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CA 02217399 1997-09-29
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Initiateur électropyrotechnique, procédé de réalisation
d'un tel initiateur et système de sécurité pour véhicule
La présente invention concerne un initiateur
électropyrotechnique.
Ce type de dispositif a pour fonction d'être mis à feu
par le passage d'un courant électrique supérieur à une
valeur de seuil prédéterminée, afin de mettre en action un
mécanisme.
Les initiateurs électropyrotechniques sont destinés à
être intégrés à des chaines électrotechniques. En
particulier, ils sont utilisés dans des systèmes de sécurité
pour automobile ou autres véhicules, par exemple pour
actionner un coussin gonflable de sécurité. Ils sont aussi
utilisés par exemple dans des missiles.
Un tel initiateur électropyrotechnique est connu par
exemple du document US-A-5.230.287. Cet initiateur
électropyrotechnique connu comprend deux broches
électriques d'amenée de courant insérées dans une embase,
un pont établissant une liaison électrique entre les deux
broches, une composition pyrotechnique stockée dans un
récipient, un circuit électronique comprenant un pont déposé
sur une plaquette, cette plaque étant reliée aux broches
électriques d'amenée de courant, et la composition
pyrotechnique étant compactée dans le récipient et réunie
avec le microcomposant sous pression dans le récipient.
L'invention concerne également un procédé de
réalisation d'un initiateur électropyrotechnique, et un
système de sécurité pour véhicule comprenant un ou
plusieurs initiateurs.
Les initiateurs utilisës à ce jour consistent
habituellement en un dispositif comprenant deux broches
électriques reliées par un filament soudé constituant un pont
conducteur disposë au contact d'une composition
pyrotechnique.
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L'aspect rudimentaire du raccord entre broches
présente l'inconvénient majeur de ne pas offrir une maîtrise
suffisante de la mise à feu.
Dans des initiateurs plus élaborés, le pont conducteur
est effectué sur un circuit imprimé ou un support équivalent.
Une plus grande précision est ainsi possible.
Cependant, des inconvénients majeurs subsistent. En particulier,
un bourrelet de soudure est nécessaire au niveau du raccordement
électrique entre le pont conducteur et les broches d'amenée de
courant. Ceci nuit à une planéitë de l'interface du pont conducteur avec
la composition pyrotechnique et affecte la régularité des échanges
calorifiques. Le bourrelet de soudure oblige également l'utilisation d'une
technologie de dépôt, consistant à déposer des gouttes ou de la
peinture de produit pyrotechnique, technologie peu appréciée pour des
fabrications en grande série.
De plus, ces dispositifs ont une architecture non prévue pour
recevoir indifféremment un pont conducteur ou semi-conducteur.
Un autre inconvénient des initiateurs utilisés habituellement est
qu'une protection vis-à-vis des décharges d'électricité statique n'est pas
prise en compte. Des conséquences très graves peuvent en résulter
pour l'utilisateur.
En ce qui concerne la détection des fuites, -on procède
habituellement par injection d'hélium, puis détection par aspiration. Ce
procédé est long à mettre en oeuvre et il est peu fiable.
L'invention vise à pallier ces inconvénients.
Le but de l'invention est ainsi un initiateur électropyrotechnique
permettant de maîtriser précisément une mise à feu, apte à étre intégré
à une chaîne performante requérant un grand taux de fiabilité.
Un autre objectif de l'invention est un initiateur susceptible de
recevoir indifféremment un pont conducteur ou semi-conducteur, avec
des architectures identiques, le pont semi-conducteur assurant un
échange calorifique plus rapide avec la composition pyrotechnique.
C'est aussi un but de l'invention d'obtenir un initiateur stable
dans le temps.
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L'invention a galement pour objet une
protection vis--vis de dcharges d'lectricit
statique.
