(57)【要約】  本発明の実施形態は反応性多層フォイルの点火をシミュレートする方法を含む。その他の実施形態は、エネルギー源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより反応性多層フォイルを点火する様々な方法を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性多層フォイルにおける自己伝播性の反応の開始および特性をシミュレートする方法であって、
原子濃度発展方程式を備えるステップと、
（ｉ）反応性多層フォイルの熱拡散と、（ｉｉ）反応性多層フォイルの混合熱と、（ｉｉｉ）反応性多層フォイルの化学的転移を開始するように構成された刺激と関連するエネルギー源の項を含むエネルギー発展方程式を備えるステップと、
離散化した方程式のシステムを形成するために、原子濃度発展方程式とエネルギー発展方程式とを離散化するステップと、
反応性多層フォイルと関連するパラメータを用いて、離散化した方程式のシステムを統合することにより、反応性多層フォイルの原子濃度およびエネルギー場の挙動を決定するステップとを含む方法。
【請求項２】
原子濃度発展方程式が
【数１】
2007520352.tif 000026
で表わされ、ここでＣは原子濃度、Ｄは原子拡散率である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
エネルギー発展方程式が
【数２】
2007520352.tif 000027
で表わされ、ここでＨはエンタルピー、ｋは熱伝導率、ｔは時間、Ｔは温度、Ｑは反応熱である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
エネルギー発展方程式が
【数３】
2007520352.tif 000028
で表わされ、ここでＨはエンタルピー、ｋは熱伝導率、ｔは時間、Ｔは温度、Ｑは反応熱、そしてｑ’’’は刺激と関連するエネルギー発生速度である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
原子濃度発展方程式およびエネルギー発展方程式の離散化が、差分法、有限要素法、有限体積法、スペクトル要素法、または選点法に基づく請求項１に記載の方法。
【請求項６】
反応性多層フォイルと関連するパラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、溶融熱、融解温度、反応熱、原子量、原子拡散率、および活性化エネルギーのうちの少なくとも一つを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
刺激が、電源、熱源、機械動作源、音源、超音波源、マイクロ波源、化学源、ＲＦ源、電磁源のうちの一つ以上と関連する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
刺激と関連するエネルギー源の項が、体積源の項、表面源の項、または体積源と表面源との項の組合せである請求項１に記載の方法。
【請求項９】
刺激のパラメータを変えることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
刺激と関連するパラメータが、反応性多層フォイルに対する刺激の位置、ポテンシャル・エネルギー、運動エネルギー、電位、電流電圧、パルス持続時間、接触面積、パワー、波長、スポットの大きさ、およびパルス・エネルギーのうちの一つ以上を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
反応性多層フォイルにおける自己伝播性の反応の開始および特性をシミュレートする方法ステップを実施するための、機械により実行可能な指示プログラムを実現可能に具体化する、機械で読み取り可能なプログラム記憶装置であって、
前記方法が原子濃度発展方程式を備えるステップと、
（ｉ）反応性多層フォイルの熱拡散と、（ｉｉ）反応性多層フォイルの混合熱と、（ｉｉｉ）反応性多層フォイルの化学的転移を開始するように構成された刺激と関連するエネルギー源の項を含むエネルギー発展方程式を備えるステップと、
離散化した方程式のシステムを形成するために、原子濃度発展方程式とエネルギー発展方程式とを離散化するステップと、
反応性多層フォイルと関連するパラメータを用いて、離散化した方程式のシステムを統合することにより、反応性多層フォイルの原子濃度およびエネルギー場の挙動を決定するステップとを含む記憶装置。
【請求項１２】
原子濃度発展方程式が、
【数４】
2007520352.tif 000029
で表わされ、ここでＣは原子濃度、Ｄは原子拡散率である請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
エネルギー発展方程式が、
【数５】
2007520352.tif 000030
で表わされ、ここでＨはエンタルピー、ｋは熱伝導率、ｔは時間、Ｔは温度、およびＱは反応熱である請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
エネルギー発展方程式が、
【数６】
2007520352.tif 000031
で表わされ、ここでＨはエンタルピー、ｋは熱伝導率、ｔは時間、Ｔは温度、およびＱは反応熱、そしてｑ’’’は刺激と関連するエネルギー発生速度である請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
原子濃度発展方程式およびエネルギー発展方程式の離散化が、差分法、有限要素法、有限体積法、スペクトル要素法、または選点法に基づく請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
反応性多層フォイルと関連するパラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、溶融熱、融解温度、反応熱、原子量、原子拡散率、および活性化エネルギーのうちの少なくとも一つを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
刺激が、電源、熱源、機械動作源、音源、超音波源、マイクロ波源、化学源、ＲＦ源、および電磁源のうちの一つ以上と関連する請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
刺激と関連するエネルギー源の項が、体積源の項、表面源の項、または体積源と表面源との項の組合せである請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
刺激のパラメータを変えることをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
刺激と関連するパラメータが、反応性多層フォイルに対する刺激の位置、ポテンシャル・エネルギー、運動エネルギー、電位、電流電圧、パルス持続時間、接触面積、パワー、波長、スポットの大きさ、およびパルス・エネルギーのうちの一つ以上を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
電気エネルギー源および反応性多層フォイルを備えることと、
電気エネルギー源から反応性多層フォイルに無アーク放電を与えることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項２２】
電気エネルギー源が、電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、強誘電素子のうちの一つ以上を含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
電気エネルギー源が、約１０Ｖ以下の電位を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
電気エネルギー源が、約５Ｖ以下の電位を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
電気エネルギー源が、約１Ｖ以下の電位を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
無アーク放電が、約１ｍｓ以下の持続時間を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
導線が、動作可能なように電気エネルギー源に接続され、反応性多層材料に接触して置かれ、導線と反応性多層フォイルとの間の接触域が約１ｍｍ以下の直径を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
無アーク放電が、約１ｍｍ以下の直径を有する接触域において反応性多層材料に与えられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
無アーク放電が、約４０ｍＪ以下のエネルギーを有する請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
レーザー源からのエネルギーが約１ｍｍ以下の直径を有する反応性多層フォイル上のスポットに作用する方法。
【請求項３１】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
レーザー源が、約３００Ｗ以下の出力を有する方法。
【請求項３２】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
転移されたエネルギーが、約４０ｍＪ以下である方法。
【請求項３３】
エネルギーが、約３００ｎｍ〜約２μｍの間の波長で転移される請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
エネルギーが、約３００ｎｍ〜約２μｍの間の波長で転移される請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
エネルギーが、約３００ｎｍ〜約２μｍの間の波長で転移される請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
反応性多層フォイルが、少なくとも一つのはんだまたはろうの層を含む方法。
【請求項３７】
少なくとも一つのはんだまたはろうの層が、インジウム、鉛、スズ、銀、亜鉛、金、およびアンチモンの一つ以上を含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
反応性多層フォイルの化学的転移により別の構成要素と結合される構成要素を備えることと、
光路を通じてレーザー源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
該構成要素が、レーザー源からのエネルギーを、光路を通じて反応性多層フォイルに転移可能にするように構成された光路を含む方法。
【請求項３９】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
レーザー源からのエネルギーが反応性多層フォイルに転移される前に方向を変えられる方法。
【請求項４０】
光システムを備えることと、該光システムを通じてエネルギーの方向を変更することと、をさらに含む請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源、光ファイバー・ケーブルおよび反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源から光ファイバー・ケーブルを通じて反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項４２】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
レーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、
レーザー源からエネルギー吸収材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
該反応性多層フォイルが、エネルギー吸収材料で部分的にコーティングされている方法。
【請求項４３】
反応性多層フォイルが、エネルギー反射材料で部分的にコーティングされた請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
エネルギー反射材料が、反応性多層フォイルよりも高い反射率を有する請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
エネルギー反射材料が、カーボンブラックまたは黒インクを含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
エネルギー吸収材料が、反応性多層フォイルよりも高い吸収率を有する請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
マイクロ波源および反応性多層フォイルを備えることと、
マイクロ波源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項４８】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルおよび発射体を備えることと、
該発射体で反応性多層フォイルを貫くことと、
貫通が、反応性多層材料の化学的転移を開始させることと、を含む方法。
【請求項４９】
発射体が、ばね仕掛けである請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
超音波源および反応性多層フォイルを備えることと、
超音波源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項５１】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
誘導加熱源および反応性多層フォイルを備えることと、
誘導加熱源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項５２】
反応性多層フォイルが、磁性要素を含む請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
磁性要素がＮｉである請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルを備えることと、
反応性多層フォイルを機械的に破壊することにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項５５】
