专利名称：一种固体开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子元件，特别是涉及一种由人为直接控制的、一体化的、无触点的固体开关元件。
现有固体开关通常指采用可控硅等固体电子元件完成电流通断控制的无触点电子开关，如固体继电器，是一种四端有源器件，简称SSR，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离。当输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断转变为导通，实现了“开关”功能。(参考文献北京希曼顿自动化研究所S系列交流固态继电器)。近年来由于半导体技术的发展，在可控硅基础上，又逐渐研制了不同类型的特种可控硅器件，如《特种半导体器件及其应用》(杨荫彪等编者，电子工业出版社1991年出版)中介绍的“光控可控硅”，其特点是用光触发代替电触发，在一定的光强度下(60-1000Lux)使可控硅开通，光照越强，开通越快。这些开关不能用手直接启动，而是靠外加一个能产生规定的电或光信号的装置，才能驱动一触发完成开关控制的功能。这些装置是由外加的电脉冲信号发生器、电源和相应的脉冲成形电路，作为光控也需要有控制光源的电源、特定的光照环境或发光装置。由于外加一套产生电或光信号的装置，必然使结构比较复杂，体积增大；另外也需要电源及开关，其可靠性和灵敏度就受到了一定的限制。
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，实现一种直接由人为控制达到开关通断的目标，而且不再需要其它光、电信号发生器等附加装置的一体化的固体开关。
本发明的目的是这样实现的本发明的固体开关包括使用有机压电一热电薄膜做成的换能器、放大器、触发器和可控硅等组成。换能器由作用层、镀有电极的有机压电--热电薄膜和引出电信号的基板构成。作用层可以是金属薄片或是石墨薄片。有机压电--热电薄膜可以是经过极化处理的聚偏氟乙烯(简称PVDF)薄膜，或者是在PVDF中掺入钛酸铅或压电陶瓷粉末而构成的复合薄膜。基板为带有金属化孔的印刷电路板。当人为动作--包括手指的触摸，按压、敲击或用口吹产生的气流等施加于作用层时，上述动作产生的温度或压力会使有机压电--热电薄膜产生几十毫伏以上的电信号，成为触发开关动作的“信号源”。人为动作的不同会使有机压电--热电薄膜产生的信号在极性、频谱和幅度上有所不同；而对这三项参数采取不同的电路处理，则可以产生不同的人为效果。利用极性和频谱可以区别压力和温度，利用幅度则可以控制灵敏度和可靠性。换能器输出的电信号经过放大器放大，放大的“人为“信号连接到比较器，在超过设定的控制电平时，比较器输出高电平，驱动触发电路产生控制可控硅通断的电信号，从而实现了“人为”的固体开关。
本发明的优越性如下本发明直接由“人为”作用，不再需要其它光、电信号发生器。有机压电--热电薄膜制作的换能器就是一个无源的信号发生器，它在人为作用下没有电弧、打火，不存在磨损、老化问题，寿命可达10年以上，而体积可以小至直径10mm，厚度2mm以下。灵敏度可以控制，全部电路可以组合成一体，作用层可以用金属且牢固可靠。
本发明不仅可以制作成一般人为手控通用型防爆开关；也可以制作成残疾人用(口吹)开关；多功能自动报警开关；安全防护用压触或温控开关；以及特制仪表、电机、工业用电力设备等的开关。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细地说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例通用型固体开关。
图3为本发明的另一个实施例定时型固体开关。
图中(1)固体开关的外壳。
(2)有机压电--热电薄膜换能器。
(3)放大电路。
(4)电信号的选频、滤波处理电路。
(5)触发电路。
(6)可控硅。
(7)电源输入端。
(8)被控制的输出端。
(9)光耦合器。
(10)开关内设整流稳压电路。
(11)换能器作用、保护层。
(12)有机压电--热电薄膜。
(13)换能器电极。
(14)比较器电路。
(15)单稳态整形电路。
(16)D触发器。
(17)定时器电路。
本发明提出了使用有机压电--热电薄膜作为换能器制作人为的固体开关。通过对电路的不同组合，可以做出各种各样的固体开关。
实施例1。按图2可制作一个人为的通用型固体开关。