Un but supplmentaire de l'invention est une
, 5 technologie faisant appel une forme compacte de la
composition pyrotechnique, permettant de conserver
l'intgrit de l'interface entre le pont et la
composition, mme aprs un long stockage.
Un autre objectif de l'invention est un
initiateur ayant une longue dure de vie, grce des
proprits d'hermticit.
L'invention a galement pour objectif un procd
de ralisation trs simple d'un initiateur
lectropyrotechnique prsentant les avantages
prcdents.
L'invention vise aussi un systme de scurit
pour vhicule comprenant un tel initiateur.
A cet effet, l'invention concerne un initiateur
lectropyrotechnique comprenant:
- deux broches lectriques d'amene de courant
insres dans une embase,
- un pont tablissant une liaison lectrique
entre les deux broches,
- une composition pyrotechnique stocke dans un
rcipient.
Selon l'invention, ce pont est dpos sur une
plaquette, le pont et la plaquette faisant partie
d'un microcomposant lectronique, la plaquette est
relie aux broches et la composition est compacte
dans le rcipient. La composition et le
microcomposant sont runis sous pression dans le
rcipient.
Par rapport aux initiateurs existants,
l'initiateur pyrotechnique selon l'invention offre
ainsi une architecture unique, permettant d'intgrer
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aussi bien un pont conducteur que semi-conducteur.
Qui plus est, l'initiateur peut être réalisé â partir
de deux sous-ensembles respectivement électrique et ,
pyrotechnique assemblés sous pression, de façon à
conserver l'intégrité de l'interface entre le
microcomposant èt la composition. Le compactage de la
composition pyrotechnique permet par ailleurs une
parfaite maîtrise de sa mise à feu grâce au pont du
composant électronique.
Selon un mode de réalisation préféré de
l'initiateur, le récipient a des parais hermétiques,
l'embase est une traversée hermétique et la liaison
des parois à l'embase est. aussi hermétique. On évite
ainsi des infiltrations dans la compositïon.
L'initiateur comporte alors avantageusement un
logement à l'intérieur du récipient, ce logement
comprenant un matériau saturé en hélium, permettant
de détecter des fuites éventuelles. '
Au lieu d'un procédé laborieux utilisé
habituellement pour détecter une fuite éventuelle,
l'initiateur selon l'invention permet un contrôle
très simple d'herméticité. Le matériau saturé en
hélium constitue en effet une véritable éponge, et
toute fuite de l'étui entraîne une perte d'hélium
pouvant ëtre aisément détectée, par aspiration.
Dans le mode de réalisation préféré, avec parois
hermétiques, il est judicieux que le récipient
comprenne un godet isolant électriquement et un étui
métallique à parois hermétiques contenant ce godet.
Le récipient a de préférence une zone de ses
parois amïncie ou fragilisée, de façon à ce qu'une
mise à feu de la composition pyrotechnique ait un
effet privilégië au droit de cette zone.
Avantageusement, l'initiateur comporte un
capuchon isolant qui, avec le godet, constitue une
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cage lectriquement isolante protgeant la
composition pyrotechnique de toutes les agressions
rsultant en particulier des dcharges d'lectricit
statique.
5 Dans une premire configuration de l'initiateur,
le pont tant conducteur est constitu d'une couche
rsistive d'paisseur constante.
La couche rsistive a alors avantageusement une
surface rectangulaire, par exemple carre.
Une dtermination prcise de la rsistance du
composant et d'une intensit de courant susceptible
de dclencher l'initiateur est ainsi obtenue.
Dans une seconde configuration de l'initiateur
selon l'invention, le pont est semi-conducteur.
D'autre part, deux plages de contact sont
avantageusement prvues des extrmits opposes de
la plaquette, ces plages tant destines faciliter
une brasure des broches.
Ce dispositif limine tout problme pos par des
bourrelets de soudure.
L'invention concerne galement un procd de
ralisation d'un initiateur lectropyrotechnique.