反応性多層フォイルが、窪んだ部分を含み、該窪んだ部分が反応性多層フォイルの機械的破壊を助けるように構成された請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
反応性多層フォイルが、窪んだ部分で機械的に破壊するように構成された請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルを備えることと、
反応性多層フォイル上で摩擦を発生させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項５８】
研磨面を伴う物体を備えることをさらに含み、摩擦の発生が該研磨面を反応性多層フォイルに接触させることを含む請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
摩擦の発生が、物体を回転させることを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
摩擦の発生が、物体をスライドさせることを含む請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
物体が、回転工具部分を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
物体が、ダイヤモンド砥石を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６３】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
電気エネルギー源、反応性多層フォイル、および導線を備えることと、
導線を通じて電気エネルギー源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項６４】
さらに反応性多層フォイルの化学的転移により別の構成要素と結合される構成要素をさらに備えることを含み、該構成要素が導線を含む請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
電気エネルギー源が、電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、および強誘電素子のうちの一つ以上を含む請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
反応性多層材料の化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層材料および点火源を含む構成要素を備えることと、
点火源を始動させることにより、反応性多層材料の化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項６７】
点火源の始動が、遠隔で点火源を始動させることを含む請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
点火源が、電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、強誘電素子、撃針、レーザー、ＭＥＭＳ装置、熱フィラメント、ソレノイド、ゲートスイッチ、摩耗面、微細気泡、ヒューズ、反応性多層タブ、化学物質、ＳＨＳ粉末、および加熱ガスのうちの一つ以上を含む請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
化学物質および反応性多層フォイルを備えることと、
化学的に化学物質を転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を方法。
【請求項７０】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルを備えることと、
反応性多層フォイルをフォイルの点火温度まで加熱することと、を含む方法。
【請求項７１】
加熱源を備えることと、
反応性多層フォイルを加熱源の中に置くことと、をさらに含み、
加熱が、該加熱源の中で反応性多層フォイルを加熱することを含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
加熱源が、炉またはリフロー・オーブン（ｒｅｆｌｏｗ  ｏｖｅｎ）である請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
加熱が、約２００℃／分以上の速さで生じる請求項７０に記載の方法。
【請求項７４】
加熱が、反応性多層フォイルの片側を加熱することを含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７５】
反応性多層フォイルが、囲いまたは組立品の中に配置され、
加熱が、該囲いまたは組立品の片側を加熱することを含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７６】
反応性多層フォイルが、該反応性多層フォイルの化学的転移により結合されるよう構成された二つ以上の構成要素の間に配置され、
加熱が二つ以上の構成要素の一つを加熱することを含む請求項７０に記載の方法。
【請求項７７】
二つ以上の構成要素の一つを加熱することが、二つ以上の構成要素の一つを通って電流が流れることを含む請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルおよび溶融物質を備えることと、
溶融物質から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項７９】
溶融物質を反応性多層フォイルと接触させることをさらに含む請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
溶融物質が、溶融したはんだまたは溶融したろう（ｂｒａｚｅ）である請求項７８に記載の方法。
【請求項８１】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルおよび微小炎を備えることと、
微小炎から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む方法。
【請求項８２】
微小炎を反応性多層フォイルと接触させることをさらに含む請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
反応性多層フォイルが、少なくとも二つの構成要素の間に配置され、
反応性多層フォイルの一部分が、少なくとも二つの構成要素のうちの少なくとも一つの端を過ぎて延び、
微小炎を反応性多層フォイルの該部分へ向けることをさらに含む請求項８１に記載の方法。
【請求項８４】
反応性多層フォイルの化学的転移を開始する方法であって、
反応性多層フォイルを備えることと、
エネルギー源を備えることと、
エネルギー源から反応性多層材料にエネルギーを転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、
該反応性多層フォイルが、囲みにより取り巻かれ、または組立品の中に配置されている、方法。
【請求項８５】
エネルギーが、囲いまたは組立品を透過することなく転移される請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
エネルギー源が囲いまたは組立品の外側に配置されているとき、エネルギーが反応性多層フォイルに転移される請求項８４に記載の方法。
【請求項８７】
エネルギー源を反応性多層フォイルと物理的に接触させることなくエネルギーが転移される請求項８４に記載の方法。
【請求項８８】
囲いが、実質的に気密である請求項８４に記載の方法。
【請求項８９】
エネルギー源が、マイクロ波源、超音波源、および誘導加熱源のうちの一つ以上を含む請求項８４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連する出願との相互参照）
本出願は、その全体を参照することにより本明細書に援用される、２００３年１０月９日に出願された米国仮特許出願第６０／５０９，５２６号明細書に対するＵ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権の利益を主張する。
（連邦政府後援の調査に関する記述）
【０００２】
本発明は米国科学財団賞ＤＭＩ−０１１５２３８号、ＤＭＩ−０２３２３９８号および米国標準技術局賞７０ＮＡＮＢ３Ｈ３０４５号に基づく米国政府の援助をもってなされた。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００３】
発明の記述
発明の分野
本発明の実施形態は反応性多層フォイルの点火をシミュレートする方法を含む。その他の実施形態は、エネルギー源から反応性多層フォイルにエネルギーを転移させることにより反応性多層フォイルを点火する様々な方法を含む。
【背景技術】
【０００４】
発明の背景
反応性多層フォイルは一般にＮｉおよびＡｌなどの大きな負の混合熱を有する元素の間で交互になっている、数百のナノスケール層を蒸着する蒸気により作られたナノ構造物質である。これらの点火しやすい材料は、フォイルに沿って１ｍ／ｓ〜約３０ｍ／ｓの速度で移動する自己伝播性の反応（例えば化学的転移）をもたらす。これらの材料および関連する方法の実施については、それら全ての全体を参照することにより本明細書に援用される以下の中で開示されている：米国特許第５，３８１，９４４号明細書、同第５，５３８，７９５号明細書、同第５，５４７，７１５号明細書、同第６，５３４，１９４号明細書、２００１年５月１日に出願された「独立反応性多層フォイル」（Ｆｒｅｅ  Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ）と題する米国特許出願第０９／８４６，４８６号明細書（「’４８６出願」）、２０００年５月２日に出願された「独立反応性多層フォイル」（Ｆｒｅｅ  Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ）と題する米国特許仮出願第６０／２０１，２９２号明細書（「’２９２出願」）、２００２年１１月１日付発行の応用物理学ジャーナル９２（９）巻、５４７４〜５４８１頁におけるベスノアン他による「多層フォイル内の自己伝播性反応で溶ける反応物質と生成物の影響」と題する論文（「ベスノアン」）（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｂｅｓｎｏｉｎ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｒｅａｃｔａｎｔ  ａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  ｏｎ  Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐｇａｔｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．９２（９），ｐａｇｅｓ  ５４７４−５４８１  ｏｎ  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １，  ２００２  （”Ｂｅｓｎｏｉｎ”））、２００３年９月１日付発行の応用物理学ジャーナル９４（５）巻、２９１５〜２９２２頁におけるブロバウム他による「多層フォイル形状における自己伝播性ＣｕＯｘ／Ａｌテルミット反応の蒸着および特性化」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｂｌｏｂａｕｍ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ＣｕＯｘ／Ａｌ  Ｔｈｅｒｍｉｔｅ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．９４（５），  ｐａｇｅｓ  ２９１５−２９２２）、Ｄ．Ａ．グロッカーおよびＳ．Ｉ．シャーにより編集された薄膜プロセス技術ハンドブック１９９８年版で刊行された「多層材料における自己伝播性反応」（「グロッカー」）（ａ  ｃｈａｐｔｅｒ  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  １９９８  ｅｄｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｄ．Ａ．  Ｇ���ｏｃｋｅｒ  ａｎｄ  Ｓ．Ｉ．  Ｓｈａｈ  （”Ｇｌｏｃｋｅｒ”））、および１９９７年２月に、ナノ構造について推進している無機物、金属および材料学会（ＴＭＳ）により提供された「ナノスケール多層材料における自己伝播性発熱反応」と題する論文（「ＴＭＳ」）（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”  ｔｈａｔ  ｗａｓ  ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ  ａｔ  Ｔｈｅ  Ｍｉｎｅｒａｌｓ，  Ｍｅｔａｌｓ，  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  （ＴＭＳ）  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｎ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ｏｆ  １９９７  （”ＴＭＳ”））。
【０００５】
