KR20140051904A - 반도체 브리지에 기초한 에너지 공급 유닛 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 베이스, 상부 부품, 및 커버로 구성된 컨테이너; 외부 점화 회로에 전기 접점을 제공하는 가요성 재료로 이루어진 박형의 리본형 스트립으로 구성되며, 상기 베이스에 놓이는 기판; 상기 기판에 전기적 및 물리적으로 부착되는 반도체 브리지(SCB) 칩; 및 상기 SCB 칩과 상기 커버 사이에서 상기 컨테이너의 상기 상부 부품에 가득 메워지는 에너지 공급 물질로 이루어진 하나 이상의 층으로 구성된 에너지 공급 유닛이다.
Description
본 발명은 점화장치/기폭장치 분야에 관련된다. 구체적으로, 본 발명은 반도체 브리지들에 기초하여 MEMS 기술을 사용해서 제조되는 소형 점화장치/기폭장치에 관한 것이다.
폭발 장치들은, 소량의 민감성 폭발물의 발화/점화가 보다 강력하고 덜 민감한 다량의 물질을 점화하는, 연쇄 폭발에 의해 활성화되도록 설계되는 것이 보통이다. 이는, 결국 메인 장약이 점화될 때까지 보다 강력하고 덜 민감한 다량의 물질 등을 연쇄적으로 점화한다. 폭발 체인에서 연결체들 중 어느 하나를 제거하면, 그 다음의 연결체의 점화가 방지되기 때문에, 폭발 체인의 주된 이유는 안전성이다.
내부에 있는 에너지 공급 물질(energetic material)의 유형에 따라, 상기 체인 내의 제 1 요소는 다수의 상이한 명칭으로, 예컨대 점화장치, 기폭장치, 발화장치, 및 신관(squib)으로 공지되어 있다. 본원에서, 일반 용어 "에너지 공급 유닛(energetic unit)"은, "세이프 앤 암(Safe and Arm)" 시스템, 광산, 및 다른 폭발 적용분야에서의 폭발 열(exploding train)을 발화하는 것; 열전기 층들을 활성화함으로써 열 배터리들을 발화하는 것; 및 로켓 모터들의 점화를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아닌, 적용분야에서 사용되는 상기 유형의 임의의 또는 모든 요소를 인용하기 위해 사용될 것이다. 에너지 공급 유닛들은 정교한 반도체 장치들에 대한 간단한 적용에 의해 다양한 형태를 취할 수 있다.
최근 군사 분야에서 통상적으로 사용되고 있는 유형의 점화장치는 "열선 점화장치(hot wire igniter)"로서 공지되어 있다. 상기와 같은 점화장치들은 종래기술에 잘 공지되어 있으며 문서화되어 있다. 이들은 2개의 전극에 직렬로 접속된 전선의 세그먼트로 구성된다. 전선의 세그먼트는 매우 민감한 다량의 에너지 공급 물질과 열 접촉된다. 전선을 통해 전류가 흐르면, 전선에서 발생된 열이 에너지 공급 물질을 점화하기에 충분할 때까지, 그 온도가 상승하게 된다. 열선 점화장치의 몇몇 실시예에 있어서, 열선은 전극과, 전극들 중 하나로서 기능하는 금속 케이싱과의 사이에 접속된다. 관련 점화장치의 유형들은, 높은 전압이 인가되어 열선을 용융시키고 충격파가 에너지 공급 물질을 점화하는, "폭발형 와이어 점화장치(exploding wire igniters)" 및 "폭발형 포일 점화장치(exploding foil igniters)"이다.
열선 점화장치의 구조―구체적으로, 열선에 대한 최소 길이의 요건, 전극선 및 둘레의 전기 절연체의 직경들, 및 에너지 요건들―는 활성화를 위해 이들 점화장치에 의존하는 소형화된 시스템들을 설계하는 능력을 제한한다. 상기와 같은 소형화된 시스템들의 적용예들은 다양한 적용분야에서 사용하기 위한 매우 작은 열 배터리들 및 작은 직경의 탄약들이다.
열 배터리들을 채용하는 다수의 적용분야는 공간 및 에너지의 공급이 매우 부족한 상태에 있는 로켓 및 미사일 등의 환경에 놓이기 때문에, 사이즈 및 에너지 요건을 모두 줄이려는 설계상의 노력에 대한 부응을 제공하는 새로운 유형의 에너지 공급 유닛을 개발하는데 대한 관심이 증가하고 있다.