Selon l'invention:
- dans une premire tape, on compacte une
composition pyrotechnique dans un rcipient, de faon
former un sous-ensemble pyrotechnique,
- dans une deuxime tape, on dpose un pont sur
une plaquette, et on brase cette plaquette sur des
broches lectriques noyes dans une embase de faon
former un sous- ensemble inerte,
- dans une troisime tape, on runit sous
pression les sous-ensembles pyrotechnique et inerte.
Ce montage spar des deux sous-ensembles offre
la fois simplicit de mise en oeuvre et une grande
prcision dans les caractristiques de dclenchement.
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L'invention concerne aussi un système de
sécurité pour véhicule comprenant au moins un
initiateur électropyrotechnique selon l'invention,
apte à activer un mécanisme de sécurité.
L'invention sera décrite plus en détail en
référence aux dessins, dans lesquels:
La Figure 1 représente une coupe longitudinale
d'un sous-ensemble inerte, comprenant des éléments
électriques, faisant partie d'un initiateur selon
l'invention.
La Figure 2 représente une coupe longitudinale
d'un sous-ensemble pyrotechnique correspondant au
sous-ensemble inerte de la Figure 1.
La Figure 3 montre un assemblage des sous
ensembles respectivement inerte et pyrotechnique des
Figures 1 et 2, constituant l'initiateur décrit à
titre d'exemple.
La Figure 4 représente un micro-composant
électronique utilisé dans l'initiateur de la Figure
3, suivant une section transversale IV-IV.
La Figure 5 représente le pont de la Figure 4 en
perspectïve.
L'initiateur électropyrotechnique 1
représentatif de l'invention, représenté sur la
Figure 3, est composé de deux parties: un premier
sous ensemble inerte 18 comportant des éléments
électriques, et un second sous-ensemble pyrotechnique
19, contenant des produits servant à une mise à feu.
Le sous-ensemble inerte 18, représenté sur la
Figure 1 comporte deux broches électriques 7
destinées à être reliées à un circuit électrique. Ces
deux broches métalliques 7 d'amenée de courant sont
typiquement réalisées en fer-nickel FN50. Leur
diamètre vaut par exemple 1 mm. Les broches 7 sont
scellées hermétiquement dans une embase isolante
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électriquement. Celle-ci est de préférence en verre,
mais peut également être en cëramique ou en
plastique, par exemple. Un corps 9 cylindrique
entoure cette embase 8 à laquelle il est lié
hermétiquement. Ce corps 9 métallique est de
préférence réalisé en acïer inoxydable. L'embase 8
est revêtue d'un capuchon 10 enfilé sur les broches
7. Ce capuchon 10 est constitué d'une matière
isolante électriquement, et est de préfërence en
plastique. I1 s'agit typiquement d'un polyamide. Le
capuchon 10 isole électriquement le corps 9
métallique de la partie pyrotechnique.
Un microcomposant électronique 20 est brasé sur
les broches 7. Le capuchon 10 en facilite le
positionnement et contribue à l'isolement de la
partie pyrotechnique.
Le sous-ensemble pyrotechnique 19, visible sur
la Figure 2, comprend la composition pyrotechnique 4
d'initiation. Celle-ci est une substance sensible à
la chaleur. On peut la choisir typiquement parmi
l'azoture de plomb, le tétrazène, les
mononitrorésorcinates de plomb, les
dinitrorësorcinates de plomb et les
trinitrorésorcinates de plomb. La dernière substance
est celle choisie dans l'exemple.
La composition pyrotechnique 4 est accompagnée
d'une composition 5 renforçatrice d'un effet
pyrotechnique. Cette composition 5 renforçatrice est
de type oxydo-réducteur. Son réducteur est
typiquement à base de zirconium, titane, hydrure de
titane ou bore. Dans une réalisation préférée, elle
contient 50 â 70~ de perchlorate de potassium, 0 à
10~ de bore, 20 à 40~ d' hydrure de titane et 2 à 5~
de liant fluoré.
