一种耐烧蚀平面三电极高压开关及其制备方法与流程

本发明涉及高功率脉冲应用系统领域，具体涉及一种耐烧蚀平面三电极高压开关及其制备方法。

背景技术：

开关技术是高功率脉冲技术的核心，决定着脉冲功率的输出特性，在许多高功率脉冲应用系统中拥有决定性作用，因而备受重视。例如，高压脉冲功率开关是爆炸箔起爆系统中的关键器件，直接决定着起爆回路的输出特性，进而影响起爆装置的性能。常用三电极触发火花间隙高压开关，主要指立体式的真空开关和气体开关，开关优点是耐电压高、导通电流大、上升时间短、抖动小、电感及电阻小，但是由于开关是立体结构，与高功率脉冲应用系统的集成度低，使得系统体积偏大。

高压开关平面化，能提升高功率脉冲应用系统的集成度，采用微机电系统(microelectromechanicalsystem,mems)工艺制备平面三电极高压开关，国内外学者已经做了较为充分的研究，获得了较为详实的开关设计及性能参数。然而，当前的平面三电极开关基本只能一次性使用或者使用寿命较短，因此如何实现开关的多次重复性使用，提高开关的使用寿命，成为一个亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明设计了一种基于mems工艺的耐烧蚀平面三电极高压开关，目的是提供一种能多次使用而不影响作用性能的平面高压开关及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种耐烧蚀平面三电极高压开关，所述高压开关包括：

基片；

三电极层：设置在基片之上，包括阳极、阴极和触发极，阳极和阴极为左右对称半圆形结构，阳极和阴极间设置有主电极间隙，触发电极设置在阳极和阴极之间，且距离阴极更近，触发电极和阴极之间的距离为触发电极间隙；

耐烧蚀层：设置在三电极层之上，分为三部分，分别与三电极层的阳极、阴极和触发极的形状相匹配，在阳极、阴极和触发极的后端部预留为3mm-6mm×1.5mm-2mm的焊盘区，覆盖阳极、阴极和触发极的前端并分别比阳极、阴极和触发极向前多延伸5μm-10μm。

所述耐烧蚀层的材料为w-ti。

所述主电极间隙0.8mm-1.5mm，触发电极间隙0.06mm-0.1mm，触发电极宽度0.1mm-0.3mm，三电极厚度为0.2μm-0.6μm。

所述基片的材料为陶瓷、金属或玻璃。

所述三电极层的材料为au、ag、cu或al。

所述耐烧蚀层的厚度为0.1μm-0.3μm。

一种制备上述的耐烧蚀平面三电极高压开关的方法，所述方法采用微机电系统工艺制备，具体包括如下步骤：

步骤一：清洗基片；

步骤二：制备三电极层：采用镀膜及光刻工艺在基片表面制备三电极层；

步骤三：制备耐烧蚀层：采用镀膜及光刻工艺分别在三电极层的阳极、阴极和触发极的表面，沉积金属合金w-ti薄膜，构成耐烧蚀层，即得到耐烧蚀平面三电极高压开关。

所述步骤一中清洗基片具体为采用去离子水、丙酮和乙醇，依次在超声中清洗陶瓷、金属或者玻璃基片，直至基片表面被洗净。

所述步骤二和三种的镀膜及光刻工艺具体的为磁控溅射及湿法刻蚀工艺。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本技术通过在三电极层的表面沉积耐烧蚀层，使得平面三电极高压开关可以多次重复性使用，提高了高压开关的使用寿命；

(2)本技术采用mems工艺制备平面高压开关，可以实现批量化生产，降低了制备成本。

附图说明

图1是本发明耐烧蚀平面三电极高压开关的立体图。

图2是本发明耐烧蚀平面三电极高压开关的俯视图。

图3是本发明耐烧蚀平面三电极高压开关的制备工艺流程图；其中图(a)为基片主视图，图(a′)为基片俯视图；图(b)为制备三电极层之后的主视图，图(b′)为制备三电极层之后的俯视图；图(c)为制备耐烧蚀层之后的主视图，图(c′)为制备耐烧蚀层之后的俯视图。