反応性多層フォイルにおける自己伝播性反応（例えば化学的転移）は化学結合エネルギーの減少により促進され、その例は、それら双方の全体が参照することにより本明細書に援用される、「グロッカー」および、２０００年２月１日付発行の応用物理学ジャーナル８７（３）巻、１２５５〜１２６３頁におけるガバンス他による「Ａｌ／Ｎｉナノ積層ナノフォイルでの自己伝播性発熱反応における混合の影響」と題する論文（「ガバンス」）（Ｇｌｏｃｋｅｒ  ａｎｄ  ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｇａｖａｎｓ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  ”Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ  ｏｎ  Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ａｌ／Ｎｉ  Ｎａｎｏｌａｍｉｎａｔｅ  Ｎａｎｏｆｏｉｌｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．８７（３），  ｐａｇｅｓ  １２５５−１２６３  ｏｎ  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １，  ２０００  （”Ｇａｖｅｎｓ”））に開示されている。適切な刺激（例えば点火あるいは化学的転移の開始）の適用によって、交互の層の構成物質間での局部的結合変化がフォイルの下方へと伝導され、反応を維持する大量の熱を生じる。反応性多層フォイル技術における最近の発展により、反応速度と同様に反応熱の双方を注意深く制御することが可能であることが分かり、またナノ構造の多層フォイルを作るための新しい手段が提供された。すなわち、反応の速度、熱、および／または温度は、それら各々の全体が参照することにより本明細書に援用される、米国特許第５，５３８，７９５号明細書、１９９４年付発行のＳｃｒｉｐｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ  ｅｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ、３０（１０）巻、１２８１〜１２８６頁において刊行された「多層ＮｉＡｌシステムの燃焼合成」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  ”Ｔｈｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  ＮｉＡｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ｓｃｒｉｐｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ  ｅｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，  Ｖｏｌ．  ３０（１０），ｐａｇｅｓ  １２８１−１２８６  ｉｎ  １９９４）、「ガバンス」（Ｇａｖｅｎｓ）、’４８６出願および’２９２出願に示されるように、交互の層の厚さを変えることにより、制御出来ることが実証されている。「ガバンス」において示されるように反応熱はフォイル構成の変更、または反応性多層の製作後の低温焼き鈍しにより制御可能である。ナノ構造の反応性多層を作るための新しい方法は（ｉ）米国特許第６，５３４，１９４号明細書に詳細に述べられている機械的処理、および（ｉｉ）電気化学的蒸着を含む。
【０００６】
上記に説明されたこれらの技術的進歩−他の多層フォイル製作方法と同様に反応熱、速度、および温度の制御を含む−は反応性多層フォイルの潜在的適用範囲を、以下が含まれるように広げる：（ａ）反応性多層結合（その例は、双方の全体が参照することにより本明細書に援用される、２００３年５月１３日に出願された米国特許仮出願第６０／４９６，８４１号明細書（「’８４１出願」）および２００４年５月１２日に出願された米国特許出願第１０／８４３，３５２号明細書（「’３５２出願」）で開示されている。）（ｂ）密封シーリング（その例は、双方の全体が参照することにより本明細書に援用される、２００３年４月９日に出願された米国特許仮出願第６０／４６１，１９６号明細書および２００４年４月１日に出願された米国特許出願第１０／８１４，２４３号明細書で開示されている。）（ｃ）構造エネルギー学、および（ｄ）二次反応を起こすための反応性多層フォイルの利用、例えばヒューズや起爆装置。
【０００７】
幾つかの異なる手段が、ナノスケールの多層フォイルにおける自己伝播性の反応（例えば化学的転移の開始）の点火のために用いられている。幾つかの方法では、鋭い針の衝撃で点火を開始し、そして他の点火では電源からの火花で開始する（その例は１９９０年発行の応用物理学レター５７巻、１２６２頁におけるマ他による「Ａｌ／Ｎｉ多層薄膜における自己伝播性の爆発的反応」と題する論文（「マ」）（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｍａ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｓｅｌｆ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ａｌ／Ｎｉ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ”ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ５７，  ｐａｇｅ  １２６２  ｉｎ  １９９０（“Ｍａ”））、１９９９年発行の材料科学と工学Ａ、Ａ２６１巻、２１７〜２２２頁におけるライス他による「Ｎｂ／Ｓｉ多層における自己伝播性の形成反応」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｒｅｉｓｓ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｓｅｌｆ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｎｂ／Ｓｉ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ｍａｔ．Ｓｃｉ．  ａｎｄ  Ｅｎｇ．Ａ．，  Ｖｏｌｕｍｅ  Ａ２６１，  ｐａｇｅｓ  ２１７−２２２  ｉｎ  １９９９）、１９９７年秋発行のＭａｔ．  Ｒｅｓ．  Ｓｏｃ．  Ｓｙｍｐ．  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ４８１巻、５３３〜８頁におけるファン・ヘーアデン他による「Ａｌ／ＮｉおよびＡｌ／Ｍｏｎｅｌ多層における自己伝播性反応中の準安定相形成および微細構造の発展」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  ｖａｎ  Ｈｅｅｒｄｅｎ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ  ｄｕｒｉｎｇ  Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ａｌ／Ｎｉ  ａｎｄ  Ａｌ／Ｍｏｎｅｌ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ｍａｔ．  Ｒｅｓ．  Ｓｏｃ．  Ｓｙｍｐ．  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ４８１，  ｐａｇｅｓ  ５３３−８  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｆａｌｌ  ｏｆ  １９９７）、およびＴＭＳにおいて開示されており、それらすべての全体は参照することにより本明細書に援用される）。代わりに、フィラメントからの熱（その例はそれら双方の全体は参照することにより本明細書に援用される、１９８９年発行の応用物理学ジャーナル６６巻、５０３９頁におけるアンセルミ−タンブルニ他による「Ｎｉ−Ａｌフォイルにおける固体燃焼波の伝播」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ａｎｓｅｌｍｉ−Ｔａｍｂｕｒｎｉ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｔｈｅ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｗａｖｅ  ｉｎ  Ｎｉ−Ａｌ  Ｆｏｉｌｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ６６，  ｐａｇｅ  ５０３９  ｉｎ  １９８９）、および１９９４年発行のＳｃｒｉｐｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ  ｅｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ  ３０巻、１２８１頁にお��るダイアー他による「多層ＮｉＡｌシステムの燃焼合成」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｄｙｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｔｈｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  ＮｉＡｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ｓｃｒｉｐｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ  ｅｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ３０，  ｐａｇｅ  １２８１  ｉｎ  １９９４）において開示されている）、またはレーザー照射（その例は全体は参照することにより本明細書に援用される、１９８８年発行のＪ．Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ、  ６巻、１６９９頁におけるウィッカーシャム他による「ジルコニウム／シリコン多層における爆発性結晶化」と題する論文（「ウィッカーシャム」）（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｗｉｃｋｅｒｓｈａｍ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ／Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ６，  ｐａｇｅ  １６９９  ｉｎ  １９８８）（“Ｗｉｃｋｅｒｓｈａｍ”）において開示されている）が点火開始に用いられてもよい。どのようなパワーまたはエネルギーが反応を起こすのに必要かを理解し始めるために、マはＮｉ／Ａｌ多層フォイルおよび電気的刺激を用いて、反応プロセスに対し多層フォイルの周期が有する影響を調査した。マにおいて開示された結果は、より長い周期での膜における反応はより短い周期的繰り返しでの膜における反応よりも、点火のためにより多くのパワーを要することを示唆する。同結果はまた初期サンプル温度が上昇すると必要パワーが減少することを示唆する。ウィッカーシャムは反応を起こすためにタングステン・カーバイド（ＷＣ）先端からの衝撃を用いて、ジルコニウム／シリコン多層膜において点火の研究を行なった。ウィッカーシャムによれば、所定の周期の多層フォイルに対し、より厚い膜はより低いサンプル温度で点火された。これらの二つの研究は点火が二層構造体の厚さ（例えば周期）、初期サンプル温度、およびフォイルの全体厚さに依存することを示唆する。
【０００８】
しかしながら、反応性多層フォイルの点火に関する従来の知見は、幾つかの材料が、例えば米国特許第５，６０６，１４６号明細書において開示されてはいるが、点火の要件を制御する幾つかの必須の要件が明確に調査されておらず、またそれらの影響が結果として未知であるため、大部分において制限がある。これらは層間の混合（その例は「ガバンス」および「グロッカー」において開示されている）、刺激の持続時間、および点火源のエネルギーまたはパワーの密度等のような特性を含む。点火源の主要特性に関するこの知識の欠如は、効果的な点火システムおよび装置の設計に対する障害となる。
【０００９】
別の制限は、反応を開始しなければならない時にフォイルへ直接のアクセスが出来ないという状況で問題となる。その一例は、反応性フォイルが、二つのはんだ又はろうの層（例えば、鉛、スズ、銀、亜鉛、金、および／またはアンチモン）と二つの構成要素（その例は米国特許第５，３８１，９４４号明細書、’８４１出願、および’３５２出願で開示されている）との間に挟まれているときに接着または結合を行う場合に関係する。多くの場合（例えばヒートシンクのチップ上またはチップ・パッケージ上への搭載、または超小型電子部品の接着）フォイルが構成要素により「遮蔽」されるため、点火の直接アクセス法は実際的でない。従って、これらの状況においては、この問題に効果的に取り組む点火方法が必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の制限を克服するため、本発明の態様は反応性多層フォイル点火のための新たな方法を提供する。本発明のこれらの態様の幾つかは以下を含む。
【００１１】
点火源のエネルギー要件決定のための多次元計算コードの適用。該コードはエネルギーと組成の発展方程式の多次元の一時的な定式化に基づいてもよい。
【００１２】
反応性多層フォイルの点火方法。
【００１３】
アクセス制限の克服方法。
【００１４】
本発明のこれらおよびその他の態様は本明細書に説明されている様々な例示的実施形態において詳細に記載される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明の概要
本発明の実施形態は、反応性多層フォイルにおける自己伝播性の反応の開始および特性をシミュレートする方法を含む。本方法は、原子濃度発展方程式を備えることと、（ｉ）反応性多層フォイルの熱拡散、（ｉｉ）反応性多層フォイルの混合熱、および（ｉｉｉ）反応性多層フォイルの化学的転移を開始するように構成された刺激と関連するエネルギー源の項を含むエネルギー発展方程式を備えることと、離散化した方程式のシステムを形成するために原子濃度発展方程式およびエネルギー発展方程式を離散化することと、反応性多層フォイルと関連するパラメータを用いて、離散化した方程式のシステムを統合することにより、反応性多層フォイルの原子濃度およびエネルギー場の挙動を決定することと、を含む。
【００１６】
本発明の別の実施形態は、機械で読み取り可能で、反応性多層フォイルにおける自己伝播性の反応の開始および特性をシミュレートする方法ステップを行なうために、機械で実行可能な指令のプログラムを実現可能に具体化する、プログラム記憶装置を含む。本方法は原子濃度発展方程式を備えるステップと、（ｉ）反応性多層フォイルの熱拡散、（ｉｉ）反応性多層フォイルの混合熱、および（ｉｉｉ）反応性多層フォイルの化学的転移を開始するように構成された刺激と関連するエネルギー源の項を含むエネルギー発展方程式を備えるステップと、離散化した方程式のシステムを形成するために原子濃度発展方程式およびエネルギー発展方程式を離散化させるステップと、反応性多層フォイルと関連するパラメータを用いた離散化した方程式のシステムを統合することにより、反応性多層フォイルの原子濃度およびエネルギー場の挙動を決定するステップとを含む。
【００１７】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい。原子濃度発展方程式は
【数１】
2007520352.tif 000002
であってもよく、ここでＣは原子濃度、Ｄは反応性多層フォイルの原子拡散率である。エネルギー発展方程式は
【数２】
2007520352.tif 000003
