Brevet FR2720493A1 — publié le 19951201

Le domaine de la présente invention est celui des initiateurs pyrotechniques, c'est à dire des composants permettant de transmettre un effet pyrotechnique dans une chaîne pyrotechnique. On connaît par les brevets US2968985, US2767655 et US4819560 des initiateurs dont le boîtier est réalisé en matière plastique. Ces initiateurs bon marché sont plus particulièrement destinés à initier des cartouches explosives utilisées dans l'industrie des mines ou des carrières. Ils comportent généralement un boîtier en matière plastique d'épaisseur constante qui renferme la charge d'initiation et qui se trouve fragmenté lors de l'initiation de cette dernière. Si ces initiateurs sont bon marché, ils ont un niveau de sûreté et de fiabilité qui interdit leur emploi dans d'autres domaines techniques que celui des carrières, par exemple dans le domaine de l'armement ou dans celui des systèmes de sécurité par exemple pour l'automobile. De plus avec de tels initiateurs la protection vis à vis des décharges électrostatiques n'est pas assurée. C'est le but de l'invention de proposer un initiateur qui ne présente pas de tels inconvénients. L'invention vise ainsi à proposer un initiateur qui soit à la fois extrêmement fiable et robuste, tout étant très résistant aux décharges électrostatiques. C'est également un but de l'invention que de proposer un initiateur pouvant être fabriqué en grande série à moindre coût et de façon sûre, ce qui autorise son utilisation par exemple pour l'initiation des dispositifs de sécurité utilisés sur les véhicules, en particulier automobiles. L'invention propose enfin un initiateur présentant un très haut niveau de sécurité, capable d'initier des explosifs primaires, mais aussi permettant de mettre en oeuvre des compositions pyrotechniques peu sensibles. Ainsi l'invention a pour objet un initiateur pyrotechnique comprenant une substance pyrotechnique disposée à l'intérieur d'un boîtier, et caractérisé en ce 2 2720493 que le boîtier comprend une paroi métallique solidaire d'un fond également métallique, le fond étant traversé par au moins deux électrodes dont au moins une est isolée électriquement du fond par un matériau isolant, et en ce que le boîtier comporte un surmoulage en une matière plastique entourant au moins le fond et une partie des électrodes. Selon un premier mode de réalisation, le boîtier est fermé par un paillet sur lequel est replié le bord de la paroi métallique. Un joint d'étanchéité sera alors disposé entre le paillet et le bord de fermeture de la paroi. Selon un deuxième mode de réalisation, le surmoulage entoure également la paroi métallique et porte un bouchon en matière plastique qui ferme le boîtier. Le fond pourra porter une pastille d'un substrat isolant sur lequel sera déposé un pont semi conducteur recouvert partiellement par deux plots conducteurs. Selon un mode de réalisation préféré, un des plots conducteurs est relié au fond métallique du boîtier par l'intermédiaire d'un puit semiconducteur traversant le substrat, ledit fond étant lui même relié à une des électrodes. Selon une variante de l'invention, une couche de matériau isolant thermique et électrique est déposée sur le pont semi conducteur et isole celui-ci de la substance pyrotechnique. Le matériau isolant sera de préférence constitué par de l'oxyde ou du nitrure de silicium déposé en une couche mince comprise entre 0,5 et 10 micromètres. Avantageusement, la substance pyrotechnique est déposée dans le boîtier par un procédé de chargement par voie humide. La granulométrie moyenne des constituants de la substance pyrotechnique sera de préférence choisie du même ordre de grandeur que les dimensions du pont semi conducteur. D'autres avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels: -la figure 1 représente en coupe longitudinale un initiateur selon un premier mode de réalisation de l'invention, -la figure 2 représente en coupe longitudinale un initiateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, -la figure 3 est une vue agrandie des moyens d'initiation utilisés dans ce dernier mode de réalisation. En