CN102290708B - Mems可动电极式火花隙开关 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统技术领域的MEMS可动电极式火花隙开关，包括：可动电极、固定电极、微驱动结构和绝缘衬底，其中：可动电极和固定电极均与绝缘衬底固定连接，微驱动结构与绝缘衬底、可动电极或者分别与绝缘衬底和可动电极固定连接，固定电极与可动电极相对放置且均设置于绝缘衬底的同一侧。本发明所需的工作能量小，能够减小对微驱动结构触发电容的能量要求，触发电容体积能够大幅度减小，从而降低使用成本和系统体积，便于一体化集成。

Description

MEMS可动电极式火花隙开关

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种MEMS可动电极式火花隙开关。

背景技术

脉冲功率技术是高新技术研究的重要技术基础，美国能源部一直把该技术列为基础研究的重点领域，它的应用也已经深入到许多重要的科学研究领域。

高功率脉冲开关在脉冲功率技术中具有特殊重要的地位。它不仅决定了脉冲功率装置的输出特性，甚至是整个系统成败的关键。目前国内外研制的高功率脉冲开关可分为多种不同的类型。按照开关内部绝缘介质不同，开关可以分为气体开关、液体开关和固体开关三种类型。

较为常用的传统三电极触发气体火花隙开关由两个主电极和一个触发电极构成，当触发电极和主电极之间的气隙击穿后，产生的等离子体在电场作用下运动，引发主电极之间的气隙击穿，即触发电极点火再漫延触发主电极击穿，此时开关闭合。此类开关的特点是响应时间长，速度慢，成本高，市场售价均在千元以上，并且触发电极和主电极之间的气隙击穿需要较高能量。

Dr.Thomas A.Baginski和Dr.Keith A.Thomas研发了一种肖特基固体开关，其原理是通过肖特基二极管的反向击穿特性，瞬间打通两个主电极之间的固体通道，从而开关导通。但是触发肖特基二极管反向击穿的能量很大，需要毫法级电容供电，不利于一体化集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种MEMS可动电极式火花隙开关，该装置所需的工作能量小，能够减小对微驱动结构触发电容的能量要求，触发电容体积能够大幅度减小，从而降低使用成本和系统体积，便于一体化集成。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：可动电极、固定电极、微驱动结构和绝缘衬底，其中：可动电极和固定电极均与绝缘衬底固定连接，微驱动结构与绝缘衬底、可动电极或者分别与绝缘衬底和可动电极固定连接，固定电极与可动电极相对放置且均设置于绝缘衬底的同一侧。

所述的可动电极包括：固定结构和可动结构，其中：固定结构分别与绝缘衬底和可动结构连接，可动结构和固定电极不相接触。

所述的微驱动结构能够采用静电微驱动结构、电热微驱动结构、电磁微驱动结构或压电微驱动结构等。

本发明由微驱动结构控制可动电极的运动，改变可动电极与固定电极之间的气体间隙大小，当气体间隙的距离变小至无法承受两端加载的电压时，气体间隙击穿，开关闭合。

所述的可动电极和固定电极表面采用碳纳米管，以提高放电击穿时电极的电子发射特性，能够提高开关的响应速度，为实现高功率脉冲开关高性能、低成本制造提供新的技术途径。

本发明能够在瞬间闭合，在本发明上分别加载驱动电压和负载电压，驱动电压比负载电压小很多，微驱动结构使可动电极发生位移，方向由可动电极指向固定电极，故可动电极和固定电极之间的间距变小，当可动电极和固定电极的气体不能承受两端所加的工作电压时，气体瞬间击穿，开关迅速闭合，能够通过高功率脉冲电流。

本发明的工作原理是可动电极和固定电极之间间隙的气体直接过压击穿使开关闭合，而传统的三电极触发气体火花隙开关是触发电极与一个主电极间局部击穿再蔓延到两个主电极间的间接引燃方式，相比之下直接过压击穿的速度比触发电极局部放电再漫延触发主电极的方式响应速度快很多，具有大幅度提升脉冲电流上升沿陡度的能力，从而为脉冲电流峰值最大化创造更为优越的条件。

本发明由微驱动结构调节可动电极与固定电极之间的距离来控制开关的通断，便于控制。同时，微驱动结构工作所需的能量不大，能够减小对微驱动结构触发电容的能量要求，触发电容体积能够大幅度减小，从而降低使用成本和系统体积，方便一体化集成。

