CN103604325B - 一种高压等离子体薄膜开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种高压等离子体薄膜开关及其制造方法，克服现有冲击片雷管用高压开关触发能量高、工作稳定性差的缺陷，其技术方案为：高压等离子体薄膜开关，包括绝缘基底、分布于绝缘基底上开关电极及覆盖于开关电极上的聚酰亚胺薄膜，其中开关电极包括两触发电极与主电极，两触发电极间通过多层复合含能桥膜连接，主电极位于桥膜侧面，且与桥膜之间存在开关间隙；该高压开关具有触发能量低、响应时间短，耐高温、高绝缘等优点；且该高压开关体积小易与爆炸箔等集成，进一步适用于新一代冲击片雷管。另外其制备工艺中采用磁控溅射以及掩膜工艺沉积多层复合含能桥膜于两触发电极之间，连接两触发电极；该工艺流程简单，制造成本低。

Description

一种高压等离子体薄膜开关及其制造方法

技术领域

本发明属于火工品领域，涉及一种冲击片雷管用高压开关，具体涉及一种高压等离子体薄膜开关及其制造方法。

背景技术

雷管作为各类点火装置中的重要引爆元器件，广泛应用于航空、航天、导弹发射、矿山爆破等军用和民用领域。冲击片雷管作为一种新型雷管，如图1所示，具有爆炸箔与炸药不直接接触，耐机械冲击、抗射频、静电、杂散电流及电磁干扰、且作用迅速可靠、是目前应用最广泛的雷管系统。它的主要工作原理为：当触发信号来到时，电容器放电产生一个大的脉冲电流使桥箔从固态变为等离子体态，等离子体剪切桥箔上的聚酰哑胺薄膜层(或其他电介质层)形成飞片，飞片以极高的速度撞击高能火药，使其引爆。在上述作用过程中,起爆装置的作用是为爆炸箔提供能量，引爆爆炸箔产生高温高压的等离子体。由于爆炸箔爆炸需要很高的能量，发火电压约为1KV-3KV，箔爆炸时间极短（约为200-300ns）,因而要求起爆回路中的高压开关响应时间短、电感低(一般不大于几十纳亨)，同时要求其触发能量低并且耐高压。目前国内冲击片用高压开关普遍采用空气开关，但该类开关具有体积大，工作电压低，触发能量较高，安全性和可靠性低，制造工艺复杂等缺点。为了适应新一代冲击片雷管用高压开关的需求，火花隙开关、真空开关、半导体开关、平面开关相继出现，其中平面开关因其利于提高集成度成为研究重点。

在硕士论文《平面固态高压单触发开关的设计、制作与性能研究》（张欢，南京理工大学，2012年3月）中公开了平面固态高压单触发开关，其结构如图2所示。该开关由三电极组成,包含两主电极和触发极，三电极均位于同一绝缘基底上，其中触发极位于两主电极之间，且与两主电极左右间隙（开关间隙）相等；触发极是由金属Cu桥膜组成的，利用金属Cu桥膜电爆产生等离子体的超导电性来使两主电极导通。其电爆的工作原理为金属Cu桥膜通电后，经过熔化、汽化，直至发生电击穿，产生等离子体的过程；该过程要求触发电压高，触发电压过低，则会导致桥箔气化不完全，不能发生自击穿产生等离子体，发生慢爆炸，导致高压开关工作稳定性差。

发明内容

本发明的目的是针对现有冲击片雷管用高压开关触发能量高的缺陷提供一种高压等离子体薄膜开关及其制造方法，该高压开关具有触发能量低、响应时间短，耐高温、高绝缘，体积小易与爆炸箔等集成等优点，且制备方法工艺简单，制造成本低。

本发明的技术方案为：一种高压等离子体薄膜开关，包括绝缘基底、分布于绝缘基底上开关电极及覆盖于开关电极上的聚酰亚胺薄膜，其中开关电极包括两触发电极与主电极，两触发电极间通过桥膜连接，主电极位于桥膜侧面，且与桥膜之间存在开关间隙；其特征在于，所述桥膜为多层复合含能桥膜。

优选的，所述主电极为单电极，主电极位于多层复合含能桥膜一侧，且与多层复合含能桥膜之间存在开关间隙。所述主电极为一对电极，两主电极相对分布于多层复合含能桥膜两侧，且多层复合含能桥膜之间开关间隙相等。所述多层复合含能桥膜为B/Ti、Al/Ni、Al/金属氧化物或Al/聚四氟乙烯多层复合含能桥膜。所述聚酰亚胺薄膜完全覆盖主电极与多层复合含能桥膜之间开关间隙，露出开关电极接触部分。