se reportant à la figure 1, un initiateur 1 selon l'invention comprend une substance pyrotechnique 2 de type connu, (par exemple un explosif (détonateur) ou une composition pyrotechnique inflammatrice), substance disposée dans un boîtier 3. Le boîtier 3 comprend une paroi métallique 4 cylindrique solidaire d'un fond 5 également métallique. Paroi et fond sont réalisés en acier inoxydable. Le fond affecte ici la forme d'un capuchon dont la face supérieure 6 reçoit la substance pyrotechnique 2 et qui présente une collerette élargie 7 sur laquelle vient en butée la paroi 4. Fond et paroi sont reliés l'un à l'autre par soudure électrique, par soudure laser ou un autre type de soudure. Le fond 5 est traversé par deux électrodes 8a, 8b dont une (8a) est en contact électrique avec le fond 5 et l'autre (8b) est isolée électriquement de celui ci au moyen d'un matériau isolant 15 tel un remplissage de verre. Un moyen d'initiation de la substance pyrotechnique est fixé entre les électrodes. Ce moyen est ici un fil résistif 9 qui relie les électrodes 8a et 8b et qui est fixé par soudure sur leurs extrémités. Les caractéristiques électriques du fil 9 sont déterminées de façon classique par l'homme du métier en fonction des caractéristiques pyrotechniques de la 4 2720493 substance 2. On pourra par exemple adopter un fil de résistance 2 ohms pour une substance du type quaternaire (à quatre éléments telle une substance connue comme l'association Perchlorate de Potassium Thyocyanate de Plomb - Sulfure d'antimoine - Tricinate de Plomb). Le boîtier 3 comporte enfin un surmoulage 10 en une matière plastique qui entoure le fond 5 et une partie des électrodes 8a,8b. La rigidité de la solidarisation est améliorée par la présence de la collerette 7. Ce surmoulage permet d'améliorer la résistance mécanique du composant en particulier vis à vis des chocs. Il complète également l'isolation électrique des électrodes et protège le remplissage de verre 15. Le surmoulage 10 est réalisé en matière plastique du type Polyamide ou polycarbonate, matière éventuellement chargée de fibres de verre pour augmenter sa résistance mécanique. On adoptera par exemple une charge de 10% à 40% en masse de fibres de verre courtes (quelques dixièmes de millimètre de long). Le surmoulage 10 comporte un renflement 11 qui donne une surface d'appui permettant par exemple sa mise en place dans un logement aménagé dans une substance pyrotechnique ou dans un dispositif d'initiation non représentés (logement au diamètre du boîtier). La paroi 4 du boîtier est fermée par un paillet 12 sur lequel est replié le bord 13 de la paroi métallique. Un joint d'étanchéité torique 14 est disposé entre le paillet 12 et le bord 13 de fermeture de la paroi. La substance pyrotechnique 2 est déposée à l'intérieur du boîtier 3, de préférence par un procédé de chargement par voie humide, mais elle pourrait également être mise en place par compression. On constate ainsi que l'initiateur selon l'invention peut être fabriqué aisément et à moindre coût, la fabrication ne nécessitant que peu d'opérations et chaque opération étant simple et facilement automatisable. Le fond portant les électrodes et le matériau isolant constitue un sousensemble qui est produit de façon standard en grande quantité dans l'industrie électronique pour la fabrication de composants tels les transistors ou thyristors. Un tel composant est très bon marché. Le surmoulage en plastique permet aussi d'obtenir la forme qui assure la possibilité de montage du composant dans l'application souhaitée. Un tel surmoulage est peu coûteux. Le filament est soudé sur les électrodes au moyen des techniques de soudure adaptées au cablage de circuits intégrés, techniques peu onéreuses et permettant des cadences de fabrication élevées. La substance est mise en place par compression directement dans le logement du boîtier et sur le filament. La paroi et le fond métalliques assurent également à l'initiateur une excellente rigidité mécanique et permettent, en formant une cage de Faraday, de donner à l'initiateur une résistance importante aux décharges électrostatiques tout en