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Les compositions 4 et 5 sont compactées sous
pression dans un godet 3 isolant. Celui-ci est de
préférence en matière plastique. La composition 5 ,
renforçatrice d'un effet pyrotechnique est compactée
vers le fond 16 du godet 3, et la composition
pyrotechnique 4 est compactée au-dessus. Par exemple,
on comprime successivement 50 mg de la composition 5,
puis 30 mg de la composition pyrotechnique 4.
Le godet 3 contenant la composition
pyrotechnique 4 et la composition renforçatrice
d'effet pyrotechnique 5 est lui-même contenu dans un
étui 2, de préférence métallique.
Le godet 3 et le capuchon 10 assemblés
constituent une cage électriquement isolante qui
protège la composition pyrotechnique de toutes les
agressions résultant en particulier des décharges
d'électricité statique.
L'étui 2 a un fond 15 aminci, de façon à y créer
une fragilisation préalable. Une mise à feu de la
composition pyrotechnique 4 a un ainsi un effet
privilégié dans la direction du fond 15. Le fond 16
du godet 3 a lui aussi une épaisseur réduite.
Entre le fond 16 du godet 3 et le fond 15 de
l'étui 2, est prévu un logement 6. Ce logement 6 est
rempli d'un matériau saturé en hélium, se présentant
de préférence sous la forme d'une fine rondelle.
Celle-ci est déposée au fond 15 de l'étui 2 avant le
chargement du godet 3. Ce dispositif permet de tester
facilement l'herméticité de l'initiateur 1, à l'aide
d'un détecteur d'hélium.
Le sous-ensemble inerte 18 et le sous-ensemble
pyrotechnique 19 sont assemblés en compression 1
autour d' un axe 13 commun, comme ceci est représenté
sur la Figure 3 pour constituer l'initiateur 1. Une '
solidarisation de l'êtui 2 et du corps 9 est réalisée
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par une soudure laser 12 circulaire. Cette soudure 12
permet de maintenir une compression constante et
garantie l'hermticit. A titre d'exemple, elle peut
garantir une charge pyrotechnique un tat
compressif d'une valeur de 500 bars. L'assemblage des
deux sous-ensembles 18, 19 peut galement tre
effectu par collage de l'tui 2 et du corps 9.
L'assemblage sous pression des deux sous-
ensembles 18, 19 vite la prsence d'air entre le
microcomposant 20 et la composition pyrotechnique 4,
qui nuirait une matrise d'changes calorifiques.
L'avantage gnral de ce montage est qu'il permet de
conserver l'intgrit de l'interface entre le pont 23
et la composition 4, celle-ci tant ralise
prcisment selon la configuration souhaite.
Dans l'ensemble ainsi labor, le capuchon 10
isole lectriquement la composition pyrotechnique 4
du corps 9 mtallique. L'embase 8 en verre assure
quant elle l'hermticit du passage entre les
broches 7 et le corps 9 mtallique, elle permet
galement de maintenir l'tat compressif.
La soudure 12 empche des infiltrations entre
l'tui 2 d'une part, et le corps 9 et le godet 3
d'autre part, donnant ainsi au contenant des
compositions 4, 5 une excellente hermticit, elle
permet galement de maintenir l'tat compressif.
Le microcomposant lectronique 20, dtaill sur
la Figure 4, comprend une plaquette 11 de prfrence
en alumine. A titre d'exemple, elle a une longueur L1
de 3 mm dans une direction allant d'une broche 7 vers
l'autre, une largeur L2 gale 2,54 mm et une
paisseur de 0,635 mm. Sur cette plaquette 11, sont
amnages par un procd de photolithographi deux
pistes 22 conductrices en or disposes symtriquement
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du côté de chacune des broches 7. Les pistes 22 sont
séparées par un entrefer L3 d'environ 100 um.