图中(10)为直接取自输入电源的整流、稳压电路。提供信号放大、处理所需的直流电源。(11)是用石墨制作的换能器作用、保护层，它粘接在有机压电--热电薄膜(12)上，它们固定在带有引出电信号的基板上组成换能器。有机压电--热电薄膜可用经过极化处理的聚偏氟乙烯(简称PVDF)薄膜。当外界作用，如手指的按压或口吹的气流使它有温度和压力的变化时，PVDF薄膜产生的极化电流由电极(13)引出。在电极(13)与地之间接有并联的电阻R1和电容C1。极化电流在R1上产生电压信号。C1滤除外来信号中的高频率成分如高频电磁干扰和机械振动引起的颤噪效应产生的高频噪声。换能器产生的信号接至放大器(3)。电容C3并联在放大器(3)的反馈电阻上。C3控制放大器高频负反馈，压缩放大器的带宽；提高固体开关工作的稳定性，抑制高频干扰的影响。C3的电容值为100pF～0.47uF。(14)为比较器，可以调节固体开关的灵敏度和可靠性。(15)是单稳态整形电路。(16)为D触发器。第一次人为作用产生的电信号经放大，整形后触发，使输出一个高电平；通过光耦合器(9)打开可控硅(6)，电源输入(7)接通到输出端(8)；实现了开关“通”的控制。需要关断时，再次人为作用产生第二个信号，同样通过放大器(3)的放大和比较器(14)，单稳态整形电路(15)的处理整形后。D触发器(16)输出低电平，使可控硅截止，实现了开关“断”的控制。
本实施例适于制作多功能报警开关和残疾人用(口吹)开关，也可以作安全防护用压触或温控开关。它的特点是人为产生的压力与温度信号都能对开关起到控制作用，灵敏度较高。
实施例2。按图3可以制作一个人为压力控制、牢固可靠的固体定时开关。
本实施例与实施例1(见图2)的区别是1.图中(11)作用层改为用厚度0.5mm以上的铝片制作，增加了牢固可靠性。
2.图中(12)有机压电--热电薄膜采用把钛酸铅或压电陶瓷粉末掺入聚偏二氟乙烯或含氟合成橡胶或环氧树脂中的复合薄膜压电材料(简称为PVDF-PZT，PVDF-PT和POM-PZT等)薄膜。
3.输入电路部分去掉了并联在电阻R1上的C1而增加了串联在换能器与放大器之间的C2。因为作用层传递压力信号的速度远远快于温度信号的速度，适当选择C2的电容值(如0.1uF以下)，可以对温度作用起到隔离的作用。人为压力信号经放大器(3)和比较器(14)输出后触发一个由时基电路555作的定时器(17)，定时时间由Rt、Ct决定，在确定时间内输出高电平，使光耦合器(9)触发可控硅(6)导通，开关呈“通”的状态，定时完成后，定时器输出成为低电平，可控硅则关断。这样就成为一个仅受人为的压力控制，牢固可靠的固体定时开关。
本实施例适用于仪表或电力设备在要求防爆、防潮或使用环境条件恶劣的情况下作为时间控制开关。当定时器¨仍选用与实施例1相同的(15)、(16)电路时，就成了一个压力控制、牢固可靠的通用型固体开关。
权利要求
1.一种固体开关，包括放大器3、电信号选频及滤波处理电路4、触发电路5和可控硅6构成的开关控制回路，其特征在于一个有机压电--热电薄膜换能器2，其中有机压电--热电薄膜换能器连接在放大器3的输入端，换能器2的电压信号在放大器3的输入端被放大，输出到触发电路5，当信号超过一定的电位时，触发电路输出高电平，触发可控硅6，使之导通，由并联在R1上的电容C1滤除高频信号；放大器3反馈电路中的电容C3控制放大器的频带；串联在放大器3输入端的电容C2限制低频信号，因而消除了无关干扰信号。
2.按权利要求1所述的固体开关，其特征在于所说的有机压电--热电薄膜换能器是由作用，保护层粘接在镀有电极的有机压电--热电薄膜上，并且它们固定在带有引出电信号的基板上组成，其有机压电--热电薄膜的材料为聚偏氟乙烯薄膜和复合压电--热电薄膜。
3.按权利要求1所述的固体开关，其特征在于所说的作用--保护层是石墨或金属薄片。
4.按权利要求1所述的固体开关，其特征在于电容C3并联在放大器3上。
5.按权利要求1所述的固体开关，其特征在于所说的电容C1值不大于10uF。
6.按权利要求3所述的固体开关，其特征在于所说的电容C2电容值为不小于1000pF。
全文摘要
本发明涉及一种由人为直接控制的无触点固体开关。本发明的目的在于实现一种直接由人为控制达到开关通断,而不需附加任何光、电信号发生器,从而提供了一种由放大器、电信号处理电路、触发电路、可控硅和在放大电路输入端联接一个有机压电－热电薄膜组成的换能器等组成的固体开关。本发明的优点是直接由“人为”作用,无触点;没有机械结构零件,不存在磨损、老化问题;寿命在10年以上;体积小;灵敏度可控制;全部电路组合成一体且牢固、可靠。
文档编号H01H37/00GK1182308SQ96120470
公开日1998年5月20日 申请日期1996年11月11日 优先权日1996年11月11日
发明者王树铎 申请人:中国科学院物理研究所