CN109341430B - 一种平面三电极驱动器及其制备方法 - Google Patents

一种平面三电极驱动器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电脉冲驱动及点火与起爆领域，具体涉及一种平面三电极驱动器及其制备方法。驱动器包括：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；聚合物飞片层：聚合物飞片层置于三电极层之上，且在阳极、阴极和触发极的端部预留焊盘区；加速膛：置于聚合物飞片层上方，加速膛为中空圆柱形，加速膛的膛孔直径根据三电极尺寸设计，需将三电极发生电爆炸的地方完全覆盖。本申请通过直接将平面三电极开关作为驱动器，简化了驱动系统的结构。本申请采用微机电系统工艺制备平面三电极驱动器，可以实现批量化生产。

Description

一种平面三电极驱动器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电脉冲驱动及点火与起爆技术领域，具体涉及一种平面三电极驱动器及其制备方法。
背景技术
电爆炸驱动是一项十分热门的研究，利用电爆炸产生的大量蒸汽和等离子体，可将之用于驱动、点火及起爆技术领域。例如，爆炸箔起爆器(Exploding Foil Initiator，EFI)，主要包括基片、爆炸桥箔、飞片层、加速膛和药剂，升压器将低压(约28V)升高至数千伏，并给高压电容充电，经高压开关导通，输出短脉冲大电流作用在桥箔上，桥箔发生剧烈电爆炸，产生大量蒸汽和等离子体，蒸汽和等离子体在加速膛中剪切并驱动飞片，飞片出加速膛口后具有每秒数千米的速度，直接撞击在猛炸药或者点火药表面，实现起爆或者点火功能。EFI广泛应用于核武器、反坦克导弹、空空导弹及鱼雷的引爆系统，另外，EFI在灵巧弹药、火箭发动机点火系统及多点起爆(点火)控制系统中也逐渐起到越来越重要的作用。
然而，现有利用电爆炸现象实现驱动的装置都包括开关部分和驱动器部分，导致整个驱动装置结构较复杂、体积较大以及制备成本较高。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种平面三电极驱动器及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种平面三电极驱动器，所述驱动器包括：
基片：在驱动器中作为反射背板；
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；
聚合物飞片层：聚合物飞片层置于三电极层之上，且在阳极、阴极和触发极的端部预留焊盘区；
加速膛：置于聚合物飞片层上方，加速膛为中空圆柱形，加速膛的膛孔直径根据三电极尺寸设计，需将三电极发生电爆炸的地方完全覆盖。
所述基片为陶瓷、金属或玻璃。
所述三电极层的材料为Au、Ag、Cu或Al。
所述聚合物飞片层的材料为PC、PI或PMMA。
所述主电极间隙为0.8mm-1.5mm，触发电极间隙为0.06mm-0.1mm，触发电极宽度为0.1mm-0.3mm，三电极层厚度为0.2μm-0.6μm。
所述焊盘的尺寸为长1.5mm-3mm×3mm-6mm；聚合物飞片层的厚度为20μm-30μm；加速膛直径为1.0mm-1.5mm；高度为0.4mm-0.8mm。
一种制备上述的平面三电极驱动器的方法，所述方法采用微机电系统工艺，具体包括如下步骤：
步骤一：清洗基片；
步骤二：制备三电极层：利用镀膜及光刻工艺在基片表面制备三电极层；
步骤三：制备聚合物飞片层：采用CVD、电子束蒸发或原位聚合在三电极层表面覆盖聚合物薄膜，形成飞片层；
步骤四：制备加速膛：采用光刻工艺，使用光刻胶在聚合物飞片层上方制备中空圆柱形的加速膛，即得到了平面三电极驱动器；
步骤五：在驱动器的基础上设计发火电路：将平面三电极驱动器和含有触发脉冲信号的高压电源组成串联电路，首先在三电极的阳极和阴极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，从而导通主高压，即能完成驱动功能。
所述步骤一中清洗基片具体为采用去离子水、丙酮和乙醇，依次在超声中清洗基片，直至基片表面被洗净。
所述步骤四中的光刻工艺具体为通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影工艺制备图形化的加速膛。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本申请通过直接将平面三电极开关作为驱动器，简化了驱动系统的结构，提高系统的集成度；
(2)本申请采用MEMS工艺制备平面三电极开关，可以实现批量化生产，降低了制备成本。
附图说明
图1是本发明一种平面三电极驱动器的立体图。
图2是本发明一种平面三电极驱动器的俯视图。
