(B/Ti)n/TaN薄膜點(diǎn)火橋的制備及點(diǎn)火性能

蔡賢耀,蔣洪川,閆裔超,張宇新,鄧新武,張萬里

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610054)

1 引 言

電火工品是一種由較小電能刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸,用于引燃火藥、引爆炸藥、做機(jī)械功等預(yù)定功能的一次性使用的元件或裝置的總稱。傳統(tǒng)的電火工品是利用金屬橋絲通電后,將電能轉(zhuǎn)化為熱能,進(jìn)一步點(diǎn)燃涂覆在電阻絲周圍的起爆藥劑,如斯蒂芬酸鉛點(diǎn)火藥等,達(dá)到點(diǎn)火的目的。這種方法需手工涂覆點(diǎn)火藥劑、難以批量化生產(chǎn)、不容易集成化生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)化效率低,安全性、可靠性、一致性低。采用沉積技術(shù)制備的膜橋(薄膜點(diǎn)火橋)具有作用時(shí)間短、適合集成化生產(chǎn)、體積小、安全性、可靠性、一致性高等優(yōu)勢[1]。為此,國內(nèi)外對薄膜點(diǎn)火橋的設(shè)計(jì)和制備進(jìn)行了大量的研究工作[2-5],取得了較大的進(jìn)展。但是這類薄膜點(diǎn)火橋仍需手工涂覆點(diǎn)火藥劑,存在點(diǎn)火輸入能量高、能量轉(zhuǎn)換效率低、起爆藥劑與橋區(qū)難以緊密接觸等問題。可反應(yīng)多層膜(Reactive Multilayer Films,RMFs)是一種疊層式納米含能薄膜材料,它在熱能或電能作用下可發(fā)生化學(xué)或合金化反應(yīng),釋放出大量的能量,可制備成含能點(diǎn)火膜橋。國內(nèi)外對Ni/Al、Al/CuO、Al/MoO3、Al/Fe2O3、B/Ti等可反應(yīng)含能多層膜橋的制備和性能進(jìn)行了大量的研究[6-11],取得了一定的成果。若能將薄膜點(diǎn)火橋和可反應(yīng)含能多層膜橋進(jìn)行復(fù)合,即在薄膜點(diǎn)火橋上再沉積可反應(yīng)含能多層膜,用可反應(yīng)含能多層膜取代點(diǎn)火藥劑,實(shí)現(xiàn)電能材料和化學(xué)能材料的結(jié)合,可有效提高點(diǎn)火橋的安全性、可靠性、一致性,降低點(diǎn)火輸入能量,提高能量轉(zhuǎn)換效率,避免手工涂覆點(diǎn)火藥的缺陷。Kaili Zhang團(tuán)隊(duì)[12]在Au膜橋上制備了CuO納米線后沉積一層Al,成功地利用Au膜橋引燃CuO/Al含能膜實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火,并且有效地提高了能量轉(zhuǎn)換效率,但在點(diǎn)火時(shí)間延遲,爆炸溫度等點(diǎn)火性能方面還有待進(jìn)一步提升。

本研究將B/Ti可反應(yīng)含能多層膜與TaN膜橋相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能的結(jié)合,實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射和濕法腐蝕工藝制備TaN膜橋,再在TaN膜橋上沉積B/Ti多層膜,并對樣品的點(diǎn)火性能進(jìn)行了測試分析。

2 點(diǎn)火橋的制備

(B/Ti)n/TaN膜橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示?；瑸檠趸X陶瓷片(99%),尺寸為10 mm×5 mm×0.5 mm,TaN膜橋橋區(qū)尺寸為80 μm×40 μm×2 μm,B/Ti多層膜覆蓋在TaN膜橋橋區(qū)之上,其尺寸為4 mm×4 mm,每層厚200 nm,40層,共計(jì)8 μm厚。Cu電極尺寸為3 mm×4 mm×1.5 μm。

制備的簡要流程圖如圖2所示。

圖1 (B/Ti)n/TaN 膜橋結(jié)構(gòu)
Fig.1 The structure of (B/Ti)n/TaN thin-film initiator bridge

圖2 (B/Ti)n/TaN膜橋制備流程圖
Fig.2 Fabrication process of (B/Ti)n/TaN thin-film initiator bridge