本发明能够采用MEMS设计与制造技术，不但结构简单，体积小巧，而且具有低成本和批量一致性高的潜力，能够集成制造，克服传统的精密机械组装器件价格昂贵的缺点。

附图说明

图1为实施例1的立体结构示意图。

图2为实施例1的平面结构示意图。

图3为实施例1的结构示意图。

图4为实施例1的工作电路图。

图5为实施例2的立体结构示意图。

图6为实施例2的可动电极截面结构示意图。

图7为实施例3的立体结构示意图。

图8为实施例3的平面结构示意图。

图9为实施例3的平面线圈的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例是MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关，如图1、图2和图3所示，本实施例包括：可动电极1、触发电极2、固定电极3、弧形绝缘层4、方形绝缘层5和绝缘衬底6，其中：可动电极1、触发电极2、固定电极3、弧形绝缘层4和方形绝缘层5均与绝缘衬底6固定连接，触发电极2与可动电极1之间设有弧形绝缘层4，微驱动结构2与固定电极3之间设有方形绝缘层5，触发电极2与固定电极3不接触，可动电极1与弧形绝缘层4和固定电极3均不相接触。

所述的可动电极1包括：固定结构和可动结构，其中：固定结构分别与绝缘衬底和可动结构连接，可动结构和固定电极3不相接触。

所述的可动电极1的可动结构与固定电极3相对的一面采用碳纳米管材料，可动电极1和固定电极3均为长方体导电金属膜，可动电极1与固定电极3间距为100μm-500μm。

所述的可动电极1和触发电极2共同构成静电微驱动结构7，即采用静电驱动。

所述的触发电极2采用导电金属材料，并设置于可动电极1与固定电极3之间，触发电极2的弧形面与可动电极1相对，其长度为300μm-500μm，与可动电极1的最小距离为10μm-20μm，其一端与可动电极1的固定端对齐。

当在可动电极1与触发电极2之间、可动电极1与固定电极3之间分别加载触发电压和负载电压时，触发电压驱使可动电极1的可动结构向固定电极3的方向运动，故可动电极1与固定电极3之间的间距变小，当可动电极1与固定电极3之间的气体不能承受两端所加负载电压时，气体瞬间击穿，开关迅速闭合，高功率脉冲电流瞬间通过。

如图4所示，本实施例的工作电路，包括：MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8、第一直流电源V1、第二直流电源V2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。其中，MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8的a引脚是可动电极，b引脚是触发电极，c引脚是固定电极；第一直流电源V1正极与第一开关S1的一端相连，第一开关S1的另一端与第一电阻R1一端相连，第一电容C1的一端分别于第一电阻R1的另一端和MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8的a端相连，第一电容C1的另一端分别与第一直流电源V1的负极和第三开关S3的一端相连，第三开关S3的另一端与MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8的c端相连，第二直流电源V2的正极与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与第二开关S2的一端相连，第二开关S2的另一端分别与第二电容C2的一端和第四开关S4的一端相连，第二电容C2的另一端分别与第二直流电源V2的负极、第三电阻R3的一端和MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8的b端相连，第四开关S4的另一端分别与第五开关S5和MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8的a端相连，第五开关的另一端与第三电阻R3的另一端相连。

电路的工作过程：分别闭合第一开关S1和第二开关S2，则第一直流电源V1和第二直流电源V2分别给第一电容C1和第二电容C2充电，两个电容充满电后，将第一开关S1和第二开关S2断开，然后先闭合第三开关S3，再闭合第四开关S4，此时MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8闭合，此时按下第五开关S5则MEMS静电驱动可动电极式火花隙开关8断开。

实施例2

本实施例是MEMS电热驱动可动电极式火花隙开关，如图5和图6所示，本实施例包括：驱动层1、致热层2、可动电极3、固定电极4、支撑绝缘层5和绝缘衬底6，其中：可动电极3、支撑绝缘层5和绝缘衬底6依次连接，固定电极4与绝缘衬底6固定连接，驱动层1与可动电极3连接，致热层2设置于驱动层1的内部，可动电极3与固定电极4相对放置且均设置于绝缘衬底6的同一侧。

所述的驱动层1、致热层2和可动电极3共同构成电热微驱动结构即采用电热驱动，其中可动电极3是该电热驱动结构的偏置层，驱动层1的热膨胀系数大于可动电极3的热膨胀系数。

所述的致热层2为蛇形弹簧结构，弹簧两端设有电极。

所述的固定电极4为导电金属膜。

所述的可动电极3包括：固定结构和可动结构，其中：固定结构分别与绝缘衬底6和可动结构连接，可动结构和固定电极4不相接触。

所述的可动电极3为导电金属材料，其固定结构通过支撑绝缘层5与绝缘衬底6连接，可动结构与固定电极4相对的一面采用碳纳米管修饰，厚度为3μm，可动电极3在固定电极4的一侧，可动电极3与固定电极4间距为1mm，可动电极3的可动结构为1mm-3mm，宽度为60μm-80μm，厚度为8μm-12μm。

