一种固态绝缘介质脉冲功率开关及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明设计的是一种应用于脉冲功率开关的辅助气固击穿结构，具体是一种基于微加工工艺制备的包含镂空式辅助气固击穿结构的固态绝缘介质脉冲功率开关及其制备方法。
【背景技术】
[0002]脉冲功率开关即为在脉冲功率技术领域中使用的短路转换开关，它是一种能在瞬间闭合并承载强脉冲电流高速通过的电学开关，它是脉冲功率系统的核心，也是脉冲功率技术研宄的重点和关键器件。它能够将储能系统储存的能量进行压缩并快速放电以达到高速释放的目的，从而实现功率的放大输出。系统输出的脉冲波形主要取决于脉冲功率开关。这种短路转换开关一般是多电极结构，通过半导体器件反向击穿整流特性或开关电极间的电介质绝缘击穿实现脉冲输出，输出电压可以高达kV?MV量级，通过的电流大致可达kA?MA量级，功率多在kW?GW量级。
[0003]脉冲功率开关在脉冲功率系统中有着极其重要的作用，目前各种不同的开关，如气体火花隙开关、赝火花开关、晶闸管、绝缘栅双极晶体管等相继问世。其中固体开关因为具有更高的可靠性而受到人们的广泛关注。固体开关与气体开关的主要区别即为用固体绝缘薄膜填充进气体绝缘间隙，置于主电极间，当主间隙放电导通时，绝缘膜被破坏，使电极间接通形成导通电路。这种开关的特点是电感小，平面性更好。而固体开关也包含主要的三种类型:1)机械型，通过机械方法破坏薄膜使电极短路，它的优点是接触电阻小，但是开关时间长，且不易控制；2)场畸变型，利用局部强电场破坏绝缘膜，放电导通，它的优点是开关时间较短；3)等离子型，采用大电流电弧将绝缘膜破坏，电极间通过高导电的等离子体连接，可以通过大电流。
[0004]经过对现有技术文献检索发现，T.A.Baginski等在《IEEE Transact1ns onpower electronics》24 (I) 2009，253-260 上发表的文章 “A robust one-shot switch forhigh-power pulse applicat1ns”提出了一种肖特基二极管触发击穿Parylene绝缘膜实现导通的固体绝缘介质型开关。这是一类通过微型加工方法制备的固体脉冲功率开关设计。设计中使用Paralene薄膜进行高压阻断，之后利用相对小的电压反向击穿肖特基二极管，即利用局部强场损坏薄膜实现导通。这类固体开关的耐压值及尺寸优势比使用微加工的气体式开关要更显著，但在微加工工艺上也更复杂。在该设计中辅助气固击穿通过反向击穿的肖特基二极管实现，在工艺上面临对肖特基二极管键合的技术困难，而局部强场的作用也受限于肖特基二极管的功能，缺乏一定的可靠性。
【发明内容】
[0005]针对上述微型化脉冲功率开关辅助气固击穿结构结构复杂和工艺可行性差等问题，本发明提出一种固态绝缘介质脉冲功率开关及其制备方法。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0007]本发明涉及一种固态绝缘介质脉冲功率开关，所述开关包括:固态绝缘介质层、辅助气固击穿结构、气体绝缘孔隙和顶电极；所述辅助气固击穿结构位于固态绝缘介质层上表面，与上方顶电极之间通过气体绝缘孔隙实现绝缘，所述辅助气固击穿结构采用镂空式金属结构，使部分固态绝缘介质直接裸露在气体绝缘孔隙中。
[0008]优选地，所述顶电极通过顶电极支撑柱悬空位于固态绝缘介质层之上，顶电极和固态绝缘介质层之间存在气体绝缘孔隙。
[0009]优选地，所述固态绝缘介质层的下表面设有底电极。
[0010]本发明中，辅助气固击穿结构的重要功能是与顶电极，气体绝缘孔隙一起构成低电压触发回路，通过在顶电极和辅助气固击穿结构上施加低电压，触发气体绝缘孔隙中的气体，引发能量高密度聚集形成高热量气体从而击穿其下方固态绝缘介质层来实现大电流从顶电极到底电极的瞬时通过。镂空式辅助气固击穿结构不同于传统结构的核心在于其采用镂空式金属结构，使在气体绝缘孔隙形成的高热量气体能够快速高效的到达下方固态绝缘介质层表面并使之击穿。
[0011]本发明涉及包含上述固态绝缘介质脉冲功率开关的制备方法，包括以下步骤:
[0012]第一步，在基片上溅射金属层；
[0013]所述基片为绝缘介质基片，如沉积有Si02绝缘层的硅片、玻璃片等绝缘基体中的一种。
[0014]所述金属层由Cr、Cu、Pt、Au等金属单质或其组合构成。