le protégeant des courants induits par l'environnement électromagnétique. Il serait possible à titre de variante de remplacer le fil résistif 9 par une plaquette de semi-conducteur, de circuit imprimé ou de circuit intégré, qui pourra elle même être collée au fond 5. La substance pyrotechnique 2 est de préférence déposée suivant le procédé connu de chargement par voie humide. La substance est par exemple une substance quaternaire de type connu et associant dans des proportions classiques non précisées ici et qui sont bien connues de l'homme du métier: -un explosif primaire (comme le tricinate de plomb), -un oxydant (comme le Perchlorate de potassium, le Chlorate de Potassium, ou le Nitrate de potassium), 6 2720493 -un réducteur (comme le sulfure d'antimoine, le silicure de Calcium, le graphite ou encore l'aluminium en poudre), -un additif destiné à accroître ou diminuer la puissance de l'initiateur (comme le Thyocyanate de plomb, la poudre d'aluminium ou le bioxyde de plomb). Cette substance sera mélangée à 1 à 5% en masse d'un liant comme la gomme naturelle ou un liant synthétique et avec de l'eau (5 à 30% en masse). L'avantage de réaliser un mélange humide est qu'il est alors possible de travailler ce mélange et de diviser la substance en réduisant les risques d'initiation inopinée. La substance est ainsi mise en forme de pastilles du diamètre du boîtier avec un outillage approprié. Un poinçon assure une compression modérée (20 à 40 mégapascals) de cette pastille ce qui permet à la substance pyrotechnique de remplir complètement le boîtier 3 et d'être en contact intime avec le filament 9. La compression a également pour effet de chasser l'eau vers le dessus de la substance. Les initiateurs chargés passent ensuite dans un tunnel chaud (50 à 80 C) qui provoque l'évaporation de l'eau. Le séchage de la substance a pour effet de lui restituer sa sensibilité. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le fond 5 a la forme d'une plaque portant une collerette périphérique 7 sur laquelle la paroi métallique 4 est positionnée. Paroi et fond sont encore réalisés en acier inoxydable et sont soudés par arc électrique. L'électrode 8b est soudée dans un trou borgne du fond 5 tandis que l'électrode 8a traverse le fond. Elle est isolée électriquement du fond par un anneau de verre 15. Dans ce mode de réalisation, le surmoulage en matière plastique 10 entoure le fond, une partie des électrodes et également la paroi métallique 4 sur sensiblement toute sa hauteur. La rigidité de la 7 2720493 solidarisation est améliorée par la présence de la collerette 7. Le boîtier 3 est fermé par un bouchon 16 réalisé dans la même matière plastique que celle du surmoulage 10. Le bouchon 16 comporte une partie centrale cylindrique 17, de même diamètre que la paroi métallique 4, et dont la face frontale 18 est en appui sur la substance pyrotechnique 2. La périphérie du bouchon 16 présente un profil conique 16a qui vient en contact avec un profil complémentaire aménagé sur le surmoulage 10. Le profil conique 16a est séparé de la partie centrale 17 par une gorge annulaire 19. Lors de la mise en place du bouchon sur le composant chargé de substance pyrotechnique, il subsiste un jeu j de l'ordre du dixième de millimètre entre le fond de la gorge 19 du bouchon et la partie supérieure du surmoulage 10 (jeu exagéré sur la figure). Ce jeu autorise une légère compression de la substance pyrotechnique lors de l'assemblage par exemple par soudure aux ultra-sons. Une telle disposition permet, d'une part d'éviter la présence d'un espace vide à l'intérieur du boîtier ce qui limite les risques de frottement, et d'autre part assure un bon contact entre la substance pyrotechnique et le moyen d'initiation. On augmente ainsi sûreté et fiabilité de l'initiateur. Dans le cas o la substance est chargée par voie humide, la soudure du bouchon est réalisée après évaporation de l'eau comme cela a été décrit précédemment. La soudure par ultra-sons est réalisée d'une façon connue en appliquant une sonotrode d'un appareil à souder sur une couronne circulaire de la face plane externe du bouchon, couronne située sensiblement au droit du profil conique 16a (repère S). 