であってもよく、ここでＨはエンタルピー、ｋは熱伝導率、ｔは時間、Ｔは温度、Ｑは反応性多層フォイルの反応熱である。エネルギー発展方程式は
【数３】
2007520352.tif 000004
であってもよく、ここでＨはエンタルピー、ｋは熱伝導率、ｔは時間、Ｔは温度、Ｑは反応性多層フォイルの反応熱であり、ｑ’’’は刺激と関連するエネルギー発生速度である；原子濃度発展方程式およびエネルギー発展方程式の離散化は差分法、有限要素法、有限体積法、スペクトル要素法、または選点法に基づいてもよい；反応性多層フォイルに関連するパラメータは長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、溶融熱、融解温度、反応熱、原子量、原子拡散率、および活性化エネルギーのうちの少なくとも一つを含んでもよい；刺激は電源、熱源、機械的作用源、音源、超音波源、マイクロ波源、化学源、ＲＦ源、および電磁源のうちの一つ以上と関連してもよい；刺激と関連するエネルギー源の項は、該刺激のパラメータを変化させる体積源の項、表面源の項、または体積源と表面源との項の組合せであってもよい；刺激に関連するパラメータは反応性多層フォイルに対する刺激位置、ポテンシャル・エネルギー、運動エネルギー、電位、電流電圧、パルス持続時間、接触面積、パワー、波長、スポットサイズ、およびパルス・エネルギーのうちの一つ以上を含んでもよい。
【００１８】
本発明のさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は電気エネルギー源と反応性多層フォイルを備えることと、電気エネルギー源から反応性多層フォイルに無アーク放電を与えることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することを含む。
【００１９】
様々な実施形態において、本発明は次の態様のうちの一つ以上を含んでもよい：
電気エネルギー源は電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、および強誘電素子のうちの一つ以上を含んでもよい；
電気エネルギー源は約１０Ｖ以下の電位を有してもよい；
電気エネルギー源は約５Ｖ以下の電位を有してもよい；
電気エネルギー源は約１Ｖ以下の電位を有してもよい；
無アーク放電は約１ｍｓ以下の持続時間を有してもよく、導線は動作可能なように電気エネルギー源に接続され、反応性多層材料に接触してもよい；
導線と反応性多層フォイルとの間の接触域は約１ｍｍ以下の直径を有してもよい；
無アーク放電は約１ｍｍ以下の接触域で反応性多層材料に与えられてもよい；
無アーク放電は約４０ｍＪ以下のエネルギーを有してもよい。
【００２０】
本発明のさらに別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、レーザー源からエネルギーを反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することを含む。レーザー源からのエネルギーは、約１ｍｍ以下の領域を有する反応性多層フォイルのスポット上に作用する。
【００２１】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、レーザー源からエネルギーを反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。レーザー源は約３００Ｗ以下のパワーを有する。
【００２２】
本発明のなお別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、レーザー源からエネルギーを反応性多層材料へ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。転移されたエネルギーは約４０ｍＪ以下である。
【００２３】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、レーザー源からエネルギーを反応性多層材料へ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。エネルギーは約３００ｎｍ〜約２μｍの波長で転移される。
【００２４】
本発明の別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。
この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、レーザー源からエネルギーを反応性多層材料へ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。反応性多層フォイルは、少なくとも一層のはんだまたはろうを含む。
【００２５】
様々な実施形態において、少なくとも一つのはんだ又はろうの層はインジウム、鉛、スズ、銀、亜鉛、金、およびアンチモンの少なくとも一つ以上を含んでもよい。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、反応性多層フォイルの化学的転移により、その他の構成要素と結合される構成要素を備えることと、該光路を通じてエネルギーをレーザー源から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含み、該構成要素は光路を通じて、レーザー源からのエネルギーを反応性多層フォイルへ転移可能にするように構成された光路を含む。
【００２７】
本発明のさらに別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源および反応性多層フォイルを備えることと、エネルギーをレーザー源から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移の開始することと、を含む。レーザー源からのエネルギーは反応性多層フォイルへ転移される以前に向きを変更される。
【００２８】
様々な実施形態において、本発明は光システムを準備することと、該光システムを通じてエネルギーの方向を変更することと、を含んでもよい。
【００２９】
本発明のさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源、光ファイバーケーブル、および反応性多層フォイルを備えることと、エネルギーをレーザー源から該光ケーブルを介して反応性多層材料へ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００３０】
本発明のなお別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法はレーザー源およびエネルギー吸収材料で部分的にコーティングされている反応性多層フォイルを備えることと、エネルギーをレーザー源からエネルギー吸収材料へ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００３１】
様々な実施形態において、本発明は次の態様のうちの一つ以上を含んでもよい：
反応性多層フォイルはエネルギー反射材料で部分的にコーティングされてもよい；
エネルギー反射材料は反応性多層フォイルよりも高い反射率を有してもよい；
エネルギー吸収材料はカーボンブラックまたは黒インクを含んでもよい；
エネルギー吸収材料は反応性多層フォイルよりも高い吸収率を有してもよい。
【００３２】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含んでもよい。この方法はマイクロ波源および反応性多層フォイルを備えることと、エネルギーをマイクロ波源から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００３３】
本発明の別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層フォイルおよび発射体を備えることと、発射体による反応性多層フォイルを透過することと、を含む。透過は反応性多層材料の化学的転移を開始する。
【００３４】
様々な実施形態において、発射体はバネ仕掛けであってもよい。
【００３５】
本発明のさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は超音波源および反応性多層フォイルを備えることと、エネルギーを超音波源から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００３６】
本発明のさらに別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は誘導加熱源および反応性多層フォイルを備えることと、エネルギーを誘導加熱源から反応性多層フォイルへ転移させることによる反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００３７】
様々な実施形態において、本発明は次の態様のうちの一つ以上を含んでもよい：反応性多層フォイルは磁性要素を含んでもよい；
該磁性要素はＮｉであってもよい。
【００３８】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層フォイルを備えることと、反応性多層フォイルを機械的に破壊することにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００３９】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい：
反応性多層フォイルは窪んだ部分を含んでもよい；
窪んだ部分は反応性多層フォイルの機械的破壊を助けるように構成されてもよい；
反応性多層フォイルは窪んだ部分で機械的に破壊するように構成されてもよい。
【００４０】
本発明のなお別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層フォイルを備えることと、反応性多層フォイルに摩擦を発生させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００４１】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい。：
研磨面を有する物体を備えること；
摩擦の発生は研磨面を反応性多層フォイルと接触させることを含んでもよい；
摩擦の発生は物体の回転を含んでもよい；
摩擦の発生は物体の滑りを含んでもよい；
該物体は回転工具部分を含んでもよい；
該物体はダイヤモンド砥石を含んでもよい。
【００４２】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は電気エネルギー源、反応性多層フォイル、および導線を備えることと、エネルギーを電気エネルギー源から反応性多層フォイルへ導線を介して転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００４３】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい。：
反応性多層フォイルの化学的転移により他の構成要素と結合される構成要素を備えること；
該構成要素は導線を含んでもよい；
電気エネルギー源は電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、および強誘電素子のうちの一つ以上を含んでもよい。
【００４４】
本発明の別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層材料と点火源を含む構成要素を備えることと、点火源を作動させることによる反応性多層材料の化学的転移を開始することと、を含む。
【００４５】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい：
点火源の作動は該点火源を遠隔で作動させることを含んでもよい。
点火源は電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、強誘電素子、撃針、レーザー、ＭＥＭＳ装置、熱フィラメント、ソレノイド、ゲートスイッチ、摩耗面、微細気泡、ヒューズ、反応性多層タブ、化学物質、ＳＨＳ粉末、および加熱ガスのうちの一つ以上を含んでもよい。
【００４６】
本発明のさらなる実施形態は反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は化学物質と反応性多層フォイルを備えることと、化学物質を化学的に転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００４７】
本発明のなお別の実施形態は反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層フォイルを備えることと、反応性多層フォイルを該フォイルの点火温度まで加熱することと、を含む。
【００４８】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい：
加熱源を備えること；
反応性多層フォイルを加熱源へ置くこと；
加熱は反応性多層フォイルを加熱源で加熱することを含んでもよい；
加熱源は炉、リフロー・オーブン、熱スプレッダ、またはヒートシンクであってもよい；
加熱は約２００℃／分以上の速度で生じ得る；
加熱は反応性多層フォイルの片側の加熱を含んでもよい；
反応性多層フォイルは囲い（または組立品）の中に配置されてもよい；
加熱は囲い（または組立品）の片側の加熱を含んでもよい；
反応性多層フォイルは、該反応性多層フォイルの化学的転移により結合されるよう構成された二つ以上の構成要素の間に配置されてもよい；
加熱は二つ以上の構成要素のうちの一つを加熱することを含んでもよい；
二つ以上の構成要素のうちの一つの加熱は、二つ以上の構成要素の一つに電流を流すことを含んでもよい。
【００４９】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層フォイルと溶融材料を備えることと、エネルギーを溶融材料から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００５０】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい：
溶融材料を反応性多層フォイルと接触させること；  
該溶融材料は溶けたはんだ又は溶けたろうであってもよい。
【００５１】
本発明のなお別の実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は反応性多層フォイルと微小炎備えることと、エネルギーを微小炎から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００５２】