所述高压等离子体薄膜开关的制备方法包括：

（1）先后采用丙酮、酒精、去离子水、超生波依次清洗绝缘基片，然后采用丝网印刷技术在基片表面沉积银电极，作为触发电极与主电极，电极厚度为2～4um；

（2）将沉积得开关电极的基片与掩膜板重合，使得掩膜板上的设计桥区位于两触发电极之间；然后置于磁控溅射腔体内，采用靶材为钛靶和硼靶，钛靶对应直流功率源、硼靶对应射频功率源，关闭腔体、启动磁控溅射仪器，抽真空至6x10^-4Pa以下；通入氩气、调节流量率为20～30SCCM，设定直流功率源功率为100W，射频功率源功率为200W；通过移动基片位置交替沉积Ti、B各15～40层，其中第一层为Ti，每层厚度为200nm，即得B/Ti多层复合含能桥膜，连接两触发电极；

（3）将步骤（2）处理好样品取出后用酒精将表面擦洗干净，待酒精挥发后在其表面覆盖一层聚酞亚胺薄膜，做到完全覆盖主电极与多层复合含能桥膜之间开关间隙、露出开关电极接触部分；

（4）最后用划片机将基片切割得到本发明高压等离子体薄膜开关。

其中，步骤（2）中磁控溅射对应靶材采用铝靶与镍靶、铝靶与金属氧化物或铝靶与聚四氟乙烯，铝靶对应直流功率源、镍靶、金属氧化物或聚四氟乙烯对应射频功率源，交替溅射沉积得Al/Ni、Al/金属氧化物或Al/聚四氟乙烯多层复合含能桥膜。

本发明在绝缘基底上通过丝网印刷工艺沉积开关电极，包括两触发电极与主电极，利用掩膜工艺在两触发电极之间磁控溅射沉积多层复合含能桥膜，复合含能材料可以为B/Ti、Ni/Al等，连接两触发电极。主电极为一个或一对，即高压等离子体薄膜开关为三电极结构或四电极结构，主电极位于复合含能桥膜一侧或两侧，与复合含能桥膜之间有开关间隙，不与复合含能桥膜连接。在开关电极以上部分覆盖一层聚酰亚胺薄膜，完全覆盖主电极与触发电极间的间隙、露出开关电极接触部分。

其工作原理为，多层复合含能桥膜在低触发能量条件下发生化合反应或者合金化反应放出大量热量，迅速燃烧聚酰亚胺薄膜生成等离子体，导通主电极。在工作中，高压开关的主电极与高压电容及爆炸箔相连接，触发电极与低压恒定电容连接；当收到触发信号后，低压电容释放低压恒定电流通过多层复合含能桥膜，桥膜发生化合反应或者合金化反应放出大量热量，迅速燃烧其表面的聚酰亚胺薄膜生成等离子体导通主电极，导通高压电路；高压电容释放大脉冲电流流经爆炸箔发生电爆，生成等离子体切割电介质层形成飞片，以极快的速度冲击药柱使其引爆。

本发明提供的高压等离子体薄膜开关，利用多层复合含能桥膜的化合反应或合金化反应，将化学能转化为热能，迅速燃烧聚酰亚胺薄膜生成等离子体，导通主电极。该过程要求触发能量低，反应速度快，有效降低了高压开关触发能量，缩短了响应时间。同时利用聚酰亚胺薄膜的耐高温、高绝缘性质，提高开关的耐压性和绝缘性，避免主电极之间发生放电现象，增加开关的安全性。另外该高压开关制造工艺简单，体积小易与爆炸箔等集成，进一步适用于新一代冲击片雷管。

附图说明

图1为冲击片雷管结构示意图.

图2为现有平面固态高压单触发开关结构示意图。

图3为本发明实施例中高压等离子体薄膜开关结构示意图。

图4为本发明实施例中高压等离子体薄膜开关未覆盖聚酰亚胺薄膜前电极分布示意图。其中1为氧化铝基片，3、5为主电极，2、4为触发电极，6为多层复合含能桥膜；主电极3、5分布于触发电极2、4两侧，且触发电极2、4上下间隙相等，触发电极2、4通过多层复合含能桥膜6连接。

图5为本发明实施例中高压等离子体薄膜开关应用于冲击片雷管起爆装置电路示意图。

图6为本发明高压等离子体薄膜开关其他实施方式中高电压开关结构示意图，其中1为氧化铝基片，2、4为触发电极，5为主电极，6为多层复合含能桥膜。

图7为本发明其他实施方式中高压等离子体薄膜开关应用于冲击片雷管起爆装置电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图进一步对本发明做详细解释。