한 가지 유망한 접근방식은 반도체 기술을 이용하는 장치들을 개발하는 것이다. 반도체 브리지 기술은 보고 문헌 및 몇 개의 특허 문헌, 예컨대 미국 특허 제 4,708,060 호, 제 4,819,560 호 및 제 5,861,570 호에 기술되어 있다. 이들 장치에서는, 도핑된 또는 도핑되지 않은 반도체 물질의 세그먼트가 2개의 도전성 랜드 사이에서 브리지로서 작용한다. 랜드들에 전위가 가해지면, 전류가 브리지를 통해 흘러서, 브리지와 접촉하거나 또는 그것에 인접하는 에너지 공급 물질을 점화하는 플라즈마를 생성한다. 본 발명자의 지식의 범위 내에서는, 상용되고 있지 않으며, 적어도 군사 분야에서는, 이 기술이 이루어져 있지 않다.
본 발명의 목적은 다양한 적용분야에서 사용될 수 있는 소형화된 에너지 공급 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 극소량의 에너지로 활성화되는 소형화된 에너지 공급 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MEMS 기술의 기법들을 사용하여 제조됨으로써 극소형화뿐만 아니라 저비용화가 가능한 소형화된 에너지 공급 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적들 및 장점들은 설명이 진행됨에 따라 드러날 것이다.
본 발명은,
a) 베이스, 상부 부품, 및 커버로 구성된 컨테이너;
b) 외부 점화 회로에 전기 접점을 제공하며, 상기 베이스에 놓이는 기판;
c) 상기 기판에 전기적 및 물리적으로 부착되는 반도체 브리지(semiconductor bridge : SCB) 칩; 및
d) 상기 SCB 칩과 상기 커버 사이에서 상기 컨테이너의 상기 상부 부품에 가득 메워지는 에너지 공급 물질로 이루어진 하나 이상의 층;
으로 구성된 에너지 공급 유닛에 있어서,
상기 기판이 가요성 재료로 이루어진 박형의 리본형 스트립인 것을 특징으로 하는 에너지 공급 유닛이다.
에너지 공급 유닛의 실시예들에 있어서, 상기 가요성 기판은 상기 에너지 공급 유닛의 일측에서의 외부 회로 요소들에 대한 접속을 허용하도록 케이스의 일측을 통과한다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 가요성 기판은 상기 에너지 공급 유닛의 양측에서의 외부 회로 요소들에 대한 접속을 허용하도록 케이스의 양측을 통과한다. 상기 기판의 가요성 재료는 Kapton®일 수 있다.
에너지 공급 유닛의 실시예들에 있어서, 상기 SCB 칩은, 상기 SCB 칩이 에너지 공급 물질로 이루어진 최저층과 직접적인 물리적 접촉을 이루도록, 상기 가요성 기판의 상부에 부착된다. 이들 실시예에 있어서, 상기 기판상의 전기 접점들과 상기 SCB 칩상의 랜드들 사이의 전기적 연속성은 상부에 SCB 구조가 형성되는 실리콘층을 통해 형성되어 있는 금속 충전 비아들에 의해 가능해진다.
에너지 공급 유닛의 실시예들에 있어서, 상기 가요성 기판은, 상기 가요성 기판이 에너지 공급 물질로 이루어진 최저층과 직접적인 물리적 접촉을 이루도록, 상기 SCB 칩의 상부에 놓인다. 이들 실시예에 있어서, 폴리실리콘 브리지의 활성화로 생성되는 플라즈마가 상기 가요성 기판 위의 에너지 공급 물질을 활성화시킬 수 있도록, 상기 SCM 칩의 폴리실리콘 브리지 위로 상기 가요성 기판을 통해 개방 윈도가 형성된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 외부 점화 회로를, 필요할 때에만 전류가 회로 내에서 상기 가요성 기판을 통해 흘러 상기 SCB를 활성화하도록, 설계함으로써 상기 에너지 공급 유닛에 보안성이 제공된다. 이들 실시예에 있어서, 상기 외부 점화 회로는 상기 SCB 칩에 통합될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 SCB가 형성됨과 동시에 상기 칩상에 형성된 전자 스위치에 의해 상기 에너지 공급 유닛에 보안성이 제공된다. 이들 실시예는 상기 SCB 칩상에 형성되는 디코딩 회로를 또한 포함할 수 있다. 특정한 코딩된 신호가 상기 가요성 기판을 통해 상기 SCB 칩에 입력되고 상기 디코딩 회로에 의해 인식되는 경우에만 상기 전자 스위치의 활성화가 허용된다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들 및 장점들은 모두 이하의 예시적이며 비제한적인 실시예들의 설명을 통해, 첨부 도면을 참조하여 더 명확하게 이해될 것이다. 도면들에 있어서, 동일한 도면부호들은 때때로 상이한 도면들에서 동일한 요소들을 지칭하는데 사용된다.