様々な実施形態において、本発明は次の態様の一つ以上を含んでもよい。：
微小炎を反応性多層フォイルと接触させること；
反応性多層フォイルは少なくとも二つの構成要素の間に配置されてもよい；
反応性多層フォイルの一部分は、少なくとも二つの構成要素のうちの少なくとも一つの端を過ぎて延びてもよい；
微小炎を反応性多層フォイルの該部分へ向けること。
【００５３】
本発明のなおさらなる実施形態は、反応性多層フォイルの化学的転移の開始方法を含む。この方法は囲いに囲まれるかまたは組立品の中に配置され、エネルギー源を備えている反応性多層フォイル備えることと、エネルギーを該エネルギー源から反応性多層フォイルへ転移させることにより、反応性多層フォイルの化学的転移を開始することと、を含む。
【００５４】
様々な実施形態において、本発明は次の態様のうちの一つ以上を含んでもよい：
エネルギーは囲いまたは組立品を透過することなく転移されてもよい；
エネルギーは該エネルギー源が囲いまたは組立品の外側に配置されている時に反応性多層フォイルへ転移されてもよい；
エネルギーは該エネルギー源を反応性多層フォイルと物理的に接触させることなく転移されてもよい；
囲いまたは組立品は実質的に気密であってもよい；
エネルギー源はマイクロ波源、超音波源、および誘導加熱源のうちの一つ以上を含んでもよい。
【００５５】
本発明のさらなる目的と利点は以下に続く記述の中で部分的に説明され、そして部分的に記述から明らかになるか、または本発明の実施により学ばれ得る。本発明の目的と利点は添付の特許請求の範囲で特に示される要素および組合せを用いて実現され、達成されよう。
【００５６】
前述の全般的記述および以下の詳細記述はあくまでも例示および説明であり、請求のように本発明を制限しないことを理解されたい。
【００５７】
本明細書に援用されてその一部を構成し、記載と共に本発明の幾つかの実施形態を例示する添付の図面は本発明の原理を説明するために役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
添付の図面および明細書に説明されている本発明の例示的実施形態に対して、ここでより詳細に言及される。可能な限り、同一または類似の部品を参照するためには全図面を通じて同じ参照番号が使用される。
【００５９】
本発明の一つの実施形態において、エネルギー源（例えば点火源）のエネルギーおよびパワー要件は反応性多層材料（例えばフォイル）のための自己伝播性の反応（例えば化学的転移）の過渡的多次元モデルを系統的に適用することにより決定し得る。「ベスノアン」において概説されるように、自己伝播性の反応は、原子混合および熱放出のための単純化されたモデルを用いて記述され得る。
【００６０】
該モデルの実施は、１：１の反応物質比率を伴うナノ構造のＮｉ／Ａｌフォイルについて例示され得る。これらのフォイルにおいて、原子混合は、純Ａｌに対しＣ＝１、純Ｎｉに対しＣ＝−１、純粋なＮｉ・Ａｌに対しＣ＝０のように定義される、時間に依存する保存スカラー（原子濃度）場Ｃを用いて説明できる。Ｃの展開は
【数４】
2007520352.tif 000005
により規定される。
【００６１】
原子拡散率Ｄは、組成に依存せず、以下の温度に対するアレニウス依存関係に従うと仮定され得る。
【数５】
2007520352.tif 000006
ここでＤｏはアレニウスのプレ指数、Ｅは活性化エネルギー、そしてＲは一般気体定数である。下記の実施形態において使用される値のＥ＝１３７ｋＪ／ｍｏｌおよびＤｏ＝２．１８×１０−６ｍ２／ｓは、例えば、その全体が参照することにより本明細書に援用される、１９９７年発行の応用物理学ジャーナル８２巻、１１７８〜１１８８頁におけるマン他による「多層フォイルにおける自己伝播性散熱反応特性の予測」と題する論文（ａｎ  ａｒｔｉｃｌｅ  ｂｙ  Ｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．  ｅｎｔｉｔｌｅｄ  “Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ”  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ８２，  ｐａｇｅｓ  １１７８−１１８８  ｉｎ  １９９７）に示されるような、実験データに最も適合するものから得られてもよい。ここで説明される式のいずれかまたは全てを用いて計算を実行する際には、層が幾何学的に平坦であるという事実を生かして、例えば’８４１出願および’３５２出願において示されるように、領域を代表的Ａｌ層の半分に制限することにより、層の周期的配置の対称性を活用する。
【００６２】
濃度場の展開は断面平均したエネルギー式と結び付けられてもよい。
【数６】
2007520352.tif 000007
ここで、Ｈは断面平均したエンタルピー、
【数７】
2007520352.tif 000008
は平均熱伝導率、ｋＡｌおよびｋＮｉはそれぞれＡｌとＮｉの熱伝導率であり、
【数８】
2007520352.tif 000009
ρＡｌとρＮｉはＡｌとＮｉの密度であって、一方ＭＡｌとＭＮｉは対応する原子量を表わす。
【００６３】
（例えばその全体は参照することにより本明細書に援用される、ハルトグレン他著、１９６３年ニューヨーク市のウィリー発行の「金属および合金の熱力学特性の選定値」と題する本の４２６頁に示されるような）実験データは、組成Ｃに伴う反応熱Ｑの変化が、次のように良く近似できることを示す。
Ｑ（Ｃ）＝ΔＨｆＣ２
ここでΔＨｆは反応熱である。従って平均した反応源の項は次のように表わされる。
【数９】
2007520352.tif 000010
ここで２ｄはフォイルの各層の厚さ、ｙはフォイル層の法線方向であり、
【数１０】
2007520352.tif 000011
【数１１】
2007520352.tif 000012
はそれぞれＡｌとＮｉの熱容量を表わす。ＮｉとＡｌの間の１：１の反応の場合、（例えば米国特許第５，５３８，７９５号明細書、’８４１出願、および’３５２出願に示されるように）
【数１２】
2007520352.tif 000013
である。溶融が無視されるとき、ΔＴｆは断熱火炎温度Ｔｆｏと周囲温度Ｔｏの差を表わすことに注意されたい。
【００６４】
溶融の影響を組み入れると、（例えば’８４１出願および’３５２出願に示されるように）反応物と生成物の溶融熱が関係することになり、ＨとＴの間に複雑な関係が生じ得る。この関係は次のように表わされ得る。
【数１３】
2007520352.tif 000014
ここで
【数１４】
2007520352.tif 000015
はそれぞれＡｌ、Ｎｉ、およびＮｉ・Ａｌの融解温度、
【数１５】
2007520352.tif 000016
は対応する溶融熱（単位モル当り）であり、
【数１６】
2007520352.tif 000017
である。
β≡α／（１＋γ）
は所定の断面における純粋な（混じり気のない）Ａｌの割合を表わす。
【数１７】
2007520352.tif 000018
「エンタルピー」レベルＨ２、・・・、Ｈ６は局所組成に依存し、その結果、計算の間に変化し得ることに注意されたい。すなわち、α＝０の限られたケースでは、生成物は存在せず温度は反応物質の溶融のみによって影響される。逆にα＝１の場合、混合は完全であり温度は生成物の溶融熱のみに依存する。
【００６５】
本発明の別の実施形態において、物理的モデルがその二次元（「２Ｄ」）、線対称または三次元（「３Ｄ」）の形式で実施され得る。２Ｄおよび線対称の変形は、３Ｄ形式へ推定可能である。２Ｄの形式において、ｘは伝播方向に沿って示し、一方ｙはフォイルの層の法線方向を示すような座標システム（ｘ，ｙ）が用いられ得る。線対称の形式において、方程式はｒとｙがそれぞれ前面およびフォイルの層に垂直な円筒（ｒ，ｙ）座標系において解かれ得る。線対称および２Ｄモデルは上記に概説された同じ物理的形式を共有してもよい。主要な相違点は、勾配拡散項を表す式
▽・（ＫＴ）と▽・（Ｄ▽Ｃ）
に関する。２Ｄの場合、これらは次のように表わされ得る。
【数１８】
2007520352.tif 000019
一方、線対称の場合は次が得られる。
【数１９】
2007520352.tif 000020
該公式の他の点は実質的に同一のままでもよい。
【００６６】
２Ｄモデルにおいて、自己伝播する最前部は平面的で、点火面から離れ去り得ることに注意されたい。一方、線対称の場合、前記最前部は放射状に外側へ（例えば点火源から離れて）伝播し得る。従って、二つのモデルは異なる点火モデルの解析を可能にする。すなわち、線対称の場合は、円筒状に拡がる最前部が生じることが実験的に観察され得る、局部的な電気火花により誘発される点火を表す。一方で、２Ｄの場合は、フォイルをその全幅に沿ってせん断するか、またはフォイルをその熱フィラメントを使用した側に沿って加熱することにより誘発される点火の解析に関連し得る。
【００６７】
本発明の一つの実施形態において、上記に概説されたモデルの導入にフォートラン・コードが使用されてもよい。これらのモデルはパソコン、ノートパソコン、ワークステーション、または大型計算機を含むウィンドウズ（登録商標）、ユニックス、またはリナックス・システム等の様々なコンピュータ・プラットフォームにおいて効果的に導入され得る。当業者の誰にとっても、メモリーおよびプロセッサを備えた任意の計算プラットフォームにおいて、低レベルまたは高レベルの計算機言語を用いてこれをどのように導入するかは明らかなはずである。これらのモデルは、また、実行可能なコンピュータプログラムとして、例えばハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、および／またはコンパクトディスク等の任意のコンピュータ読み取り可能メディアに格納されてもよい。
【００６８】
本発明の別の実施形態において、点火の要件は高さＨｏ、幅Ｗｓの熱パルスを用いて計算を初期化することにより決定される。２Ｄの変形において、該パルスはフォイルの一端に位置してもよく、一方で線対称の場合、それはフォイルの中心線に位置してもよい。パルス領域の外側で、フォイルは初めは周囲温度Ｔｏであってもよく、下記の例示的図面ではＴｏ＝２９８Ｋである。次に、可能であれば最前部とその伝播の様子を観察するために十分長い期間にわたって計算が行なわれ得る。点火の要件は、ＨｏおよびＷｓを系統的に変化させ、自己伝播する最前部が発生する初期条件を、点火が起きない初期条件から区別する領域の境界を識別するためにシミュレーション結果を用いることにより決定され得る。
【００６９】
本発明の一つの実施形態において、ここに説明されている方法は、二層の厚さ４ｄ＝４０ｎｍ（すなわちｄ＝１０ｎｍ）および予混合の幅４ｗ＝２ｎｍ（すなわちｗ＝０．５ｎｍ）を有するＮｉＡｌフォイルに対する線対称源（例えば円筒状に拡がっている最前部）の臨界点火要件を決定するために適用され得る。図１ａに示すように、繰り返し計算が、様々な温度「Ｔｓ」およびエネルギー火花幅「Ｗｓ」の組合せについて実行されてもよく、その結果が個々の組合せに対して点火が起きるか否かを決定するために使用されてもよい。図１ａの散布図および図１ｂの曲線は双方とも、自己持続性の反応において生じたＴｓとＷｓの組合せを表わすために○印を用い、反応が停止するか消滅するＴｓとＷｓの組合せを示すために×印を用いている。図１ｂに示すように、所定のフォイルについて得られた結果は、自己持続性の反応をもたらす組合せの下限、および停止が生じる組合せの上限をプロットすることにより要約できる。ここに説明されている、これと他の実施形態において、点火曲線はこれらの二つの上限下限の間にある。
【００７０】
本発明の別の実施形態において、ここに概説されている解析から生じる点火（または安定性）の境界線は、異なる二層の周期（４ｄ）および予混合の幅（４ｗ）を有するフォイルについて得られ得る。様々な二層の周期ｄおよび予混合の幅ｗを有する２Ｄ前部（すなわち平面的前部）に対する結果を図２ａと２ｂに示し、また様々な二層の周期ｄおよび予混合の幅ｗを有する線対称の前部（すなわち円筒形の前部）に対する予測を図３ａと３ｂにプロットする。図２ａ〜３ｂにおいて、各々の形状について二つの曲線が示されている。各々の対の曲線について、これら各図の上側の曲線は自己持続性の反応が生じるＴｓとＷｓの下限の組合せを示し、一方で下側の曲線は反応が消滅するか停止するＴｓとＷｓの上限の組合せを示す。ここに説明されている、これと他の実施形態において、対応する二層の周期ｄおよび予混合の幅ｗの各組に対する点火（例えば化学的転移の開始）しきい値は、それらの各々の形に対応する二つの曲線の間にある。
【００７１】
図１ａ〜３ｂの結果は、臨界火花幅（Ｗｓ）は、火花温度（Ｔｓ）が増加するにつれて急速に減少し得ることを明らかにする。そして、臨界火花幅（Ｗｓ）が火花温度に無関係になる安定状態に達する。安定した結果は、また、点火を平面に沿って始めるかまたは円筒形チューブから始めるかによって、臨界条件が強く影響され得ることを示す。前者の場合、Ｔｓが増加するにつれて臨界のスパーク幅は二層の周期４ｄ、予混合の幅４ｗに対する弱い依存性を示し、例えば、図２ａ〜２ｂに示すようにＷｓが約３〜４μｍにおいて横ばいになる。他方で、円筒形の最前部の場合は、ｄおよびｗが変化するとき、臨界スパーク幅Ｗｓに、約２８μｍと約７０μｍの幅のより大きな変化があり得る。しかしながら、その結果は、双方の伝播態様において、高いＴｓにおける水平域の高さは、ｗに伴って劇的には変化せず、ｄが増えるにつれて増加し得ることを全般的に示している。
【００７２】
当業者にとって現在の結果をどのように他の伝播態様に一般化し、そして臨界点火データをどのように様々な点火源の設計パワーおよびエネルギー要件に生かすかは明白なはずである。
【００７３】
本発明の別の実施形態において、上記に概説された多層点火モデルは、局部に集中しうるおよび／または時間に依存しうるエネルギー源による開始の特性を明らかにするために、拡張され得る。このために、最初に導入された断面平均のエネルギー式
【数２０】
2007520352.tif 000021
は
【数２１】
2007520352.tif 000022
に従って一般化され得る。ここで
【数２２】
2007520352.tif 000023
はエネルギー源と関連するエネルギー発生速度である。
【００７４】
本発明の実施形態において、一般化された点火モデルはエネルギー源（例えば電流源）を用いた点火（例えば化学的転移の開始）の特性を明らかにするために適用されてもよい。この場合、エネルギー源の項
【数２３】
2007520352.tif 000024
は電流の導通により引き起こされるオーム加熱に相当し、次のように表わされる。
【数２４】
2007520352.tif 000025
ここでσは導電率、Φは電位である。電位の分布は電流源に対応する境界条件と共に保存方程式
▽２Φ＝１
の解により決定できる。
【００７５】