本发明高压等离子体薄膜开关制备过程如下：

（1）选取半径3英寸或者2英寸的高纯度氧化铝基片，先后采用丙酮、酒精、去离子水、超生波依次清洗干净，然后采用丝网印刷技术在基片表面按照设计的图形沉积4银电极，电极厚度2-4um，其图形分布如图4所示，其中电极2、4作为触发电极，两触发电极间距为0.5mm，电极3、5作为主电极，两主电极间距为1.3mm；

（2）将沉积好电极的基片与设计好的掩膜板重合，掩膜板图形空隙位置长约为1.5mm、宽为0.4mm的桥区，使得掩膜板上的桥区位于基片触发电极之间；然后置于磁控溅射腔体内，将靶材换为钛靶和硼靶，关闭腔体、正常启动磁控溅射仪器，抽真空至6x10^-4Pa以下；调节氩气约为20SCCM左右，钛靶对应直流功率源，设定功率为100W，硼靶对应射频功率源，设定功率约为200W；通过移动基片位置交替沉积Ti、B各20层，其中第一层为Ti，每层厚度为200nm；

（3）将样品取出后用酒精将表面擦洗干净，带酒精挥发后在其表面覆盖一层聚酞亚胺薄膜，做到完全覆盖主电极与触发电极间的间隙、露出开关电极接触部分，如图3所示；

（4）最后用划片机将基片切割得到本发明高压等离子体薄膜开关。

上述制备工艺简单，制造成本低；制备得高压等离子体薄膜开关为四电极结构，具有工作触发能量低、响应时间短，耐高温、高绝缘，体积小易与爆炸箔等集成等优点。

在其他实施方式中，本发明高压开关设计为三电极结构，其工作原理相同。三电极的结够示意图如图6所示，图7为三电极结构高压等离子体薄膜开关应用于冲击片雷管起爆装置电路示意图。

Claims (7)

1.一种高压等离子体薄膜开关，包括绝缘基底、分布于绝缘基底上开关电极及覆盖于开关电极上的聚酰亚胺薄膜，其中开关电极包括两触发电极与主电极，两触发电极间通过桥膜连接，主电极位于桥膜侧面，且与桥膜之间存在开关间隙；其特征在于，所述桥膜为多层复合含能桥膜。

2.按权利要求1所述一种高压等离子体薄膜开关，其特征在于所述主电极为单电极，主电极位于多层复合含能桥膜一侧，且与多层复合含能桥膜之间存在开关间隙。

3.按权利要求1所述一种高压等离子体薄膜开关，其特征在于所述主电极为一对电极，两主电极相对分布于多层复合含能桥膜两侧，且多层复合含能桥膜之间开关间隙相等。

4.按权利要求1所述一种高压等离子体薄膜开关，其特征在于所述多层复合含能桥膜为B/Ti、Al/Ni、Al/金属氧化物或Al/聚四氟乙烯多层复合含能桥膜。

5.按权利要求1所述一种高压等离子体薄膜开关，其特征在于所述聚酰亚胺薄膜完全覆盖主电极与多层复合含能桥膜之间开关间隙，露出开关电极接触部分。

6.按权利要求1所述一种高压等离子体薄膜开关的制备方法，其特征在于包括：

（1）先后采用丙酮、酒精、去离子水、超生波依次清洗绝缘基片，然后采用丝网印刷技术在基片表面沉积银电极，作为触发电极与主电极，电极厚度为2～4um；

（2）将沉积得开关电极的基片与掩膜板重合，使得掩膜板上的设计桥区位于两触发电极之间；然后置于磁控溅射腔体内，将靶材换为钛靶和硼靶，钛靶对应直流功率源、硼靶对应射频功率源，关闭腔体、启动磁控溅射仪器，抽真空至6x10^-4Pa以下；通入氩气、调节流量率为20～30SCCM，设定直流功率源功率为100W，射频功率源功率为200W；通过移动基片位置交替沉积Ti、B各15～40层，其中第一层为Ti，每层厚度为200nm，即得B/Ti多层复合含能桥膜，连接两触发电极；

（3）将步骤（2）处理好样品取出后用酒精将表面擦洗干净，待酒精挥发后在其表面覆盖一层聚酞亚胺薄膜，做到完全覆盖主电极与多层复合含能桥膜之间开关间隙、露出开关电极接触部分；

（4）最后用划片机将基片切割得到高压等离子体薄膜开关。

7.按权利要求6所述一种高压等离子体薄膜开关的制备方法，其特征在于，步骤（2）中磁控溅射对应靶材采用铝靶与镍靶、铝靶与金属氧化物或铝靶与聚四氟乙烯，铝靶对应直流功率源、镍靶、金属氧化物或聚四氟乙烯对应射频功率源，交替溅射沉积得Al/Ni、Al/金属氧化物或Al/聚四氟乙烯多层复合含能桥膜。