,選用 橋膜厚度為 0.9μm,橋區尺寸 0.5mm×0.5mm,夾角 為 45° , 橋區等分為 4,對圖 6 所示橋區圖形 3 添加了鋸齒形狀,如圖 7 所示。

1700872884837.png

圖7  優化設計的橋區圖形示意圖

      優化后橋區圖形為6種, 橋區圖形4鋸齒數為4 , 尖角為90°; 橋區圖形5鋸齒數為4,尖角為60°;橋區 圖形6鋸齒數為10,尖角為60°;橋區圖形7鋸齒形狀 為正方形,鋸齒數為4;橋區圖形8鋸齒形狀為半圓形, 鋸齒數為4;橋區圖形9鋸齒形狀為梯形,鋸齒數為4; 橋區圖形4、5 、7、8、9中,鋸齒左右、上下間距均 相同。優化后不同橋區形狀的換能元發火感度測試結 果如表5所示。表5結果表明:相同厚度和橋區尺寸的 情況下, 總體上鋸齒為尖角形狀圖形(橋區圖形4、 橋區圖形5、橋區圖形6)的發火電壓低于優化前不帶 鋸齒形狀圖形的發火電壓,鋸齒尖角為60°(橋區圖 形5)發火電壓低于鋸齒尖角為90°(橋區圖形4)的發火電壓; 橋區圖形7、8 、9的發火電壓相近,發火 電壓略大于橋區圖形3(橋區等分為4)的發火電壓, 說明鋸齒為平直的或半圓的圖形對通過的電流有阻礙的作用。

表5 優化后不同橋區圖形的換能元發火感度測試結果

1700872964660.png

2.5 TaN 薄膜換能元換能元發火電壓

      根據以上研究結果,設計 4 種方案進行低能化試 驗驗證,試驗方案如表 6 所示。TaN 薄膜換能元發火 感度測試結果如表 7 所示。表 7 試驗結果表明:從方 案 1 到方案 4,發火電壓逐漸減小,方案 3 與方案 4 平均發火電壓降至 5V 以下。

表6 TaN薄膜換能元發火感度試驗方案

1700873013830.png

表7 TaN薄膜換能元發火感度測試結果

1700873051133.png

3  結論

      本研究基于 TaN 優良的電學性能, 采用 MEMS 工藝制備了 TaN 薄膜換能元,開展了橋膜厚度、橋區圖形及尺寸對微結構換能元發火感度的影響研究,得 到以下結論:

     ( 1)當橋區形狀和尺寸一定時, 隨著橋膜厚度 的增加,TaN 薄膜換能元的發火電壓先減小,當橋膜 的厚度增加到一定的程度,換能元發火電壓又有增大 的趨勢。橋膜厚度為 0.9μm 時, 發火電壓最小。

     (2)橋區的形狀對 TaN 薄膜換能元的發火電壓 有顯著的影響。本文通過一系列圖形的研究,設計出 一種整體圖形為“工”字形的橋膜,當橋區夾角 θ  為 45° 、橋區 4 等分、鋸齒數為 4、鋸齒尖角為 60°時, 換能元發火電壓低于 5V,實現了 TaN 薄膜換能元低 能化的目的。

    <track id="cetca"><div id="cetca"></div></track>
    <bdo id="cetca"></bdo>
    <bdo id="cetca"></bdo>
        <track id="cetca"></track>

      1. <track id="cetca"><span id="cetca"></span></track>
      2. <track id="cetca"><span id="cetca"></span></track>

        1. <bdo id="cetca"><optgroup id="cetca"></optgroup></bdo>