本発明の別の実施形態において、上記に概説されたオーム加熱点火モデルは、図４に概略的に示す構成に適用され得る。図４はフォイル４０の一つ以上の側に一つ以上のコーティング層４１、４２を含んでもよい、反応性多層フォイル４０の拡大視図を示す。フォイル４０は二つの電気接点４３、４４（例えば電極）の間に配置される。電気接点４３、４４は各々あらゆる所望の形状または寸法を有してもよく、例えばそれらは各々１インチの約３／３２の半径をもつ実質的に半円の形状を有してもよい。電気接点４３、４４は、それぞれ、フォイル４０（および／またはコーティング層４１、４２の一つ）との間に半径が約１５μｍと約７５μｍの間にある接触域４５、４６を有してもよい。電流は一定電位の磁束が接触域４５、４６に与えられ、一方ゼロ電位の磁束が残りの領域に与えられることによりモデル化されてもよい。エネルギー源（例えば電源）は、パルス持続時間により特徴づけられていてもよく、その外側で抵抗源の項Φは同じように消失し得る。図５は、７４アンペアの電流が、約５５μｍの厚さを有するコーティングされていないＮｉ／Ａｌフォイルに作用したときの、図４の構成のパワー密度分布（Ｗ／ｍ３）を表わす。図５において、ｚ（ｍ）はフォイルの長手方向軸に直角な方向へのメートルでの距離を示し、一方ｒ（ｍ）はフォイルの長手方向軸に平行な方向へのメートルでの距離を示す。図５は、図４の構成においては、パワー密度は一様でなく、電極の表面近くで最大になり得ることを示す。従って、オーム加熱の項は反応（例えば化学的転移）を起こす（例えば点火する）可能性のあるこの領域において最大となり得る。
【００７６】
本発明の別の実施形態において、厚さ５５μｍのＮｉ／Ａｌフォイルを点火するために必要な臨界電流を解析するために該モデルは適用されてもよい。例えば、図６は、いずれかの側がＩｎｃｕｓｉｌまたはＡｌの同じ層でコーティングされている多層フォイルと共に、コーティングされていない多層フォイルについて得られた予測結果を示す。Ｎｉ／Ａｌ多層の全体厚さおよび相互混合領域の厚さは、それぞれ約５５μｍおよび約２ｎｍであり、電極とフォイルの接触半径は約１５μｍで、パルス持続時間は約２０μｓである。図６に示す予測は、フォイルがコーティングされていない（菱形）、フォイルが厚さ約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌでコーティングされている（四角形）、フォイルが厚さ約３μｍのＩｎｃｕｓｉｌでコーティングされている（三角形）、およびフォイルが厚さ約３μｍのＡｌ層でコーティングされている（十字形）ものを含む。これらの熱的開始予測と一致して、同結果は二層の厚さが増えるに従い臨界電流が増加することを示す。同結果はまた点火に必要な臨界電流が、Ｉｎｃｕｓｉｌ層の厚さが増えるにつれて増加することを示す。
【００７７】
この影響は、コーティング層の厚さの影響がさらに調査されている図７にも例示されている。この場合の幾つかにおいて、図７に示すように、約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ層がフォイル上に置かれ、フォイル厚さは約２０μｍ（四角形）、約５５μｍ（菱形）、および約２００μｍ（三角形）のうちの一つになるように変化を与えられた。その一つの場合において、厚さ約１μｍのＡｌ層が約５５μｍの厚さを有する多層フォイル上に置かれた。Ｎｉ／Ａｌ多層の全体厚さおよび相互混合領域の厚さは、それぞれ約５０μｍと約２ｎｍであり、電極とフォイルの間の接触半径は約１５μｍ、そして電極からのエネルギーのパルス持続時間（例えばパルス幅）は約２０μｓである。ＩｎｃｕｓｉｌとＡｌのコーティング層について得られた結果の比較は、後者に対する点火要件が、実質的に、前者に対する点火要件よりも高いことを示す。これらの差異は、アルミニウムのより高い導電率に起因する。この主張を支持するために、点火（例えば化学的転移の開始）に要する臨界電流がコーティング層の導電率の異なる値について決定され得る。例が図８に示されている（厚さ約５５μｍのＡｌ／Ｎｉフォイルが、厚さ約１μｍのろうで両面をカバーされ、Ｎｉ／Ａｌの全体厚さ、相互混合領域の厚さ（例えば異なる材料で作られた隣接する層の材料が混合している領域の厚さ）、および二層厚さ（例えばＡｌ等の別の材料の単層と組み合わされた、Ｎｉ等の一つの材料の単層厚さ）が、それぞれ約５５μｍ、約２ｎｍ、約５０ｎｍであり、電極とフォイルの間の接触半径が約１５μｍ、そしてパルス持続時間が約２０μｓである）その結果は、点火に必要な臨界電流は、コーティング層の導電率が増すにつれて増加することを示し得る。図８の塗りつぶされた四角は、そこで自己持続性の反応が生じ得る下限レベルを示し、一方白抜きの四角はそこで反応が停止するか消滅する上限レベルを示し、点火曲線はその二つの間にある。総合すると、図６〜８の結果は、コーティング層の厚さおよび／または材料特性の双方を管理することにより、点火要件が制御可能であることを示し得る。
【００７８】
本発明の別の実施形態において、該モデルは点火（例えば化学的転移の開始）に必要な臨界電流に対する電気的界面抵抗の影響を解析するために適用されてもよい。例えば、図９に示すモデルの適用において、使用されたパラメータはフォイル上に置かれた厚さ約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌの層と、それぞれが約５５μｍ、約２ｎｍ、約５０ｎｍの全体厚さ、相互混合領域の厚さ、および二層の厚さを有するＮｉ／Ａｌフォイル、および約２０μｓのパルス持続時間であった。丸は約２７μｍの接触半径を示し、菱形は約１５μｍの接触半径を示す。塗りつぶされた形はそこで自己持続性の反応が生じ得る下限レベルを示し、一方白抜きの形はそこで反応が停止するか消滅する上限レベルを示し、点火曲線はその二つの間にある。厚さ約５５μｍのＮｉ／Ａｌフォイルに対する図９に示す結果は、この反応性多層フォイルについて約１０−１５Ωｍ２未満の界面抵抗は、点火に必要な電流（例えば臨界電流）に対して最小限の影響を有することを表わす。一方、より大きい値においては、臨界電流は、界面抵抗と共に急激に上昇する。従って、本予測は電気的点火特性を制御するためのさらなる手段を例示する。
【００７９】
本発明の別の実施形態において、該モデルは、点火に必要な臨界電流における電極接触域の影響を解析するために適用される。例えば、図１０に示すモデルの適用において、使用されたパラメータは、フォイル上に置かれた厚さ約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌの層と、それぞれが約５５μｍ、約２ｎｍ、約５０ｎｍの全体厚さ、相互混合領域の厚さ、および二層の厚さを有するＮｉ／Ａｌフォイル、および約２０μｓのパルス持続時間であった。図１０の塗りつぶされた形はそこで自己持続性の反応が生じ得る下限レベルを示し、一方白抜きの形はそこで反応が停止するか消滅する上限レベルを示し、点火曲線はその二つの間にある。厚さ約５５μｍのＮｉ／Ａｌ反応性多層フォイルに対する図１０に示す結果は、接触面積が増すとフォイルの点火に要する電流も同様に増加することを示す。従って、電気的点火特性は、電極とフォイルとの間の接触面積を制御することにより制御することができ、接触面積は、フォイル表面において電極により負荷される圧力だけでなく、電極のサイズを変えることによりそれ自身が制御され得る。
【００８０】
本発明の別の実施形態において、図９および１０のモデル予測は、同じ構成の実験的測定と比較され得る。約２０μｍの公称接触半径が、実験に使用され得る。計算結果と実験結果の比較は妥当な一致を示し、計算は、臨界電流のひかえめな予測をもたらすことを示す。測定と予測の間の差は、より小さい有効接触半径をもたらす電極の表面の不完全さに起因し得る。実験において、臨界電流をドライブするために加えられる電圧は約２Ｖ未満であることに注目されたい。これは高電圧に敏感な超小型電子部品を搭載する場合に有益な利点になり得る。
【００８１】
本発明の別の実施形態において、該モデルは、点火（例えば化学的転移の開始）に必要な臨界電流におけるフォイル厚さの影響を解析するために適用される。それぞれが約５５μｍ、約２ｎｍ、約５０ｎｍの全体厚さ、相互混合領域の厚さ、および二層の厚さを有するＮｉ／Ａｌフォイルであって、約１５μｍの電極とフォイルの接触半径、および約２０μｓのパルス持続時間についての結果を図１１に示す。コーティングされていないフォイル（菱形）、厚さ約１μｍの層のＩｎｃｕｓｉｌを有するフォイル（四角形）、厚さ約３μｍの層のＩｎｃｕｓｉｌを有するフォイル（三角形）、厚さ約５μｍの層のＩｎｃｕｓｉｌを有するフォイル（十字形）、および厚さ約３μｍの層のＡｌを有するフォイル（点線）に対する予測が示されている。塗りつぶされた形はそこで自己持続性の反応が生じ得る下限レベルを示し、一方白抜きの形はそこで反応が停止するか消滅する上限レベルを示し、点火曲線はその二つの間にある。本構成および点火態様に関し、結果は約５０μｍより大きい厚さの多層フォイルについては、臨界電流がフォイル厚さに余り依存しない可能性があることを示す。他方で、より薄い多層フォイルについては、臨界電流はフォイル厚さが減少するにつれて上昇し得る。
【００８２】
本発明の別の実施形態において、反応性多層の二層の周期（例えば厚さ）に対する臨界的な点火刺激の依存性は、実験的に確認し得る。結果は、二つの点火方法、すなわちジュール加熱（図２３参照）および機械的衝撃を用いることにより与えられている。図１２は、点火のしきい値がコーティング有りおよび無し双方のＮｉ／Ａｌ多層フォイルに対して、二層の周期に基づき得るという依存性を示す。この実験に関して使用された電極は、直径が約３／１６インチ（約４．７ｍｍ）、生じる接触面積は約２．６〜２．７×１０−９ｍ２である。電流は、約２０μｓのパルス持続時間にわたり作用する。結果はコーティングされていないフォイル（菱形）、厚さ約１μｍの層のＩｎｃｕｓｉｌを伴うフォイル（四角形）、厚さ約３μｍの層のＩｎｃｕｓｉｌを伴うフォイル（三角形）について示されている。モデル予測と合致して、図１２に示す実験的測定は点火に必要な臨界電流が二層の周期と共に増加し、臨界電流はコーティングされていないフォイルよりもコーティングされたフォイルにおいて大きく、それはコーティング層の厚さが増すにつれて増加することを示す。
【００８３】
図１３はＮｉ／Ａｌ多層フォイル上へのタングステン・カーバイド（ＷＣ）球体の機械的衝撃により誘発された点火に対して得られた結果を示す。化学的転移（例えば反応）の開始に必要な臨界機械的エネルギーが二層の周期に対してプロットされている。図１３は二組の実験結果を示す。一つは、Ｎｉ／Ａｌ多層フォイルはバルク金属ガラス（ＢＭＧ）基板上に位置し、もう一つは、それらはチタン（Ｔｉ）基板上に置かれる。先の計算および実験的予測と合致して、図１３における結果は、点火に必要な臨界機械的エネルギーが二層の周期と共に増加することを示す。この結果はまた、該臨界エネルギーが、チタン基板（三角）上に保持された多層フォイルよりもＢＭＧ基板（丸印）上に保持された多層フォイルにおいてより大きいことを示す。二つの場合の差異は、熱伝導率における差と同様に、二つの基板材料の間の異なるエネルギー吸収特性に起因し得る。相対的な差異は、より薄い二層において１００％に達するが、二層が増加するにつれて実質的に小さくなる。従って、この結果は、臨界エネルギー要件が、高い熱伝導率を有する柔らかい表面の間に閉じ込められた厚い二層と多層フォイルを解析することにより、ひかえめに算定され得ることを示す。
【００８４】
点火装置としての他の反応性多層フォイルの用途と同様に、はんだ付け、ろう付け、溶接を含む多くの反応性多層フォイルの適用において、エネルギー源（例えば電流源）に出来る限り小さものを選定することは有利になり得ることに注目されたい。これは火花点火とジュール加熱により誘発される点火の双方において、価格低減、スペース要求の最小化、および／または近接する構成要素に対する潜在的ダメージの防止といった利点を提供し得る。上記の要件に対処する条件の範囲を決定するために、パラメータ調査が上記に概説されたモデルを用いて行なわれ、点火試験が火花を用いて実施され、ジュール加熱実験が実施された。これらの調査は、大部分の多層システムに対して、約４０ｍＪ以下のパルス（例えば電気パルス）は大部分の多層フォイルの点火（例えば化学的転移の開始）に十分であり得ることを示す。さらに、この調査は臨界点火エネルギーが約１０Ｖ以下の電位を用いて供給され得ることを明らかにした。超小型電子部品の反応性結合の場合、これらの繊細な構成要素に対する潜在的ダメージを除去するため、電位をさらに約５Ｖあるいは約１Ｖまで制限することが望ましい場合がある。パルス持続時間に関しては、モデル計算は、点火領域からの大きな熱損失を避けるために、これらが多層フォイルを渡る熱拡散時間よりも短いことが好ましいことを示す。一般に、反応性多層フォイルは、約１０−５ｍ２／ｓのオーダーの熱拡散率を有する金属系で作られ、大部分の適用において約１００μｍのオーダーの多層フォイル厚さが用いらる。従って、厚さの二乗を熱拡散率で割ることにより算定される拡散時間は、約１ｍｓのオーダーにある。その結果、電気的刺激（例えばパルス幅）の持続時間は、この値よりも小さいことが望ましい。ジュール加熱であれば、この範囲内の条件で、等価直径が約１ｍｍ以下になるように接触面積を制限し得る。本実施形態は広範囲の多層点火用途に直ちに適用し得る。
【００８５】
本発明の別の実施形態において、レーザーに対して高い吸収性を有する材料でコーティングされた反応性多層フォイルの点火（例えば化学的転移の開始）のためにレーザーが使用されてもよい。赤外線または可視光線の、狭く凝集した強いレーザービームが点火をもたらすフォイルの表面を急速に熱するとき、点火が生じ得る。或る例は、薄いインジウムはんだ層を有するＮｉ／Ａｌ反応フォイルのコーティングを含む。インジウムはフォイルの成分よりもさらに吸収性が高いため、レーザー源に対するより低いエネルギー要件が達成可能である。フォイル１４０がカーボンブラック等の高吸収性材料１４１で部分的にコーティングされ得る、他の構成を図１４（ａ）および１４（ｂ）に示す。フォイル１５０が、高吸収性材料１５２でコーティングされた小さな領域を除いて、ＮｉまたはＡｌよりもさらに反射度の高い、例えば、銀またはその他の材料である高反射性材料１５１でコーティングされ得る、別の変形を図１５（ａ）および１５（ｂ）に示す。後者の構成の利点は、それが点火位置のより大きな制御を提供する可能性があるということである。