도 1a 및 도 1b는 SCB 구조체를 개략적으로 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SCB 칩 및 가요성 기판을 도시하고;
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 가요성 기판에 SCB 칩을 부착하는 2가지 방법을 개략적으로 도시하고;
도 4는 본 발명에 따른 조립된 점화장치(18)를 상징적으로 도시하는 단면도이고;
도 5는 본 발명에 따른 조립된 점화장치 조립체(18)를 상징적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SCB 칩 및 가요성 기판을 도시하고;
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 가요성 기판에 SCB 칩을 부착하는 2가지 방법을 개략적으로 도시하고;
도 4는 본 발명에 따른 조립된 점화장치(18)를 상징적으로 도시하는 단면도이고;
도 5는 본 발명에 따른 조립된 점화장치 조립체(18)를 상징적으로 도시하는 단면도이다.
반도체 브리지(semiconductor bridge : SCB), 관련 전기 회로, 및 사용된 에너지 공급 물질들은 그들의 사용에 기초하는 에너지 공급 유닛의 자명한 필수 사양이지만, 그들의 구조 및 제조 방법들의 세부사항들은 본 기술분야에 잘 공지되어 있으므로, 여기서는 더 상세히 논하지는 않는다. 본 발명의 주된 개량은 현재 이용 가능한 에너지 공급 유닛들보다 현저히 작은 체적을 갖는 유닛에 이들 요소를 통합하는 것에 있으며, 실시예들에 있어서, SCB가 상부에 설치되는 단일의 반도체 칩은 높은 수준의 능력을 제공하도록 되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 SCB 구조체를 개략적으로 도시한다. 브리지는 상부에 금속이 퇴적되어 2개의 랜드(6)를 형성하는 실리콘 기판(2)으로 구성된다. 랜드(6)들 사이에는, 폴리실리콘층으로 이루어진 영역(7)이 형성된다. SCB와, 몇몇 실시예에 있어서는 본원에서 후술하게 되는 추가적인 안전성 사양들을 제공하기 위한 회로를 갖는 반도체 칩들은 MEMS 기술 분야에 공지된 방법들을 사용하여 생산된다.
이후, SCB 칩들은, 외부 점화 회로에 대한 전기 접점을 제공해서 SCB가 폭발 장치에 물리적으로 통합될 수 있게 하는 기판들에 부착된다. 본 발명에 있어서, 기판은 가요성 재료, 예컨대 Kapton® 기반의 PCB로 이루어진 박형의 리본형 스트립이다. 종래 기술의 강성 기판들과는 대조적으로, 가요성 기판을 사용하는 2가지 장점은, 에너지 공급 유닛이, 그것이 통합되는 시스템에 대한 부착을 유지한 상태에서 임의의 방향으로 이동될 수 있다는 점과, 전기 회로에 대한 에너지 공급 유닛의 납땜이 에너지 공급 물질로부터 멀리 떨어져서 이루어질 수 있어서, 조립 수순의 안전성이 증가된다는 점이다.
도 2는 SCB 칩(8)이 물리적 및 전기적으로 접속되게 되는 금속 접점(12)들 및 외부 회로로 이어지는 도전선(14)들이 형성되어 있는 가요성 기판(10)을 도시한다. 기판(10)은 그 단부들 중 하나에 접점(12)들이 놓이는 것으로 예시되어 있지만, 적용분야에 따라, 기판(10)의 실시예들은 그 "중간"에 접점(12)들이 놓여서 칩(8)의 양 측부상에서의 외부 회로 요소들에 대한 접속을 허용할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 가요성 기판(10)에 SCB 칩(8)을 부착하는 2가지 방법을 개략적으로 도시한다. 도 3a에서는 칩(8)이 가요성 기판(10)의 상부에 위치된 것이 도시된다. 이 경우에, 기판(10)상의 접점(12)들과 랜드(6)들 사이의 전기적 연속성은 칩(8)의 실리콘층(2)을 통해 형성되어 있는 금속 충전 비아(12)들에 의해 가능해진다. 도 3b에서는 기판(10)이 칩(8)의 상부에 놓인다. 칩(10)의 랜드(6)들 또는 비아(12)들의 바닥들은 적절한 도전성 접착제 또는 땜납에 의해 가요성 기판(10)상의 접점(12)들에 물리적으로 부착되어 전기적으로 접속된다. 도 3b에 도시된 실시예에 있어서, SCB로부터 생성되는 플라즈마가 그 위의 에너지 공급 물질을 활성화시킬 수 있도록, 폴리실리콘 브리지 위로 기판을 통해 개방 윈도(16)가 형성된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 베이스(22) 및 완전 조립된 에너지 공급 유닛(18)을 제각기 도시하는 사진들이다. 