實(shí)驗(yàn)所用Ta靶、Cu靶、B靶和Ti靶均為純度99.999%的單質(zhì)靶材,磁控濺射時(shí)的背底真空均小于5×10-4Pa。首先,利用反應(yīng)直流磁控濺射沉積約2 μm厚的TaN薄膜(圖2a),TaN制備工藝為：濺射氣壓0.33 Pa,基片溫度200 ℃,氮?dú)饬髁繛?.3 sccm,氬氣流量為30 sccm,直流功率為100 W,沉積時(shí)間1 h。用微細(xì)加工技術(shù)中的濕法刻蝕工藝圖形化TaN橋區(qū)。利用URE-2000S/A型雙面對準(zhǔn)接觸式光刻機(jī)和光刻膠PR1-9000A對TaN薄膜進(jìn)行光刻,得到厚度高達(dá)8 μm的光刻膠圖形(圖2b)。將光刻后的樣品置于由濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%)和濃氫氟酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%)以體積比2∶1制備的腐蝕液中腐蝕30 s左右,迅速取出樣品清洗,所得到圖形化(圖2c,圖2d)的TaN薄膜橋區(qū),照片如圖3所示。采用微細(xì)加工工藝中的剝離法工藝制備約1.5 μm厚Cu電極(圖2e～圖2g)。制備完Cu電極后,用劃片機(jī)將各個(gè)樣品分割好。最后,用金屬掩模法在TaN橋區(qū)上交替沉積B/Ti多層膜(圖2h,圖2i),其中第一層為B層,厚度為400 nm,其余每層厚度約為200 nm,共40層。制備好的樣品實(shí)物照片如圖4所示,電阻值約為2 Ω。

圖3 完成刻蝕的TaN膜橋
Fig.3 TaN thin-film initiator bridge

圖4 (B/Ti)n/TaN膜橋樣品實(shí)物圖
Fig.4 Physical map of (B/Ti)n/TaN thin-film initiator bridge

3 結(jié)果與討論

圖5為B/Ti多層膜的斷面SEM圖片。由圖5可見,B/Ti多層結(jié)構(gòu)清晰,層與層間連接致密無缺陷。但也可以看出最初沉積的薄膜偏厚,反復(fù)沉積了4、5層后,厚度逐漸均勻,穩(wěn)定在200 nm。在剛開始沉積時(shí),基片的表面比較光滑,B、Ti能夠有序平整的吸附在基片表面,沉積速率比較快。隨著B、Ti的逐層沉積,特別是B分子間容易發(fā)生團(tuán)聚形成島狀生長,加大了薄膜表面的粗糙度。粗糙的薄膜表面結(jié)構(gòu)松散,物理吸附系數(shù)下降,已沉積的薄膜容易被轟擊向薄膜表面的高能粒子轟擊回濺射氣氛中去,不利于B、Ti的沉積,沉積了4、5層后,基片的粗糙度已經(jīng)對沉積時(shí)的表面粗糙程度沒有影響,薄膜表面的粗糙度趨于穩(wěn)定,B、Ti的沉積速率便變得穩(wěn)定,各層薄膜厚度隨之變得均勻。

點(diǎn)火測試系統(tǒng)示意圖如圖6所示。起爆裝置采用47 μF的鉭電容充40 V放電來起爆樣品,用采樣頻率最高400 MHz的LeCroy型示波器配備電流和電壓探頭實(shí)時(shí)記錄點(diǎn)火時(shí)的電壓、電流波形數(shù)據(jù),通過光纖探頭、光柵以及光電倍增管采集雙光譜強(qiáng)度波形數(shù)據(jù)。同時(shí),使用高速攝像機(jī)(HS4540MXl2)對點(diǎn)火進(jìn)行實(shí)時(shí)錄制。示波器與攝像機(jī)的數(shù)據(jù)記錄均用起爆裝置的點(diǎn)火信號進(jìn)行觸發(fā)。