【００８６】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルのレーザー点火が実験的にテストされている。図１６はエネルギー密度およびパルス持続時間の変化に基づく、コーティング有りと無しのＮｉ／Ａｌ多層フォイルの双方の点火しきい値を示す。双方の場合（それぞれ菱形と四角形を用いて示す）に用いられた材料は、約５０μｍの全体厚さおよび約６０ｎｍの二層厚さを有する、Ｎｉ／Ａｌ反応性多層フォイルであった。四角形で示されるフォイルは又、フォイル上に配置された厚さ約１μｍのＩｎＣｕＳｉｌの層を有する。塗りつぶされた形は自己持続性の反応が生じた組合せを示し、一方で白抜きの形は反応が消滅したか停止した組合せを示す。使われたレーザーは、１００Ｗ連続、波長１０８５ｎｍレーザーであったが、様々な実施形態においてレーザーは任意のものであってよく、および／または技術的に知られている任意の適切な構成を有してもよい。前の発見と合致して、結果は、ろうのコーティングの存在は、一般に点火を妨げ、コーティングされていない多層の場合に比べて、より高いエネルギー密度および／またはパルス持続時間が必要となり得ることを示す。
【００８７】
この傾向はまた、ろう付け層の厚さに対する点火要件の変化を示す図１７において明らかである。点火のためにここで使用されたレーザーは、約８ｎｓの１パルスまたは複数パルス（例えばその両方はこの出願において説明されているパルス持続時間という用語に含まれている）における、Ｑ−切り替え（パルス）式のＮｄ：ＹＡＧ、波長１０６５ｎｍのレーザーであった。塗りつぶされた形は自己持続性の反応が生じた組合せを示し、一方、白抜きの形は反応が消滅したか停止した組合せを示す。しかしながら前述のように、レーザー放射に対して高い吸収性を有する薄いコーティングが目標スポットに存在する場合、点火要件は軽減され得る。例えば図１８に示すように、黒インクでコーティングされた反応性多層フォイル（三角形）は、黒インクのコーティングがない同じ多層フォイルに比べて、より少ない点火用のエネルギー密度を要する。図１８において使用されたフォイルは、約６０μｍの厚さおよび約６５ｎｍの二層周期を持っていた。図１８における塗りつぶされた菱形は、自己持続性の反応が生じたときのエネルギー密度とパルス時間の組合せを示し、一方、白抜きの四角形は反応が消滅したかまたは停止したときの組合せを示す。
【００８８】
本発明の別の実施形態において、連続式と、パルス式および／または切り替え式レーザーの双方を含む各種のレーザー源がテストされている。これらのテストは特に、結合および点火用途のために適したパルス条件の範囲を決定することに焦点を合わせている。これらのテスト結果は広範囲の波長があり得ることを示す。しかしながら波長は、より短い波長において生じ得るフォイルまたはフォイルコーティングの潜在的な摩耗を避けるために、紫外線領域（約３００ｎｍ）よりも上で選ばれることが望ましい。約３００ｎｍ〜約２μｍの波長は申し分がなく、コーティングされていない多層フォイルあるいは多層コーティングによる良好な吸収を確保し得る。電気的点火の議論に関してレーザーパルス持続時間は、大部分の適用において約１ｍｓであり得る、フォイルを通じた拡散時間尺度よりも小さいはずである。実験的測定の結果は、これらの要件が約１ｍｍ未満のスポットサイズおよび４０ｍＪ以下のエネルギーレベルを伴う、約３００Ｗ以下のパワーを有するレーザー源を用いて達成可能であることを示す。
【００８９】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルは、マイクロ波源を用いて点火されてもよい。マイクロ波は反応性フォイルの一部分（例えばフォイルの鋭い、尖ったエッジおよび／または先端）に蓄積し、フォイルの放電および点火をもたらす電荷を生じ得る。この態様の点火において、反応性多層フォイルはポリマーまたはホウケイ酸ガラスのような、マイクロ波の吸収能力が乏しい材料を含む構造に埋め込まれてもよい。この点火態様の利点は、それが反応性フォイルへの直接のアクセスを必要としないことである。
【００９０】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルは超音波源を用いて点火されてもよい。例示の構成は二つの構成要素間に挟まれたフォイルである。超音波源はサンドイッチの一つの構成要素に作用してもよく、それは次に静止したサンドイッチの第二構成要素に対して振動する。その結果として生じる摩擦加熱は、次にフォイルの点火をもたらし得る。マイクロ波点火と同様に、この方法も又それが反応性フォイルへの直接のアクセスを必要としないという利点を提供する。従って、点火の時に、後者は構造内に埋め込まれているか、または他の構成要素でその源から遮蔽されていてもよい。
【００９１】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルは透過する発射体により点火され得る。フォイルは金属、セラミック、またはポリマーのサンドイッチ状構造中に埋め込まれてもよい。発射体の衝突に際して、機械的および／または熱的エネルギーの噴出がフォイルに供給されて点火をもたらし得る。この点火態様の利点は、反応性フォイルが透過する発射体により貫かれる構造の中へ埋め込み可能な場合があることである。従ってこの実施形態においても同様に、点火前のフォイルへの直接のアクセスは不要である。
【００９２】
本発明の別の実施形態において、図１９に示すように反応性多層フォイル１９０は誘導加熱を用いて点火され得る。この技術において、非常に強力で急速に交替する磁界（例えば誘導コイル１９１から）が磁界内に置かれた導電性の反応性フォイル１９０に渦電流を誘起し得る。この点火態様もまた反応を起こすためにフォイル１９０への直接のアクセスが不要であるという利点を提供する。このアプローチの変形は、Ｎｉなどの磁性要素を含む反応性多層フォイルに関する。そのような多層フォイルに対して、誘導加熱効果はヒステリシスおよび／または渦電流損失によりさらに増幅される可能性があり、その結果として点火源の臨界パワー要件は減少し得る。
【００９３】
本発明の別の実施形態において、ここに説明されているモデルを使用した誘導加熱を用いる反応性Ｎｉ／Ａｌ多層の開始は実験的に確認され得る。実験に使用される誘導ユニット１９１は、約１５０ｋＨｚ〜約４００ｋＨｚの周波数範囲にわたり動作する、組み込んだヒートシンクを有する約１ｋＷのＲＦ電源を含んでもよい。該誘導ユニットは使用される加熱コイルによって自動的に変化してもよい。例えば、Ｎｉ／Ａｌ多層フォイルは、垂直に保持されているコイル１９１に対して上方に水平に保持されるとき、らせんコイル１９１（例えば高さ約１インチで直径約１インチ）および約１４０Ａの無負荷電流を用いて、急速に点火し得る。これらのテストに使用された多層フォイルは約５０ｎｍの二層を有し、厚さ約６０μｍであった。二枚のシリコンウェーハ３８３の間に置かれた多層フォイル３８０もまた容易に点火された。シリコンウェーハ３８３とチタンブロック３８２の間に置かれたＮｉ／Ａｌ多層３８０は、例えば図３８（ｂ）に示すようにフォイル３８０のコーナー３８４がチタンの先まで延びた場合のみ発火した。点火は概して、例えば図３８（ａ）に示すように、シリコン３８３がコイル３８１とフォイル３８０の間にある場合に可能であった。他方で、例えば図３８（ｃ）に示すような、コイル３８１とフォイル３８０の間の金属３８２はフォイルを遮蔽して、点火は生じなかった。当業者にとって、本発見をどのように選ばれた適切な構成に一般化して、可能な遮蔽効果を説明するかは明らかなはずである。
【００９４】
本発明の別の実施形態において、反応性フォイルは機械的破壊を用いて点火されてもよい。機械的破壊は蓄えられ、適用されたエネルギーの放出をもたらす。放出されたエネルギーが点火に必要なエネルギーよりも大きいとき、多層フォイル内に自己伝播性の反応の開始が起こる。一つの例は、反応性多層結合に対するこの態様の点火の適用を例示する図２０において与えられる。図２０に示す例において、点火要件は、はんだ／ろう構成要素２０１および／または結合構成要素２０２に対し、フォイル２００の突出長さ２０３を変えることにより調節可能である。点火を制御する別の手段は、エネルギーを集中させるために反応性フォイル内へ溝２１１、２２１（例えば窪んだ部分）を設計することからなる。図２１および２２に例示されるように、曲げ力Ｆの作用（例えば、Ｆ／２がフォイル２１０の各々の部分２１２に作用する）は、フォイル２１０、２２０内（例えばそれぞれ溝２１１、２２１において）でクラックの伝播を引き起こし、結果的に反応を起こす。様々な実施形態において、各部分２１２に作用した力Ｆはフォイル２１０に対する部分２１２の形状（例えば幅Ｗに対する溝２１１、２２１の位置Ｗ１、および深さｄに対する溝２１１、２２１の位置ｄ１）に基づいて変化し得る。力Ｆは点、辺、または面いずれにも作用することができる。これらの処置は作用力および／または溝の特性を変えることにより、点火を制御する可能性を提供する。例えば、図２１は、間に溝２１１を有する、支持ロッド２１３の上に配置された部分２１２を表わす。力Ｆは溝２１１のフォイル２１０の反対側２１４に作用してもよい。もう一つの例において、図２２は、フォイル２２０の溝２２１を有する側で、フォイル２２０の端部２２５に曲げ力Ｆが作用している状態の、はんだ／ろう２２３および結合構成要素２２４から突出している部分２２２を表わす。
【００９５】
本発明の別の実施形態において、反応性フォイルは電流で誘起されるジュール加熱を通じて点火されてもよい。このアプローチは電流が電気火花放電を通じて誘起されるアプローチとは異なる。図２３、２４に例示されるように、本実施形態において反応性フォイル２３０、２４０はそれを通って電流が流れる導線２３１、２４１と接触してもよい。図２３において、導線２３１は実質的にフォイル２３０の両面に置かれており、一方で図２４において導線はフォイル２４０の両端に置かれてもよい。電流は、例えば、電圧源２３２、２４２、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、および／または強誘電素子による様々な手段を用いて発生し得る。火花放電と比べて本アプローチは、加熱領域の大きさだけでなく、フォイルに供給された電力と全体エネルギーを、より制御できる利点を提供し、それによってここで議論されている設計方法の適用を容易にする。
【００９６】
本発明の別の実施形態において、反応性フォイルは機械的摩擦を用いて点火されてもよい（例えば、化学的転移が開始してもよい）。粗い物体との摩擦は結果として反応を誘発する、フォイルの局部的な強い加熱を発生するために用いられる。そのような粗い物体の例は、研磨用の回転工具部分、またはダイヤモンド砥石を含む。各種の手段が粗い物体を用いて反応を誘発するために実施可能である。例えば、図２５および２６は粗い物体２５１、２６１を回転させることおよび、粗い物体２５１、２６１をそれぞれフォイル２５０、２６０の側面２５２および上面２６２に接触させることを例示している。他の例において、図２７および２８はフォイル２７０、２８０の一つ以上の表面に対して一つ以上の粗い物体２７１、２８１を置くこと、そして次に（図２７に示すように）フォイル２７０に関して一方向または反対方向に一つ以上の粗い物体２７１を動かすことを開示している。図２８に示すように交互に、一つ以上の粗い物体２８１が摩擦加熱を生じるためにフォイル２８０に対して振動してもよい。一つ以上の粗い物体２７１、２８１の振動および／または運動は実質的に同期または非同期であってもよい。これらの方法はさらに以下で議論されるように、動く粗い物体が構造体の中に組み込まれ得るという利点を提供し得る。
【００９７】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルの点火は微小炎により誘発され得る。微小炎ははんだ付け作業において広く用いられ、それらを使用できることは反応性はんだ付けまたはろう付け用途における追加の利点を提供する。反応性多層フォイル３９０用の点火装置としての微小炎３９５の有用性は、二つの異なる構成を用いて実験的にテストされている。例えば一番目の場合、図３９（ａ）に示すように、多層フォイル３９０は同じサイズを有する二つの銅ブロック３９１、３９２の間に位置してもよく、そしてフォイル３９０の一部分３９５は組立品３９３の片側から自由に突き出てもよい。この配置は突出配置と呼ばれる。例えば二番目の場合、図３９（ｂ）に示すように、多層フォイル３９０は不均一なサイズの二つの銅ブロック３９１、３９４の間に位置してもよく、多層フォイル３９０の突出部分は大きい方の銅ブロックと接触したままでもよい。この配置は部分的突出配置と呼ばれる。突出配置および部分的突出配置の双方において、約５０ｎｍの二層厚さを有するＮｉ／Ａｌフォイルが使用されてもよい。図２９および３０は双方の配置についての水素微小炎点火結果を示す。図２９および３０の双方において、結果はＡＷＧスケールでのトーチ先端サイズ２１、２４、および２７について与えられている。図に示すように、反応が停止した、および／または消滅した（白抜きの菱形）のは、フォイルの少しの部分しか突き出ていなかった僅かな場合のみであるため、水素微小炎は反応性多層フォイルを点火するのに非常に効果的な可能性がある（塗りつぶされた菱形）。同結果はまた、小さな局部的突出の存在は特にフォイルが大きな熱伝導率を有する材料と接触を保つ時に点火を補助し得ることを示す。
【００９８】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルの点火は多層フォイルがその中に配置された全体組立品の急速な加熱により誘起され得る。例えばリフロー炉またはオーブン内のように、フォイルの自動点火温度に達するために、例では組立品が急速に加熱される反応性結合構造を含む。これらの加熱速度および／または自動点火温度は、差動熱量測定（ＤＳＣ）または組立品の実際の加熱により、容易に決定され得る。すなわちＮｉ／Ａｌ多層について、ＤＳＣ測定はフォイルが約２４０℃の温度に達した時に約２００℃／分以上の速さで加熱される場合、点火が始まる可能性があることを表わす。これらの発見は反応性Ｎｉ／Ａｌ多層フォイルが、約２１０℃の温度を有する溶融した鉛‐スズはんだの中に落ちた時に点火し得ることを示す、ホットプレートを使用したその後の調査によりさらに明らかにされた。溶融したはんだは、非常に高い加熱速度を備え、ホットプレートからフォイルに非常に良好な熱伝達を与え、その結果、反応（例えば化学的転移）を起こす。この方法は、反応性多層結合の適用において実質的な利点を提供する、フォイルへの直接のアクセスが不要であるという追加の利点を有し得る。他の利点には、結合に要する反応性多層フォイルの厚みがより薄くてもよいということが挙げられ、それは結果として材料の重量、価格、および／または結合ラインの厚さの低減を生じる。
【００９９】
本発明の別の実施形態において、上記の方法は、反応性多層フォイルを備えた組立品の片側からの急速な加熱を与えることにより修正し得る。例では、急速加熱が熱スプレッダまたはヒートシンクの温度を上げること、または超小型電子装置を通じて選択的に大電流をドライブすることにより提供され得る、反応性結合への適用を含む。
【０１００】