所述的固定电极4为长方体导电金属膜，长度为1mm-2mm，宽度为60μm-80μm，厚度为10μm。

所述的驱动层1为聚合物材料，厚度为8μm。

所述的支撑绝缘层5作为可动电极3的支撑端，支撑绝缘层5由不导电材料制备而成，长度为10μm-20μm，宽度为1mm-2mm，高度为900μm-1000μm。

当在致热层2的两电极之间、可动电极3和固定电极4之间分别加载触发电压和负载电压时，致热层的蛇形弹簧结构金属有电流通过，产生焦耳热，热量传导，使驱动层1和可动电极3产生一定的机械延展，由于驱动层1的热膨胀系数大于可动电极3的热膨胀系数，使可动电极3的自由端向固定电极4一方翘曲，故可动电极3和固定电极4之间的间距变小。当可动电极3和固定电极4之间的距离小至气体不能承受两端所加负载电压时，气体瞬间击穿，开关迅速闭合，高功率脉冲电流瞬间通过。

实施例3

本实施例是MEMS电磁驱动可动电极式火花隙开关，如图7和图8所示，本实施例包括：可动电极1、固定电极2、驱动片3、平面线圈4、导磁衬底5以及绝缘衬底6，其中：可动电极1、固定电极2和导磁衬底5均固定在绝缘衬底6的同一侧面上，可动电极1分别与驱动片3和绝缘衬底6连接，导磁衬底5与可动电极1的固定结构连接，导磁衬底5与固定电极2不相接触。

所述的可动电极1包括：固定结构和可动结构，其中：固定结构分别与绝缘衬底6和可动结构连接，可动结构和固定电极2不相接触。

所述的可动电极1为软磁性导电材料，其固定结构的高度为500μm-800μm，可动结构长度为2mm，宽度为80μm-100μm，厚度为3μm-8μm。

所述的固定电极2为长方体导电金属膜，长度为600μm，宽度为80μm-100μm，厚度为10μm。

所述的驱动片3为永磁体，且磁化方向垂直于与可动电极1连接的接触面，厚度为10μm。

所述的导磁衬底5为长方体软磁性材料，长度为1mm，厚度为10μm。

所述的平面线圈4厚度为15μm-30μm，长度和宽度均为500μm。

如图9所示，所述的平面线圈4包括：中央铁芯7、金属线圈8和包覆绝缘层9，其中：金属线圈8以螺旋线结构排列在导磁衬底5上，中央铁芯7与导磁衬底5固定连接且设置于金属线圈8的中间和四周，包覆绝缘层9填充于金属线圈8绕线之间以及金属线圈8与中央铁芯7之间的空隙处。

所述的金属线圈8为正方形，金属线圈8的电阻丝宽度为25μm，间距为25μm，厚度为8μm。

所述的中央铁芯7为圆柱形或长方体形磁性材料，厚度为10μm。

所述的驱动片3、平面线圈4和导磁衬底5构成电磁微驱动结构，即采用电磁驱动。平面线圈4与可动电极1的可动结构不相接触，驱动片3与平面线圈4相对放置。

如图8所示，本装置分别在平面线圈4的两个引脚间、可动电极1与固定电极2之间加载驱动电压和负载电压，平面线圈4通电流后形成磁场，产生的电磁力拉动一侧有永磁材料驱动片3的可动电极1向固定电极2的方向运动，故可动电极1与固定电极2之间的间距变小。当可动电极1与固定电极2之间的距离小至气体不能承受两端所加负载电压时，气体瞬间击穿，开关迅速闭合，高功率脉冲电流瞬间通过。

Claims (1)

1.一种MEMS可动电极式火花隙开关，其特征在于，包括：可动电极、固定电极、微驱动结构和绝缘衬底，其中：可动电极和固定电极均与绝缘衬底固定连接，微驱动结构与绝缘衬底、可动电极或者分别于绝缘衬底和可动电极固定连接，固定电极与可动电极相对放置且均设置于绝缘衬底的同一侧；

所述的可动电极包括：固定结构和可动结构，其中：固定结构分别于绝缘衬底和可动电极连接，可动结构与固定电极不相接触；

所述的微驱动结构能够采用静电微驱动结构、电热微驱动结构、电磁微驱动结构或压电微驱动结构；

当微驱动结构采用静电微驱动结构时，所述的可动电极的固定结构为悬臂梁，可动电极的可动结构与固定电极相对的一面采用碳纳米管材料，可动电极和固定电极均为长方体导电金属膜，可动电极与固定电极间距为100μm-500μm；

当微驱动结构采用电热微驱动结构时，所述的可动电极为导电金属材料，可动结构与固定电极相对的一面采用碳纳米管修饰，厚度为3μm，可动电极在固定电极的一侧，可动电极与固定电极间距为1mm，可动电极的可动结构为1mm-3mm，宽度为60μm-80μm，厚度为8μm-12μm；所述的固定电极4为长方体导电金属膜，长度为1mm-2mm，宽度为60μm-80μm，厚度为10μm；

当微驱动结构采用电磁微驱动结构时，所述的可动电极为软磁性导电材料，其固定结构的高度为500μm-800μm，可动结构长度为2mm，宽度为80μm-100μm，厚度为3μm-8μm；所述的固定电极为长方体导电金属膜，长度为600μm，宽度为80μm-100μm，厚度为10μm。

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