圖5 B/Ti多層膜的斷面SEM圖
Fig.5 SEM photo of cross-section of B/Ti multilayer film

圖6 點(diǎn)火測試系統(tǒng)示意圖
Fig.6 Schematic diagram of ignition testing system

圖7為TaN膜橋(第一行圖像)與(B/Ti)n/TaN 膜橋(第二行圖像)點(diǎn)火的高速(20000fps)攝像圖像。由圖7可以看出TaN膜橋火焰高度約5 mm,火焰持續(xù)時(shí)間約為0.15 ms。而(B/Ti)n/TaN膜橋的火焰長度是TaN膜橋的兩倍左右,達(dá)到了10 mm以上,飛濺出來的高溫物質(zhì)則噴射長達(dá)30 mm以上,火焰持續(xù)的時(shí)間大于0.25 ms,也比TaN膜橋至少要長0.1 ms?？梢?B/Ti多層膜明顯提升了點(diǎn)火能力。

圖7 點(diǎn)火過程的高速攝像圖片
Fig.7 Ignition process by high-speed photography

圖8和圖9分別為TaN膜橋與(B/Ti)n/TaN膜橋點(diǎn)火電壓和電流隨時(shí)間變化曲線。從電壓曲線峰值微區(qū)放大的小圖可以看出,TaN膜橋點(diǎn)火時(shí)電壓達(dá)到峰值時(shí)間在1.8 μs左右,(B/Ti)n/TaN膜橋在2.2 μs左右。由于TaN膜橋表面直接接觸空氣,而(B/Ti)n/TaN膜橋中TaN膜橋與B/Ti多層膜無縫接觸,當(dāng)點(diǎn)火電能開始加載在膜橋上時(shí),B/Ti多層膜吸收了更多的熱量,降低了(B/Ti)n/TaN膜橋的升溫速率。當(dāng)橋區(qū)開始形成等離子體,橋區(qū)電阻開始下降,此時(shí)電壓達(dá)到峰值,升溫速率的下降使(B/Ti)n/TaN膜橋開始形成等離子體的時(shí)間推遲,從而使(B/Ti)n/TaN膜橋電壓峰值出現(xiàn)稍晚。隨著TaN橋區(qū)的升溫,逐步形成高溫等離子體,但橋區(qū)仍未立即完全熔斷,點(diǎn)火回路還在繼續(xù)加載電能。(B/Ti)n/TaN膜橋中的B/Ti多層膜在高溫等離子體的作用下也開始進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)階段。TaN膜橋在85 μs時(shí)電流降為0 A,而電壓依然還有30 V,由此可見,橋區(qū)在85 μs時(shí)徹底熔斷,剩余的電壓表明在TaN橋區(qū)熔斷時(shí),電容內(nèi)所儲存的電能并未完全釋放。(B/Ti)n/TaN膜橋則在37 μs的時(shí)候完全熔斷,剩余電壓還有36 V,高于TaN膜橋的剩余電壓。由剩余電壓可推斷,(B/Ti)n/TaN膜橋所需的點(diǎn)火能量比單獨(dú)的TaN膜橋少。對點(diǎn)火時(shí)采集的電壓電流隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分,可以得到TaN膜橋所需的點(diǎn)火能量為15 mJ,(B/Ti)n/TaN膜橋所需的點(diǎn)火能量為6 mJ。以上測試數(shù)據(jù)說明,(B/Ti)n/TaN膜橋?qū)Ρ萒aN膜橋,提高了點(diǎn)火能量釋放速率,減少點(diǎn)火時(shí)間延時(shí)大于50%,降低點(diǎn)火膜橋的點(diǎn)火輸入能量大于50%。

圖8 TaN膜橋點(diǎn)火電壓和電流隨時(shí)間的變化曲線
Fig.8 Ignition voltage and current history of TaN thin-film initiator bridge

圖9 (B/Ti)n/TaN膜橋點(diǎn)火電壓電流隨時(shí)間變化曲線
Fig.9 Ignition voltage and current history of (B/Ti)n/TaN thin-film initiator bridge

實(shí)驗(yàn)選擇了Cu的兩條特征譜線521.84,455.59 nm,結(jié)合原子發(fā)射光譜雙譜線法測溫理論[7],可以推導(dǎo)得到溫度測量參考公式(1):

(1)