本発明の別の実施形態において、反応性多層フォイルを点火するために化学反応により生じる熱が用いられてもよい。テストされた例は、ナノ・アルミニウムおよび酸化鉄の混合において、自己伝播性の高温合成（ＳＨＳ）反応の使用を含む。図４０に示すテストされた構成は、テープ４０２の頂上に位置するＳＨＳ混合物４０３（例えば粉末）の小さな堆積を有する、反応性フォイル４００に取り付けられたテープ４０２（例えばカプトン・テープ）内のワイヤ・フィラメント４０１を備えていた。フィラメント４０１が電気的に加熱されたとき、それは順にＳＨＳ混合物４０３を点火し、反応性多層フォイル４００を点火した。
【０１０１】
同業者の誰にとっても、様々な点火システムを着想するために上記実施形態を如何に一般化するかは明白なはずである。
【０１０２】
反応性結合および密封を含む多くの用途において、フォイルへの直接のアクセスはフォイルが点火される瞬間に制限されてもよい。これは例えば図４１に示すように、フォイル４１０が組立品４１１内に組み込まれている場合のときがあり、組立品４１１は、部分的または全体的にフォイル４１０を外部の点火源４１２との直接接触から遮蔽するか、あるいは実質的にユーザーが内部の点火源４１３を物理的に始動させることを阻む。外部および内部点火源の双方の例は、電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、ＲＦ源、超音波源、電磁源、マイクロ波源、熱源、誘導加熱源、強誘電素子、撃針、レーザー、ＭＥＭＳ置、熱フィラメント、ソレノイド、ゲートスイッチ、摩耗面、微細気泡、ヒューズ、多層タブ、ＳＨＳ粉末、および加熱ガスのうちの一つ以上を含む。先に概説したように、本発明はそのような制限を克服する手段を紹介している。
【０１０３】
本発明の一つの実施形態において、アクセスの制限を自然に克服する点火方法が用いられる。例は上記で議論されているマイクロ波源および超音波源を含む。
【０１０４】
本発明の別の実施形態において、レーザー源より発生する刺激の供給を可能にするために、光路が組立品内に設けられてもよい。一つの例が、反応性結合される構成要素３１１の一つの内部へ機械加工された、溝３１２を示す図３１の略図で提供されている。溝３１２はレーザー源３１４からの刺激３１３（例えば、光またはレーザービーム）用の光路を提供してもよく、従って反応性フォイル３１０のレーザー点火を可能にする場合がある。
【０１０５】
本発明の別の実施形態において、アクセスの制限を克服するために、光システムがレーザー源との組合せで使用されてもよい。一つの例が、接合される構成要素３２３の間に配置されたフォイル３２０の点火スポットにレーザー・エネルギー３２２を向けるための、ミラーのようなエネルギー反射材料３２１の使用を例示する図３２の略図で提供されている。
【０１０６】
本発明の別の実施形態において、レーザー源からの刺激は例えば図３３に略図で例示されているように、結合構成要素３３２の間に配置されたフォイル３３０に光ファイバーケーブル３３１を用いて供給され得る。前の例と同様に、このアプローチはまた点火スポットへの直接的な光のアクセスがないことを克服する効果的な手段を提供する。
【０１０７】
本発明の別の実施形態において、エネルギー源（例えば電力源）の刺激は、組立品の中に組み込まれた導線を用いて供給されてもよい。一つの例が、反応性結合の適用において組み込まれた導線の使用を例示する図３４の略図に示されている。（例えば構成要素３４２の溝３４４内に配置されることにより）組立品内の他の構成要素３４２、３４３から絶縁されている、組み込まれた導線３４１はアークの無い電流通過を可能になるように反応性フォイル３４０と直接接触しても、電気エネルギーのアーク放電後に点火が続くように反応性フォイル３４０の近くに位置してもよい。先に記述したように、電源は一つ以上の電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、または強誘電素子を含んでもよい。
【０１０８】
本発明の別の実施形態において、電源の刺激は例えば図３５（ａ）および３５（ｂ）に示すように、薄い電線または薄い金属板の形態の薄い導線を用いて供給されてもよい。導線３５１は導電性の構成要素３５２内への電流漏れの可能性を最小限にし得る電気絶縁材料でコーティングされてもよく、構成要素３５３と導電性構成要素３５２の間の溝内に配置されてもよい。導線３５１は結合部の周りの領域を導電性の粒子で汚すことなく、組立品からの３５１の取り外しを容易にするために、低温で溶けることのない材料で作られてもよい。導線３５１は多層フォイル３５０と直接接触しても、またはしなくてもよく、また電源は電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、または強誘電素子を含んでもよい。
【０１０９】
本発明の別の実施形態において、反応性多層材料の溶融可能なワイヤまたはタブを含む場合があるヒューズを用いて、アクセスの制限が克服され得る。一つの例を、反応性結合の適用における反応性多層タブの使用を例示する図３６（ａ）〜３６（ｃ）に示す。その場合、フォイル３６０は両側に配置されたはんだ３６１を有してもよく、また外部あるいは内部エネルギー源３６３（例えば電圧源）により作動するように構成されたヒューズ３６２と電気的に接続されてもよい。
【０１１０】
本発明の別の実施形態において、点火用のエネルギー源は組立品の中に組み込まれてもよい。一つの例が、フォイル３７０を点火するために予荷重を与えられた機械的ばね３７２を用いて、点火の時に加速されるように構成された組込みの撃針３７１（例えば発射体）を使用した、点火フォイル３７０を概略的に例示する図３７に示されている。遠隔で作動するトリガーがこのために用いられる。当業者の誰にとっても、本発明をどのように一般化するかは明らかなはずである。特に、組み込まれた電源は電圧源、電流源、充電されたコンデンサ、圧電素子、熱電素子、強誘電素子、撃針、レーザー、ＭＥＭＳ置、熱フィラメント、ソレノイド、ゲートスイッチ、摩耗面、微細気泡、ヒューズ、多層タブ、およびＳＨＳ粉末、または加熱ガスを含んでもよい。
【０１１１】
本発明のその他の実施形態は、ここに開示された発明の仕様および実行についての考慮から、当業者にとって明らかであろう。本仕様および例は、例示的のみとして考えるように意図されており、本発明の真の範囲と精神は以下の請求項により示されている。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
図面の簡単な説明
【図１ａ】本発明の実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図１ｂ】本発明の別の実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図２ａ】本発明のさらなる実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図２ｂ】本発明のなお別の実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図３ａ】本発明のなおさらなる実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図３ｂ】本発明のなお別の実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図４】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図５】図４の構成に関連するパワー密度分布を表わす。
【図６】本発明の別の実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図７】本発明のさらなる実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図８】本発明のなお別の実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図９】本発明のなおさらなる実施形態による例示の予測点火しきい値および実験的測定を表わす。
【図１０】本発明のなお別の実施形態による例示の予測点火しきい値および実験的測定を表わす。
【図１１】本発明のなおさらなる実施形態による例示の予測点火しきい値を表わす。
【図１２】本発明の別の実施形態による例示の点火しきい値を表わす。
【図１３】本発明のさらなる実施形態による点火しきい値の例示的測定を表わす。
【図１４ａ】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図１４ｂ】図１４（ａ）に対して構成されている点火の概略図を表わす。
【図１５ａ】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図１５ｂ】図１４（ａ）に対して構成されている点火の概略図を表わす。
【図１６】本発明のなお別の実施形態による点火しきい値の例示的測定を表わす。
【図１７】本発明のなおさらなる実施形態による点火しきい値の例示的測定を表わす。
【図１８】本発明の別の実施形態による点火しきい値の例示的測定を表わす。
【図１９】本発明のさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２０】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２１】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２２】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２３】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２４】本発明の別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２５】本発明のさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２６】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２７】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２８】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図２９】本発明のなおさらなる実施形態による点火しきい値の例示的測定を表わす。
【図３０】本発明の別の実施形態による点火しきい値の例示的測定を表わす。
【図３１】本発明のさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３２】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３３】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３４】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３５ａ】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３５ｂ】図３５（ａ）の点火構成の概略図を表わす。
【図３６ａ】本発明の別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３６ｂ】本発明のさらなる実施形態による点火構成の斜視図を表わす。
【図３６ｃ】本発明のなお別の実施形態による点火構成の斜視図を表わす。
【図３７】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３８ａ】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３８ｂ】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３８ｃ】本発明の別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３９ａ】本発明のさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図３９ｂ】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図４０】本発明のなおさらなる実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図４１】本発明のなお別の実施形態による点火構成の概略図を表わす。
【図４】
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【図１４（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５（ａ）】
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【図３５（ｂ）】
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【図３６（ａ）】
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【図３６（ｂ）】
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【図３６（ｃ）】
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【図３７】
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【図３８（ａ）】
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【図３８（ｂ）】
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【図３８（ｃ）】
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【図３９（ａ）】
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【図３９（ｂ）】
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【図４０】
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【図４１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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