Brevet FR2732455A1 — publié le 19961004

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 chaînes 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. 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 utilisés à ce jour consistent habituellement en un dispositif comprenant deux broches électriques reliées par un filament soudé constituant un pont conducteur disposé au contact d'une composition pyrotechnique. 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 planéité 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 être 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. L'invention a également pour objet une protection visà-vis de décharges d'électricité statique. Un but supplémentaire de l'invention est une technologie faisant appel à une forme compactée de la composition pyrotechnique, permettant de conserver l'intégrité de l'interface entre le pont et la composition, même après un long stockage. Un autre objectif de l'invention est un initiateur ayant une longue duree de vie, grâce à des propriétés d'herméticité. L'invention a également pour objectif un procédé de réalisation très simple d'un initiateur électropyrotechnique présentant les avantages précédents. L'invention vise aussi un système de sécurité pour véhicule comprenant un tel initiateur. A cet effet, l'invention concerne un initiateur électropyrotechnique comprenant: - 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. Selon l'invention, ce pont est déposé sur une plaquette, le pont et la plaquette faisant partie d'un microcomposant électronique, la plaquette est reliée aux broches et la composition est compactée dans le récipient. La composition et le microcomposant sont réunis sous pression dans le récipient. Par rapport aux initiateurs existants, l'initiateur pyrotechnique selon l'invention offre ainsi une architecture unique, permettant d'intégrer aussi bien un pont conducteur que semi-conducteur. Qui plus est, l'initiateur peut être realisé à partir de deux sous-ensembles respectivement électrique et pyrotechnique assemblés sous pression, de façon à conserver l'intégrité de l'interface entre le microcomposant et 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 parois 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 composition. 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 être 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 amincie ou fragilisée, de façon à ce qu'une mise à feu de la composition pyrotechnique ait un effet privilégié au droit de cette zone. Avantageusement, l'initiateur comporte un capuchon isolant qui, avec le godet, constitue une cage électriquement isolante protégeant la composition pyrotechnique de toutes les agressions resultant en particulier des décharges d'électricité statique. Dans une première configuration de l'initiateur, le pont étant conducteur est constitué d'une couche résistive d'épaisseur constante. La couche résistive a alors avantageusement une surface rectangulaire, par exemple carrée. Une détermination précise de la résistance du composant et d'une intensité de courant susceptible de déclencher 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 prévues à des extrémités opposées de la plaquette, ces plages étant destinées à faciliter une brasure des broches. Ce dispositif élimine tout problème posé par des bourrelets de soudure. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un initiateur électropyrotechnique. Selon l'invention: - dans une première étape, on compacte une composition pyrotechnique dans un récipient, de façon à former un sousensemble pyrotechnique, - dans une deuxième étape, on dépose un pont sur une plaquette, et on brase cette plaquette sur des broches électriques noyées dans une embase de façon à former un sousensemble inerte, - dans une troisième étape, on réunit sous pression les sous-ensembles pyrotechnique et inerte. Ce montage séparé des deux sous-ensembles offre à la fois simplicité de mise en oeuvre et une grande précision dans les caractéristiques de déclenchement. L'invention concerne aussi un système de sécurité pour véhicule comprenant au moins un initiateur électropyrotechnique selon 1 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 perspective. 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 électriquement. Celleci est de préférence en verre, mais peut également être en céramique 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 acier 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 préférence en plastique. Il 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 dinitrorésorcinates 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 à 70% de perchlorate de potassium, 0 & 10% de bore, 20 à 40% d'hydrure de titane et 2 à 5% de liant fluoré. 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 luimême 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'étui 2 et du corps 9 est réalisée par une soudure laser 12 circulaire. Cette soudure 12 permet de maintenir une compression constante et garantie l'herméticité. A titre d'exemple, elle peut garantir à une charge pyrotechnique un état compressif d'une valeur de 500 bars. L'assemblage des deux sous-ensembles 18, 19 peut également être effectué par collage de l'étui 2 et du corps 9. L'assemblage sous pression des deux sous-ensembles 18, 19 évite la présence d'air entre le microcomposant 20 et la composition pyrotechnique 4, qui nuirait à une maîtrise d'échanges calorifiques. L'avantage général de ce montage est qu'il permet de conserver l'intégrité de l'interface entre le pont 23 et la composition 4, celle-ci étant réalisée précisément selon la configuration souhaitée. Dans l'ensemble ainsi élaboré, le capuchon 10 isole électriquement la composition pyrotechnique 4 du corps 9 métallique. L'embase 8 en verre assure quant à elle l'herméticité du passage entre les broches 7 et le corps 9 métallique, elle permet également de maintenir l'état compressif. La soudure 12 empêche des infiltrations entre l'étui 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 herméticité, elle permet également de maintenir l'état compressif. Le microcomposant électronique 20, détaillé sur la Figure 4, comprend une plaquette 11 de préférence 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 égale à 2,54 mm et une épaisseur de 0,635 mm. Sur cette plaquette 11, sont aménagees par un procédé de photolithographie deux pistes 22 conductrices en or disposées symétriquement du côté de chacune des broches 7. Les pistes 22 sont séparées par un entrefer L3 d'environ 100 pm. Un pont 23 est sérigraphié sur cet entrefer L3. I1 peut aussi être photolithographié ou déposé sous 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 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 e la résistivité du pont 23, la résistance R de ce dernier est donnée par: # x L'1 L'1 x 1 R = # L'2 x e 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 e . 