[0015]第二步，旋涂光刻胶，光刻图形化微电铸金属层制备底电极；
[0016]所述光刻胶是具有光敏特性的聚合物介质，可以采用紫外光进行图形化加工。
[0017]所述金属层由Cu、N1、Au、Ag等金属单质或其组合构成。
[0018]第三步，采用牺牲溶剂释放第二步的光刻胶；
[0019]所述牺牲溶剂包含但不限于质量比在2%?15%范围内变化的氢氧化钾，氢氧化钠等碱性水溶液或丙酮，乙醇等有机溶剂。
[0020]第四步，采用具有稳定绝缘性能的液态介质旋涂覆盖上述底电极结构；
[0021]所述液态介质包括但不限于液态聚酰亚胺，液态水玻璃等可通过后期烘干固化的有机聚合物绝缘介质或无机绝缘介质。
[0022]第五步，对上述液态绝缘介质薄膜进行烘干，并进行打磨，使底电极裸露出介质薄膜表面；
[0023]所述烘干工艺针对不同液态介质在温度范围40?500°C范围内变化。
[0024]所述打磨针对已烘干的介质薄膜进行，采用手工水砂纸或者机械磨台，砂纸或磨台的粒度选择在0.5?50um范围内变化。
[0025]第六步，在上述介质薄膜表面溅射金属层；
[0026]所述金属层由Cr、Cu、Pt、Au等金属单质或其组合构成。
[0027]第七步，旋涂光刻胶，光刻图形化微电铸金属层制备镂空式辅助气固击穿结构；
[0028]所述光刻胶是具有光敏特性的聚合物介质，可以采用紫外光进行图形化加工。
[0029]所述金属层由Cu、N1、Au、Ag等金属单质或其组合构成。
[0030]所述镂空式辅助气固击穿结构由圆形，菱形，矩形，三角形等圆弧及多边形单一单元或不同单元组合而成，其特征尺度在I?100um范围内变化。
[0031]第八步，旋涂光刻胶，光刻图形化微电铸金属层制备顶电极支撑层；
[0032]所述光刻胶是具有光敏特性的聚合物介质，可以采用紫外光进行图形化加工。
[0033]所述金属层由Cu、N1、Au、Ag等金属单质或其组合构成。
[0034]第九步，旋涂光刻胶，光刻图形化微电铸金属层制备顶电极；
[0035]所述光刻胶是具有光敏特性的聚合物介质，可以采用紫外光进行图形化加工。
[0036]所述金属层由Cu、N1、Au、Ag等金属单质或其组合构成。
[0037]第十步，采用牺牲溶剂释放上述的光刻胶牺牲层，形成气体绝缘空隙；
[0038]所述牺牲溶剂包含但不限于由质量比在2%?15%范围内变化的氢氧化钾，氢氧化钠等碱性水溶液或丙酮，乙醇等有机溶剂。
[0039]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0040]本发明采用光刻图形化及微电铸工艺，在传统固态绝缘层上表面加工制备镂空式的辅助气固击穿结构。帮助触发回路的高热量气体在镂空的气体通道里成型和快速击穿固态绝缘介质层。所采用的工艺路径实施简单易行，更可以通过镂空结构的布局和结构形式调整适应各类性能需求。
【附图说明】
[0041]图1为本发明包含镂空式辅助气固击穿结构的微型化脉冲功率开关三维示意图；
[0042]图2为图1所示结构的局部示意图；
[0043]图中:底电极1，固态绝缘介质层2，辅助气固击穿结构3，气体绝缘孔隙4，顶电极支撑层5，顶电极6。
【具体实施方式】
[0044]下面结合具体实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0045]如图1所示，为本发明一种固态绝缘介质脉冲功率开关的实施例结构示意图，其中:包括:底电极1、固态绝缘介质层2、辅助气固击穿结构3、气体绝缘孔隙4和顶电极6 ;所述辅助气固击穿结构位于固态绝缘介质层上表面，与上方顶电极之间通过气体绝缘孔隙实现绝缘，所述辅助气固击穿结构采用镂空式金属结构，使部分固态绝缘介质直接裸露在气体绝缘孔隙中；底电极位于固态绝缘介质层的下表面，顶电极通过顶电极支撑柱悬空位于固态绝缘介质层之上，二者之间存在气体绝缘孔隙。
[0046]所述镂空式金属结构，由圆弧形和多边形单一单元或不同单元组合而成，尺度在I?1000 μ m范围内变化。
[0047]所述镂空式金属结构，其中金属是指Cu、N1、Au、Ag中任意金属单质或其组合。
[0048]所述辅助气固击穿结构与顶电极、气体绝缘孔隙一起构成低电压触发回路，在辅助气固击穿结构与顶电极之上施加电压，当电压值逐渐增大达到一定数值后，顶电极与辅助气固击穿结构之间的气体绝缘孔隙中的气体会被激发产生等离子体，构成接通回路。
[0049]以上固态绝缘介质脉冲功率开关可以采用光