8 2720493 Les vibrations de la sonotrode entraînent la soudure des surfaces en contact, c'est à dire des surfaces coniques. A titre de variante il serait possible de fixer le bouchon sur le boîtier par collage ou par clipsage. Le bouchon 16 comporte également un trou borgne 20, réalisé sur sa face externe, et qui forme ainsi sur le bouchon une zone d'épaisseur réduite ou cloison 21. Lors du fonctionnement de l'initiateur, la pression générée par la substance pyrotechnique 2 brise la zone d'épaisseur réduite 21 et l'initiateur transmet alors un effet pyrotechnique suivant une direction axiale. L'avantage de ce dernier mode de réalisation est qu'il permet d'obtenir un initiateur totalement étanche. La présence de la paroi et du fond métallique assurent par ailleurs la protection vis à vis des influences électromagnétiques et de l'électricité statique. La figure 3 est une représentation partielle et agrandie du moyen d'initiation utilisé dans ce deuxième mode de réalisation. Le moyen d'initiation est constitué par une pastille 22 d'un substrat isolant à base de silicium non dopé, sur lequel est déposé un pont semi conducteur 23 (formé de silicium dopé) et recouvert partiellement par deux plots conducteurs 24a et 24b (par exemple en aluminium). L'écartement entre les plots est compris entre 60 et 100 micromètres et de préférence de l'ordre de 80 micromètres. On déterminera d'une façon connue les caractéristiques de l'initiateur en modifiant l'écartement des plots, les dimensions du pont semi-conducteur et son dopage. Le plot 24a est relié à l'électrode 8a par un fil de liaison 25 fixé par soudure. Le plot 24b est relié à l'électrode 8b par l'intermédiaire du fond métallique 5 au travers d'un puit semi- conducteur 26 (silicium dopé) qui traverse le substrat isolant. 9 2720493 Une telle disposition permet de réduire les risques de ruptures des fils de connexion (un fil utilisé au lieu de deux) lors des opérations de chargement en substance pyrotechnique. Les technologies mises en oeuvre pour réaliser la pastille 22 sont bien connues de l'homme du métier dans le domaine de la fabrication de composants électroniques à semi conducteur (dopage du silicium, métallisation sous vide, soudures). Ces techniques sont adaptées à la réalisation de composants en grande série donc peu coûteux. L'utilisation d'un moyen d'initiation à pont semi- conducteur permet d'obtenir un initiateur dont les seuils de sécurité et de fonctionnements sont précis, ce qui ajoute à sa sûreté. On adoptera comme substance pyrotechnique une composition dont la granulomètrie moyenne est du même ordre de grandeur que les dimensions du pont semi-conducteur. Une telle disposition permet de limiter le transfert thermique à basse température tout en assurant ce transfert par convection et/ou projection à haute température ce qui accentue l'effet de non linéarité propre du semi-conducteur (c'est à dire la précision du seuil de fonctionnement, donc la sûreté). A titre d'exemple on choisira une composition de granulomètrie moyenne 80 micromètres (soit une granulomètrie réelle comprise entre 10 et 200 micromètres) pour un pont de largeur 80 micromètres. Un tel moyen d'initiation permet également d'obtenir une forte concentration d'énergie sur une zone (le pont semi conducteur) de surface réduite. Cette technologie autorise ainsi l'emploi de substances pyrotechniques moins sensibles par exemple des compositions à base de bore (20% en masse) et de nitrate de potassium (80% en masse) ou des compositions aluminium (20% en masse) / oxyde de cuivre(80% en masse). La substance pyrotechnique sera de préférence chargée par voie humide conformément au procédé décrit 2720493 précédemment. Ce type de chargement permet d'assurer la reproductibilité du contact entre le pont semi-conducteur et la substance et permet également d'obtenir avec précision la masse souhaitée de substance pyrotechnique. A titre de variante, il est également possible de disposer dans le boîtier une substance pyrotechnique sèche. La compression de la substance dans le logement