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 le. Le choix des longueurs L'1 et L'2 permet d'ajuster deux valeurs importantes: une intensité de non fonctionnement 10 et une intensité de fonctionnement I1. L'intensité 10 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 10 de non fonctionnement, définit un seuil au-delà duquel l'initiateur 1 est systématiquement mis à feu. Entre 10 et I1, le déclenchement de l'initiation n'est pas garanti. Les intensités 10 et I1 peuvent être aisément ajustées en jouant sur la surface S: plus celle-ci est petite, plus les valeurs 10 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 10 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 pm. Pour une automobile, la résistance R vaut typiquement de l'ordre de 2 fl, à 0,15 Q 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. Dans le cas d'un pont 23 semi-conducteur, l'architecture adoptée est exactement la même. Typiquement, la plaquette 11 est alors constituée d'un matériau semiconducteur dépose sur un support en matériau céramique. L'utilisation d'un pont 23 semi-conducteur est particulièrement avantageuse, car il permet une très grande précision dans un déclenchement de l'initiateur 1. En effet, il ne devient résistif 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 maîtrisée 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 réalisation 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. L'herméticité de l'initiateur 1 opérationnel est ensuite vérifiée avant son installation dans un véhicule avec un détecteur d'hélium, pour détecter d'éventuelles fuites provenant du matériau saturé en hélium stocké dans le logement 6. En fonctionnement, en présence d'un pont 23 conducteur, un courant de faible intensité circule par les broches 7 reliées à un circuit électrique, dans le composant 20. Cette intensité, qui peut être nulle, est insuffisante pour déclencher l'initiateur 1. Elle est inférieure à l'intensité 10 de non fonctionnement du pont 23 conducteur.. Une mise à feu de l'initiateur 1 est provoquée par une augmentation sensible de l'intensité circulant dans les broches 7 et supérieure à l'intensité Il de fonctionnement. I1 s'ensuit un échauffement très rapide du pont 23 conducteur, transmis à la composition pyrotechnique 4 par l'intermédiaire de la plaquette 11. Une explosion est ainsi déclenchée, ses effets se propageant de façon privilégiée dans la direction du fond 16 du godet 3. Si le pont 23 est semi-conducteur, le fonctionnement est tout-à-fait similaire. Une mise à feu de l'initiateur 1 est cependant provoquée de façon plus abrupte dès lors qu'un courant passant par les broches 7 a une intensité dépassant une valeur de seuil associée au pont 23 semi-conducteur et que sa durée d'application est suffisante. Bien que les ponts 23 présentés à titre d'exemple soient particulièrement avantageux, d'autres configurations peuvent être envisagées. En particulier, le pont 23 peut être constitué d'une couche mince comme d'une couche épaisse. I1 peut également avoir une surface S autre que rectangulaire, et présenter par exemple une forme circulaire ou polyédrique. Par ailleurs, malgré une moins bonne herméticité 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 matière 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 des inondations. REVENDICATIONS 1. Initiateur électropyrotechnique (1) comprenant: - deux broches électriques (7) d'amenée de courant insérées dans une embase 8 - un pont (23) établissant une liaison électrique entre les deux broches (7), - une composition pyrotechnique (4) stockée dans un récipient (2, 3), caractérisé en ce que ledit pont (23) est déposé sur une plaquette (11), le pont (23) et la plaquette (11) faisant partie d'un microcomposant électronique (20) et la plaquette (11) étant reliée aux broches (7) et que la composition (4) est compactée dans le récipient (2, 3), la composition (4) et le microcomposant (20) étant réunis sous pression dans le récipient (2, 3). 2. Initiateur électropyrotechnique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient a des parois hermétiques, l'embase 8 est une traversée hermétique et la liaison entre l'embase 8 et les parois du récipient (2, 3) est aussi hermétique. 3. Initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'initiateur (1) comporte un logement (6) à l'intérieur du récipient (2, 3), ledit logement (6) comprenant un matériau saturé en hélium, permettant de détecter des fuites éventuelles, par aspiration. 4. Initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le récipient (2, 3) comprend un godet (3) isolant électriquement et un étui (2) métallique à parois hermétiques contenant ledit godet (3). 5. Initiateur électropyrotechnique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un capuchon isolant (10) qui, avec le godet (3) constitue une cage électriquement isolante protégeant la composition pyrotechnique de toutes les agressions résultant en particulier des décharges d'électricité statique. 6. Initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le récipient (2, 3) a une zone (15, 16) fragilisée, de façon à ce qu'une mise à feu de la composition pyrotechnique (4) ait un effet privilégié au droit de ladite zone (15, 16). 7. Initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pont (23) étant conducteur, il est constitué d'une couche résistive (23) d'épaisseur (e) constante. 8. Initiateur électropyrotechnique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche résistive a une surface (S) rectangulaire. 9. Initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le pont (23) est semi-conducteur. 10. Initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux plages (21) de contact sont prévues à des extrémités opposes de la plaquette (il), lesdites plages (21) étant destinees à faciliter une brasure des broches (7). 11. Procédé de réalisation d'un initiateur électropyrotechnique (1), caractérisé en ce que: - dans une première étape, on compacte une composition pyrotechnique (4) dans un récipient (23), de façon à former un sous-ensemble pyrotechnique (19), - dans une deuxième étape, on dépose un pont (23) sur une plaquette (11), et on brase cette plaquette sur des broches électriques noyées dans une embase de façon à former un sous-ensemble inerte, - dans une troisième étape, on réunit sous pression les sous-ensembles pyrotechnique (19) et inerte (18). 12. Système de sécurité pour véhicule comprenant au moins un initiateur électropyrotechnique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, apte à activer un mécanisme de sécurité.