式中，T為溫度，K；l1/l2表示由上述兩條特征譜線(l1：521.84 nm,l2：455.59 nm)的相對強(qiáng)度比值。由式(1)可以看出：這里只需測試兩條譜線的相對強(qiáng)度比值,無需準(zhǔn)確的測定絕對強(qiáng)度,省去復(fù)雜的強(qiáng)度定標(biāo)過程,減少實(shí)驗(yàn)環(huán)境對測試結(jié)果的干擾。實(shí)驗(yàn)通過光纖采集點(diǎn)火時(shí)的光譜數(shù)據(jù),使用光柵分離出521.84,455.59nm兩條譜線,使用同一光電轉(zhuǎn)換器采集兩條光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù),最后通過數(shù)據(jù)線實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞静ㄆ鞯膬蓚€(gè)獨(dú)立通道中記錄保存。這樣采集的譜線強(qiáng)度數(shù)據(jù)雖然未能保證絕對強(qiáng)度準(zhǔn)確,但能保證l1/l2相對強(qiáng)度的準(zhǔn)確。將示波器內(nèi)記錄的兩條譜線的強(qiáng)度數(shù)據(jù)依照式(1)進(jìn)行處理,得到圖10和圖11,分別表示TaN膜橋與(B/Ti)n/TaN膜橋點(diǎn)火時(shí)所產(chǎn)生的等離子體溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖10與圖11可知：TaN膜橋的溫度為2500～3500 K,平均溫度為2500 K左右。(B/Ti)n/TaN膜橋的溫度為4000～8500 K,平均溫度4500 K左右。(B/Ti)n/TaN膜橋點(diǎn)火所產(chǎn)生的等離子體溫度比TaN膜橋高2000K左右。比較兩幅圖還可以發(fā)現(xiàn)(B/Ti)n/TaN膜橋的溫度最高峰出現(xiàn)的比TaN膜橋的晚7 μs左右,這是因?yàn)?B/Ti)n/TaN膜橋產(chǎn)生火焰是分兩步進(jìn)行的。第一步是TaN橋區(qū)通電發(fā)熱并產(chǎn)生沖擊波,通過單獨(dú)的TaN膜橋的點(diǎn)火時(shí)間延遲較短以及點(diǎn)火火焰的火花四射可以看出沖擊波能量脈沖較強(qiáng)。第二步是TaN橋區(qū)將能量以熱量和沖擊波的形式傳遞給B/Ti多層膜,使其達(dá)到化合反應(yīng)的條件,并進(jìn)一步觸發(fā)化合反應(yīng)釋放出大量的熱量。B和Ti的化學(xué)反應(yīng)如式(2)所示。B與Ti化合反應(yīng)的釋熱速率相對TaN膜橋電致釋熱較慢,所以(B/Ti)n/TaN膜橋點(diǎn)火的溫度峰值出現(xiàn)得比TaN膜橋遲。

2B + Ti = TiB2+ 5544 J·g-1

(2)

圖10 TaN膜橋點(diǎn)火溫度隨時(shí)間變化曲線
Fig.10 Ingnition temperature history of TaN thin-film initiator bridge

圖11 (B/Ti)n/TaN膜橋點(diǎn)火溫度隨時(shí)間變化曲線
Fig.11 Ingnition temperature history of (B/Ti)n/TaN thin-film initiator bridge

4 結(jié) 論

采用磁控濺射和微細(xì)加工技術(shù)制備了(B/Ti)n/TaN膜橋,并進(jìn)行點(diǎn)火測試。測試分析表明：通過(B/Ti)多層膜與TaN膜橋復(fù)合,(B/Ti)n/TaN膜橋?qū)Ρ扔赥aN膜橋,(B/Ti)n/TaN膜橋降低點(diǎn)火膜橋的點(diǎn)火輸入能量大于50%,減少點(diǎn)火延時(shí)大于50%,提升點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的等離子體溫度2000 K以上,噴射出大于10 mm長的火焰,為TaN膜橋火焰長度的兩倍,并持續(xù)0.25 ms,比TaN膜橋多0.1 ms,能有效提高點(diǎn)火橋的點(diǎn)火能力,制備方法適合集成化生產(chǎn)工藝,是一種適用于電火工品的高可靠性、高安全性的新型點(diǎn)火技術(shù)。

致謝：在實(shí)驗(yàn)的過程中得到了中國工程物理研究院化工材料研究所的蔣小華、王亮、覃文志老師的悉心指導(dǎo)。在后期測試中,得到了南京理工大學(xué)的沈瑞琪、吳立志老師和胡博同學(xué)的熱情幫助,我們在此表示衷心感謝！

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