du boîtier sera effectuée alors sous une pression supérieure (par exemple de l'ordre de 100 à 200 mégapascals). Le bouchon 12 sera comme précédemment maintenu en appui contre la substance pyrotechnique lors de sa fixation par soudure sur la jupe. A titre de variante, il est possible également de déposer une couche de matériau isolant thermique et électrique sur le pont semi- conducteur. Cette couche pourra être par exemple une couche de 0,5 à 10 micromètres d'épaisseur d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium. Une telle couche isolante permet de diminuer fortement le transfert thermique entre le pont semi- conducteur et la substance pyrotechnique. Cette dernière ne peut donc pas être initiée ou dégradée lorsqu'il circule un courant faible (de l'ordre de 0,3 Ampères). Par contre sous un fort courant (supérieur à 0,8 Ampères), la couche isolante est traversée par des projections de plasma de silicium à haute pression et haute température et elle peut initier des explosifs ou des substances pyrotechniques peu sensibles (par exemple une composition associant Bore et Nitrate de potassium). Une telle variante permet d'obtenir un initiateur de sûreté encore meilleure. Il est possible aussi d'utiliser la technologie des circuits intégrés pour former une pastille 22 comportant des circuits logiques qui commandent des interrupteurs intégrés (à base de transistors ou thyristors) pouvant bloquer le passage du courant dans le pont semi conducteur 23. L'initiateur ne pourra alors être initié qu'en réponse à un signal codé déterminé transmis en superposition au signal de puissance fourni par les électrodes (ou encore il 2720493 transmis par des électrodes complémentaires spécifiques traversant le fond 5). 12 2720493 REVENDICATIONS 1-Initiateur pyrotechnique (1) comprenant une substance pyrotechnique (2) disposée à l'intérieur d'un boîtier (3), caractérisé en ce que le boîtier (3) comprend une paroi métallique (4) solidaire d'un fond (5) également métallique, le fond étant traversé par au moins deux électrodes (8a,8b) dont au moins une est isolée électriquement du fond (5) par un matériau isolant (15), et en ce que le boîtier (3) comporte un surmoulage (10) en une matière plastique entourant au moins le fond (5) et une partie des électrodes (8a,8b). 2-Initiateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (3) est fermé par un paillet (12) sur lequel est replié un bord (13) de la paroi métallique (4). 3-Initiateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité (14) est disposé entre le paillet (12) et le bord (13) de fermeture de la paroi (4). 4-Initiateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le surmoulage (10) entoure également la paroi métallique (4) et porte un bouchon (16) en matière plastique qui ferme le boîtier (3). -Initiateur selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fond (5) porte une pastille (22) d'un substrat isolant sur lequel est déposé un pont semi conducteur (23) recouvert partiellement par deux plots conducteurs (24a,24b). 6-Initiateur selon la revendication 5 caractérisé en ce que un des plots conducteurs (24b) est relié au fond (5) métallique du boîtier (3) par l'intermédiaire d'un puit semi-conducteur (26) traversant le substrat, ledit fond (5) étant lui même relié à une des électrodes (8b). 7-Initiateur selon une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que une couche de matériau isolant 13 2720493 thermique et électrique est déposée sur le pont semi conducteur et isole celui-ci de la substance pyrotechnique. 8-Initiateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau isolant est constitué par de l'oxyde ou du nitrure de silicium déposé en une couche mince comprise entre 0,5 et 10 micromètres. 9-Initiateur selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la substance pyrotechnique (2) est déposée dans le boîtier par un procédé de chargement par voie humide. -Initiateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la granulométrie moyenne des constituants de la substance pyrotechnique est du même ordre de grandeur que les dimensions du pont semi conducteur.