Un pont 23 est sérigraphié sur cet entrefer L3. ,
I1 peut aussi étre photolithographié ou déposé sous
5 vide. Dans l'exemple présenté, il s'agit d'une
résistance, celle-ci étant typiquement réalisée par
sérigraphie à l'aide d'encre à base de ruthénium.
Le pont 23, visible sur les Figures 4 et 5, a
une longueur L'1 selon la longueur L1 de la plaquette
10 11, une largeur L'2 selon la largeur L2 de la
plaquette 11 et une épaisseur e. I1 a donc une
surface S égale à L'1 x L'2. On définit également sa
section par e x L'2. En appelant p la résistivité
du pont 23, la résistance R dè ce dernier est donnée
par:
x L'1 L'1 1
R - L'2 x e - P x L'2 x e
Si on conserve un rapport constant L'1/L'2 pour
la surface S rectangulaire du pont 23 résistif, la
résistance R est modifiée simplement en faisant
varier l'épaisseur e et la résistivité p. En
particulier, il est possible de choisir une surface S
carrée, auquel cas L'1 égal L'2. Dans ce cas, la
résistance R vaut p /e.
Le choix des longueurs L'1 et L'2 permet
d'ajuster deux valeurs ïmportantes: une intensité de
non fonctionnement IO et une intensité de
fonctionnement I1. L'intensité IO définit un seuil
d'intensité circulant dans le pont 23, en deçà duquel
un échauffement de la plaquette 11 n'est pas
suffisant pour déclencher une mise à feu de
l'initiateur 1. L'intensité I1 de fonctionnement,
supérieure à l'intensité IO de non fonctionnement, -
définit un seuil au-delà duquel l'initiateur 1 est
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systématiquement mis à feu. Entre I0 et Il, le
déclenchement de l'initiation n'est pas garanti.
. Les intensités IO et I1 peuvent ëtre aisément
ajustées en jouant sur la surface S: plus celle-ci
est petite, plus les valeurs IO et I1 sont faibles.
La composition du pont 23 intervient également dans
leur détermination.
En choisissant judicieusement des
caractéristiques du pont 23 résistif,
dimensionnelles, mécaniques et thermiques, il est
ainsi possible d'ajuster précisément la résistance R
et les intensités IO et I1.
Dans l'exemple choisi, le pont 23 a une surface
S carrée, et les longueurs L'1 et L'2 sont toutes
deux égales à 150 um. Pour une automobile, la
résistance R vaut typiquement de l'ordre de 2 SZ, à
0 , 15 S2 près .
Des plages 21 de reprise de contact en platine
or sont également déposées en des extrémités opposées
de la plaquette 11 correspondant au positionnement
des broches 7. Les plages 21 recouvrent ces
extrémités sur toute la largeur L2 de la plaquette
11. Ces dépôts sont pratiqués sur les deux faces de
la plaquette 11, ainsi que sur les tranches 24
correspondant aux extrémités concernées. Les plages
21 facilitent une brasure des broches 7, de la même
façon que pour des composants électroniques montés en
surface sur des circuits imprimés. Les broches 7 sont
de la sorte reliées à la plaquette 11 selon un
procédé de soudage largement éprouvé.
L'ensemble comprenant la plaquette 11, le pont
23 résistif, les pistes 22 conductrices, et les
plages 21 de contact constitue le microcomposant
électronique 20.
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Dans le cas d'un pont 23 semi-conducteur,
l'architecture adoptée est exactément la même.
Typiquement, .la plaquette 11 est alors constituée s
d'un matériau semi-conducteur déposé sur un support
en matériau céramique.