에너지 공급 유닛(18)은, SCB 칩이 부착된 가요성 기판(10), 3개의 메인 부품, 즉 베이스(22), 상부 부품(24), 및 커버(28)로 구성된 컨테이너(20), 및 컨테이너(20)에 가득 메워지는 에너지 공급 물질로 구성된다. 컨테이너(20)의 베이스(22)는 SCB 칩(8)이 끼워지는 리세스를 갖는다. 본 예에서는, 원통형 튜브로서 도시된 상부 부품(24)은 베이스(22)에, 그들을 함께 압입 끼워맞춤하거나, 납땜하거나, 또는 접착제를 사용하여 부착된다. 상부 부품과 베이스 사이의 계면에서 일측 또는 양측(실시예에 따름)에는, 가요성 기판(10)의 단부(들)가 외부 회로에 접속될 수 있도록 하는 슬롯이 존재한다. 컨테이너(20)의 상부 부품(24)의 내부는 에너지 공급 물질로 채워지고, 그 개방된 상부는 커버(28)로 밀봉된다. 커버(28)는 컨테이너(20) 내측의 에너지 공급 물질의 폭발에 의해 쉽게 파열되도록 제조되고, 이것에 의해 에너지 공급 유닛(18)이 부착되는 메인 에너지 공급 화약의 폭발이 개시된다. 컨테이너의 부품들은 금속, 예컨대 스틸 및 알루미늄으로, 또는 세라믹 물질, 예컨대 알루미나(Al2O3) 및 질화 알루미늄(AlN)으로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 조립된 에너지 공급 유닛(18)을 상징적으로 도시하는 단면도이다. 이 도면은 도 4a 및 도 4b와 함께 이하에서 에너지 공급 유닛(18)의 조립 수순의 일 실시예를 기술하는데 사용된다.
SCB 칩(8)이 제조되어 가요성 기판(10)에 접속된 후에, 상기 칩은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 가요성 기판(10)의 헐거운 단부가 컨테이너(20)의 외부로 연장되는 상태로, 컨테이너(20)의 베이스(22)에 있는 리세스에 놓인다. 이후, 상부 부품(24)이 베이스(22)에 부착되고(도 4b 참조) 나서, 에너지 공급 물질이 컨테이너(20)의 내부로 압입된다. 도 5에 도시된 예에서는, 에너지 공급 물질로 이루어진 3개의 상이한 층이 사용된다. 물질(26a)은 매우 민감하고, 물질(26b)은 덜 민감하고, 물질(26c)은 가장 덜 민감하다. 마지막으로, 에너지 공급 물질로 이루어진 층(26c)의 상부의 위로 컨테이너(20)의 둘레에 커버(28)가 밀봉된다. 이러한 배치형태의 에너지 공급 물질에 의하면, SCB 칩의 랜드(6)들 사이의 전위차의 적용이 제 1 단계로 플라즈마를 생성해서 물질(26a)을 폭발시키고, 이어서 물질(26b)을 폭발시키고, 그 폭발이 물질(26c)을 폭발시키는 연쇄 폭발을 개시한다. 물질(26c)의 폭발은 커버(28)를 파열시켜서 도 5에서 층(30)으로서 상징적으로 도시된 메인 장약을 폭발시키기에 충분한 에너지를 방출한다.
대부분의 적용에 사용하기 위해 그 적합성을 결정하는 에너지 공급 유닛의 두 가지의 주된 및 때때로 상충하는 특성은 그 민감도, 즉 장치가 활성화될 수 있는 에너지 요건 및 속도와, 안전성, 즉 장치가 우연히 활성화되는 것에 대한 저항이다. 민감도에 관하여, SCB 발화장치는 본 기술분야에 공지된 가장 민감한 발화장치인 것으로 종래기술에 도시되어 있다. 본 발명자들은 장치의 보안성 레벨을 다루는 본 발명의 3가지 실시예를 강구했다. 최저 레벨의 보안성은 칩(8)이 반도체 브리지만을 포함하는 상술한 실시예에 의해 제공된다. 이 실시예에서의 안전성은, 외부 점화 회로, 즉 SCB를 활성화하는데 사용된 전기 회로를, 필요할 때에만 전류가 회로 내에서 가요성 기판을 통해 랜드(6)들에 흐르도록, 설계함으로써 제공된다. 본 발명의 실시예들에서 "외부" 점화 회로는 실제로 에너지 공급 유닛 내에, 예컨대 SCB 칩상에 통합된다는 점에 유의한다. 보다 높은 레벨의 보안성을 제공하는 실시예는 SCB가 형성됨과 동시에 칩상에 형성된 전자 스위치를 포함한다. 훨씬 더 높은 레벨의 보안성은, 특정한 코딩된 신호가 가요성 기판을 통해 SCB에 입력되고 디코딩 회로에 의해 인식되는 경우에만 전자 스위치의 활성화를 가능하게 하는 칩 디코딩 회로를 형성함으로써 제공된다.