图4是本发明耐烧蚀平面三电极高压开关的发火电路连接示意图。

附图标记说明：

1-基片，2-三电极层，3-耐烧蚀层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

所述耐烧蚀平面三电极高压开关包括基片1、三电极层2和耐烧蚀层3，采用镀膜及光刻等mems工艺可以在基片1上一体化制备出三电极层2和耐烧蚀层3，即能制备该平面高压开关。所述耐烧蚀平面三电极高压开关可以多次用于高功率脉冲应用系统领域。

结合图1、图2和图3，所述一种耐烧蚀平面三电极高压开关包括基片1、三电极层2、耐烧蚀层3。该驱动装置的制备过程如下：

第一步，清洗基片1：采用去离子水、丙酮和乙醇，依次在超声中清洗陶瓷、金属或者玻璃基片，直至基片表面被洗净。

第二步，制备三电极层2：利用镀膜及光刻工艺在基片1表面制备三电极层2，三电极的阴阳极为左右对称半圆形结构，同时两主电极间具有耐高压绝缘间隙，触发电极位于主电极之间，且距离阴极较近。三电极层材料选用au或ag或cu或al等。

第三步，制备耐烧蚀层3：采用镀膜及光刻工艺在三电极层2表面，距离各电极端部约1.5mm-2mm处(裸露出焊盘)，沉积金属合金w-ti。

实施案例

本实施案例是在三电极结构耐烧蚀平面三电极高压开关的基础上设计了发火电路，结合图3和图4，包括以下步骤(注：图3中的左右两图分别为制备工艺过程的主视图和俯视图)：

第一步，见图3(a)和(a′)，对50.8mm(长)×50.8mm(宽)×0.635mm(厚)的al2o3陶瓷基底(1)表面进行清洗。

第二步，见图3(b)和(b′)，采用磁控溅射及湿法刻蚀工艺在al2o3陶瓷基片1表面沉积cu金属层，构成三电极层2，三电极的阴、阳极为左右对称半圆形结构，同时两主电极间具有耐高压绝缘间隙(主电极间隙)，触发电极位于主电极之间，且距离阴极较近(其间距离称作触发电极间隙)。相关尺寸为：主电极间隙0.8mm-1.5mm；触发电极间隙0.06mm-0.1mm；触发电极宽度0.1mm-0.3mm；三电极厚度为0.2μm-0.6μm。

第三步，见图3(c)和(c′)，采用磁控溅射及湿法刻蚀工艺在三电极层2上(留出1.5mm-2mm焊接区域)沉积w-ti合金薄膜，厚度为0.1μm-0.3μm，构成耐烧蚀层3。

第四步，见图4，在驱动装置的基础上设计了发火电路：将一种耐烧蚀平面三电极高压开关和含有触发脉冲信号的高压电源组成串联电路，首先在三电极的两主电极间通过电容施加主高压，然后通过对开关触发极施加触发脉冲信号(2000v电压)，从而导通1200v-3000v的主高压，实现开关导通功能。

技术特征：

技术总结
本发明涉及高功率脉冲应用领域，具体涉及一种耐烧蚀平面三电极高压开关及其制备方法。高压开关包括：基片；三电极层：设置在基片之上，包括阳极、阴极和触发极，阳极和阴极为左右对称半圆形结构，阳极和阴极间设置有主电极间隙，触发电极设置在阳极和阴极之间，且距离阴极更近；耐烧蚀层：设置在三电极层之上，分为三部分，分别与三电极层的阳极、阴极和触发极的形状相匹配，在阳极、阴极和触发极的后端部预留焊盘区，覆盖阳极、阴极和触发极的前端。本申请通过在三电极层的表面沉积耐烧蚀层，使平面三电极高压开关可以多次重复性使用，提高了使用寿命。本申请采用微机电系统工艺制备高压开关，提高了产品的一致性，可以实现批量化生产。

技术研发人员：朱朋;杨智;张秋;徐聪;汪柯;沈瑞琪
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2018.10.19
技术公布日：2019.03.08