L'utilisation d'un pont 23 sema-conducteur est
particulièrement avantageuse, car il permet une très
grande précision dans un déclenchement de
l'initiateur 1. En effet, il ne devient résistïf qu'à
partir d'un niveau de tension fixé. Lorsque ce niveau
est atteint, il se produit un phénomène en cascade
commençant par un échauffement du pont 23 allant de
pair avec une diminution de sa résistance et se
terminant par la décharge d'un plasma dans la
composition 4. Une durée minimale d'application du
courant est nécessaire pour provoquer une mise à feu.
Alors que les échanges thermiques se produisent
par conduction pour un composant 20 résistif, ils ont
lieu essentiellement par convection dans le cas semi
conducteur. Bien que l'importance d'une interface
parfaitement maitrisée entre la composition 4 et le
composant 20 s'avère moins grande, elle reste
souhaitable.
Lors du montage, les sous-ensembles inerte 18 et
pyrotechnique 19 sont assemblés sous pression, une
pression de 500 bars par exemple s'exerçant sur la
composition pyrotechnique 4. On les relie ensuite par
la soudure 12, qui maintient après relâchement la
pression appliquée au préalable.
L'architecture est indépendante du mode de
rêalisation des sous-ensembles 18 et 19. Cela
simplifie la fabrication des deux types d'initiateur
sur le même site des sous-ensembles 18, 19. Cette
configuration générale permet d'obtenir une très
grande précision de la mise à feu.
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L'hermticit de l'initiateur 1 oprationnel est
ensuite vrifie avant son installation dans un
vhicule avec un dtecteur d'hlium, pour dtecter
d'ventuelles fuites provenant du matriau satur en
hlium stock dans le logement 6.
En fonctionnement, en prsence d'un pont 23
conducteur, un courant de faible intensit circule
par les broches 7 relies un circuit lectrique,
dans le composant 20. Cette intensit, qui peut tre
nulle, est insuffisante pour dclencher l'initiateur
1. Elle est infrieure l'intensit IO de non
fonctionnement du pont 23 conducteur.. Une mise feu
de l'initiateur 1 est provoque par une augmentation
sensible de l'intensit circulant dans les broches 7
et suprieure l'intensit I1 de fonctionnement. I1
s'ensuit un chauffement trs rapide du pont 23
conducteur, transmis la composition pyrotechnique 4
par l'intermdiaire de la plaquette 11. Une explosion
est ainsi dclenche, ses effets se propageant de
faon privilgie dans la direction du fond 16 du
godet 3.
Si le pont 23 est semi-conducteur, le
fonctionnement est tout--fait similaire. Une mise
feu de l'initiateur 1 est cependant provoque de
faon plus abrupte ds lors qu'un courant passant par
les broches 7 a une intensit dpassant une valeur de
seuil associe au pont 23 semi-conducteur et que sa
dure d'application est suffisante.
Bien que les ponts 23 prsents titre
d'exemple soient particulirement avantageux,
d'autres configurations peuvent tre envisages. En
particulier, le pont 23 peut tre constitu d'une
couche mince comme d'une couche paisse. I1 peut
galement avoir une surface S autre que
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rectangulaire, et présenter par exemple une forme
circulaire ou polyédrique.
Par ailleurs, malgré une moins bonne hermëticité
que dans l'exemple décrit et un fluage modifiant
l'interface entre le composant 20 et la composition ,
pyrotechnique 4, il est envisageable de réaliser
l'étui 2 et le corps 9 en matiëre plastique. La
présence du godet 3 isolant n'est plus alors
nécessaire.
L'initiateur selon l'invention est utilisable en
particulier dans des véhicules pour mettre rapidement
en action des mécanismes de sécurité, tels que
coussins gonflables, dispositifs de verrouillage et
déverrouillage de portes, ou prétensionneurs de
ceintures de sécurité. Cependant, il convient aussi à
tout autre dispositif nécessitant un déclenchement
rapide et bien maîtrisé d'un mécanisme. A titre
d'exemple, il est utilisable dans des systèmes
militaires offensifs ou défensifs, et dans des
systèmes de protection contre des incendies ou es
inondations.