본 발명자들에 의해 개발되어 있는, 사진들에 도시된 발화장치로서 사용된 에너지 공급 유닛의 실시예는 4㎜의 직경 및 2.7㎜의 높이를 갖는다. 현재 사용되고 있는 표준 열선 점화장치들은 하단부로부터 돌출하는 2개의 금속 핀의 크기를 제외하고도 직경이 5㎜이고 높이가 5㎜이다. 본 발명자들은 직경이 3.5㎜이고 높이가 3㎜인 기폭장치로서의 에너지 공급 유닛을 만들어 냈으며, 훨씬 작은 기폭장치를 현재 개발중이다. 종래 기술에 비한 상기와 같은 현저한 크기 감소로 인해, 본 발명의 에너지 공급 유닛을 기존에 만들 수 없던 소형 폭발 장치에 사용할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예들이 예시로서 기술되어 있지만, 본 발명은 특허청구범위의 영역으로부터 일탈함이 없이, 다양한 변경, 수정, 및 개조가 수행될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
Claims (12)
- a) 베이스, 상부 부품, 및 커버로 구성된 컨테이너;
b) 외부 점화 회로에 전기 접점을 제공하며, 상기 베이스에 놓이는 기판;
c) 상기 기판에 전기적 및 물리적으로 부착되는 반도체 브리지(semiconductor bridge : SCB) 칩; 및
d) 상기 SCB 칩과 상기 커버 사이에서 상기 컨테이너의 상기 상부 부품에 가득 메워지는 에너지 공급 물질로 이루어진 하나 이상의 층;
으로 구성된 에너지 공급 유닛(energetic unit)에 있어서,
상기 기판은 가요성 재료로 이루어진 박형의 리본형 스트립인 것을 특징으로 하는
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 재료는 Kapton®인
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 기판은 상기 에너지 공급 유닛의 일측에서의 외부 회로 요소들에 대한 접속을 허용하도록 케이스의 일측을 통과하는
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 기판은 상기 에너지 공급 유닛의 양측에서의 외부 회로 요소들에 대한 접속을 허용하도록 케이스의 양측을 통과하는
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 SCB 칩은, 상기 SCB 칩이 에너지 공급 물질로 이루어진 최저층과 직접적인 물리적 접촉을 이루도록, 상기 가요성 기판의 상부에 부착되는
에너지 공급 유닛. - 제 5 항에 있어서,
상기 기판상의 전기 접점들과 상기 SCB 칩상의 랜드들 사이의 전기적 연속성은 상부에 SCB 구조가 형성되는 실리콘층을 통해 형성되어 있는 금속 충전 비아들에 의해 가능해지는
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 가요성 기판은, 상기 가요성 기판이 에너지 공급 물질로 이루어진 최저층과 직접적인 물리적 접촉을 이루도록, 상기 SCB 칩의 상부에 놓이는
에너지 공급 유닛. - 제 7 항에 있어서,
폴리실리콘 브리지의 활성화로 생성되는 플라즈마가 상기 가요성 기판 위의 에너지 공급 물질을 활성화시킬 수 있도록, 상기 SCM 칩의 폴리실리콘 브리지 위로 상기 가요성 기판을 통해 개방 윈도가 형성되는
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
외부 점화 회로를, 필요할 때에만 전류가 회로 내에서 상기 가요성 기판을 통해 흘러 상기 SCB를 활성화하도록, 설계함으로써 보안성이 제공되는
에너지 공급 유닛. - 제 9 항에 있어서,
상기 외부 점화 회로는 상기 SCB 칩에 통합되는
에너지 공급 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 SCB가 형성됨과 동시에 상기 칩상에 형성된 전자 스위치에 의해 보안성이 제공되는
에너지 공급 유닛. - 제 11 항에 있어서,
특정한 코딩된 신호가 상기 가요성 기판을 통해 상기 SCB 칩에 입력되고 디코딩 회로에 의해 인식되는 경우에만 상기 전자 스위치의 활성화를 가능하게 하는 SCB 칩 디코딩 회로를 형성하는 것에 의해 보안성이 제공되는
에너지 공급 유닛.
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