[發(fā)明專利]一種微型不對稱陶瓷電極塞

有效

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• 申請日: 2013-10-09
• 公開（公告）號: CN103499251A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設計）人: 嚴楠;王剛;曾雅琴;何愛軍;熊振;劉麗娟;婁文忠;焦清介
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F42C19/12
• 分類號: F42C19/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發(fā)明專利涉及一種微型電火工品專用電極塞，尤其是能在低發(fā)火電壓低電能輸入條件下可靠發(fā)火、體積小型化的微型火工品中使用。

背景技術

微機電系統(tǒng)用發(fā)火組件包括換能元、含能材料和電極塞等。電極塞是換能元封裝、與外電路連接的結構件，是決定發(fā)火組件尺寸和性能的核心元器件，電極塞的作用是兼有結構件、固定換能元、電絕緣、防靜電、氣密、熱沉、反射點火能量等功能。

目前電極塞的種類主要有塑料電極塞、PCB板電極塞、玻璃電極塞和陶瓷電極塞等，塑料電極塞的使用較早，多用于橋絲式電火工品，如劉黛鵬在《電極塞及塞座模具的設計》一文中闡述了電極塞與塞座兩種熱固性小塑料模具設計的過程和設計中應注意的問題，設計了直徑為6.3mm、高為6.2mm的塑料電極塞。代表了傳統(tǒng)電極塞的主流產(chǎn)品的材料和尺寸。塑料電極塞由于小型化后結構強度不能滿足電火工品結構強度要求，無法用于換能元芯片的安裝。玻璃電極塞也多用于橋絲電火工品，中國實用型專利200520100031.0橋絲雷管玻璃電極塞中公布了一種耐高溫、耐酸堿、耐油腐蝕的玻璃電極塞，由于不能加工凹槽，也不適用于半導體橋、金屬膜橋、可反應式橋等薄膜類換能元芯片裝配。傳統(tǒng)的橋絲式發(fā)火件，雖然能容易達到低發(fā)火電能的要求，但卻難以達到電磁安全性、發(fā)火時間、體積小和結構堅固等要求，需要研究適用于新型低發(fā)火電壓換能元芯片的微型電極塞。

作為鈍感電起爆器、安全電流高的設計考慮，大多數(shù)設計者采用高強度陶瓷電極塞，如95或99Al₂O₃陶瓷塞。陶瓷塞具有機械強度高，承受燃燒壓力和起爆沖擊波壓力的耐壓性能好，與腳線封裝的抗拉強度高，耐電壓絕緣強度高等優(yōu)點；玻璃塞具有發(fā)火能量低，制造工藝簡便、氣密性好、絕緣強度高等優(yōu)點。陶瓷塞制作成型工藝性好，結構中間可留有一個方形凹槽，將半導體橋芯片用粘接劑固定在凹槽底部，便于芯片安裝和抗力學環(huán)境加固，然后用超聲焊接方式將芯片焊盤與腳線電極用金屬線接，使用多根金屬線可提高使用可靠性。工業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷塞直徑一般有φ6mm（常規(guī)）和φ4.4mm（小型化設計）兩種尺寸規(guī)格，它們的材料和形狀相同，腳線、凹槽布局完全對稱，中間留有方形凹槽，可以通過調(diào)整陶瓷塞外徑和凹形槽尺寸適應了不同尺寸的半導體橋芯片，如對于鈍感型薄膜類換能元尺寸長1.5mm×寬2mm×厚1mm，需選擇φ6mm陶瓷塞；對于微型薄膜類換能元長0.47mm×寬0.47mm×厚0.7mm，需選擇φ4.4mm陶瓷塞。玻璃塞因上無法制造凹槽，而只能將半導體橋芯片固定在玻璃塞的表面上，這使得其裝藥耐壓性變差，因此很少使用這種結構方案。

傳統(tǒng)的薄膜類換能元芯片用陶瓷電極塞的形狀是對稱型三層結構，結構比較簡單，但其并不是最大限度節(jié)省空間的結構設計。如圖1，所設計的陶瓷電極塞尺寸較之現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)的陶瓷電極塞尺寸有所減小，最小體積為φ2.95×2mm，裝配換能元芯片后對應現(xiàn)行的通用電雷管標準[55]系列要求的最小管殼尺寸為3.25mm。這種設計并沒有脫離現(xiàn)有的陶瓷塞結構的設計思想，只是傳統(tǒng)陶瓷電極塞結構的最小化，再進一步縮小體積已無多余空間。

近年來半導體橋芯片用新發(fā)展的微機電系統(tǒng)迫切需要低發(fā)火電能和結構尺寸更小的微型電極塞，電極塞直徑和高度每減小0.1mm都會給微機電系統(tǒng)體積和結構設計帶來顯著空間，增加微機電系統(tǒng)功能和強度。目前國內(nèi)外尚沒有現(xiàn)成的陶瓷電極塞結構和尺寸可以直接應用。由于受微機電系統(tǒng)體積的限制，因此要求發(fā)火件的體積也必須相應減小、發(fā)火電壓也低，由此給發(fā)火件提出了更加嚴格的尺寸和性能要求，如換能元芯片尺寸不大于長0.5mm×寬0.5mm×高0.5mm，電極塞尺寸盡可能小，最小發(fā)火電壓不高于5V（10μF），最小發(fā)火能量不大于0.125mJ，安全電流不小于150mA（5min），發(fā)火時間不大于50μs。有些微機電系統(tǒng)要求電極塞的尺寸更小。這樣的尺寸和發(fā)火性能的參數(shù)組合要求，依靠現(xiàn)有電火工品設計的技術水平無疑是個巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

傳統(tǒng)橋絲式電極塞和薄膜類換能元用陶瓷電極塞的形狀都是對稱型的，結構比較簡單，但不是最大限度節(jié)省空間，如再減小尺寸難以達到電磁安全性、體積小、結構堅固、連接強度高等要求。要想達到微機電系統(tǒng)的技術要求，直接采用文獻中現(xiàn)有技術組合是很難實現(xiàn)的，因此只有改進陶瓷電極塞結構和尺寸，以及與半導體橋、含能材料和裝填方式等組成的發(fā)火件性能的優(yōu)化方案組合，探索新的設計思想，才能解決上述的技術難點。