图3是本发明一种平面三电极驱动器的制备工艺流程图；其中(a)为基片主视图，(a′)为基片俯视图；(b)为制备三电极层之后的主视图，(b′)为制备三电极层之后的俯视图；(c)为制备飞片层之后的主视图，(c′)为制备飞片层之后的俯视图；(d)为制备加速膛之后的主视图，(d′)为制备加速膛之后的俯视图。
图4是本发明一种平面三电极驱动器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-聚合物飞片层，4-加速膛。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-3所示，平面三电极驱动器包括基片1、三电极层2、聚合物飞片层3和加速膛4，采用镀膜及光刻等MEMS工艺可以在基片1上一体化制备出驱动器。所述三电极层2可以采用镀膜及光刻的方法制备，靶材选用Au或Ag或Cu或Al等任何一种材料；所述聚合物飞片层3可以采用CVD或者电子束蒸发或者原位聚合等方法制备，材料如PC、PI和PMMA；所述加速膛4可以采用光刻后具有高深宽比和拉伸强度的任何一种材料，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影的光刻工艺，将掩膜版上的目标图形转移到飞片层上方，实现加速膛的图形化，为一中空的圆柱，膛孔直径根据三电极层的尺寸设计，保证将电爆最大程度处包覆。所述平面三电极驱动器可以用于微型电脉冲驱动以及点火与起爆技术领域。
一种平面三电极驱动器包括基片1、三电极层2、聚合物飞片层3和加速膛4。该驱动器的制备过程如下：
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1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2，三电极层的阴极和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，制备聚合物飞片层3：采用CVD或电子束蒸发或原位聚合等方法在三电极层2表面覆盖PC、PI或者PMMA等聚合物薄膜，形成飞片层3。
第四步，制备加速膛4：加速膛起到约束飞片的作用，飞片在其中能被等离子体加速，因此在聚合物飞片层3上方，采用光刻后具有高深宽比和拉升强度较大的任何一种材料，通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影工艺制备图形化的加速膛4，为一中空圆柱形，膛孔直径根据三电极尺寸设计，但要将三电极发生电爆炸地方完全包覆，即能制备出平面三电极驱动器。
具体而言，首先在阴阳两主电极间施加高压，通过在触发电极与阴极间施加2000V-3000V脉冲电压，阴极与触发极间形成高的击穿场强使之击穿导通，产生大量的电子，电子与气体发生碰撞倍增过程，致使开关阴阳极瞬间导通。高电压下，电极产生蒸汽和等离子体。蒸汽和等离子体剪切及驱动飞片，在加速膛作用下，飞片出加速膛口时达到较高速度，可以完成驱动、点火及起爆功能。
实施例
本实施案例是在平面三电极驱动器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陶瓷基底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。
第三步，见图3(c)和(c′)，使用胶带粘贴在三个电极的端部，预留出约3mm焊盘，采用CVD方法沉积聚合物PC，厚度为20μm-30μm，剥离胶带后裸露焊盘，制备出PC飞片层4。
第四步，见图3(d)和(d′)，采用光刻工艺，使用SU-8光刻胶在PC飞片层4上方制备中空圆柱形的SU-8胶加速膛4，直径为1.0mm-1.5mm；高度为0.4mm-0.8mm。
第五步，见图4，在驱动器的基础上设计了发火电路：将一种平面三电极驱动器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-3000V电压)，从而导通1800V-2300V的主高压，即能完成驱动功能。

Claims (9)

1.一种平面三电极驱动器，其特征在于，所述驱动器包括：
基片(1)：在驱动器中作为反射背板；
三电极层(2)：设置在基片(1)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；
聚合物飞片层(3)：聚合物飞片层(3)置于三电极层(2)之上，且在阳极、阴极和触发极的后端部预留焊盘区；
加速膛(4)：置于聚合物飞片层(3)上方，加速膛(4)为中空圆柱形，加速膛(4)的膛孔直径根据三电极尺寸设计，需将三电极发生电爆炸的地方完全覆盖。
2.根据权利要求1所述的平面三电极驱动器，其特征在于，所述基片(1)为陶瓷、金属或玻璃。
3.根据权利要求1所述的平面三电极驱动器，其特征在于，所述三电极层(2)的材料为Au、Ag、Cu或Al。
4.根据权利要求1所述的平面三电极驱动器，其特征在于，所述聚合物飞片层(3)的材料为PC、PI或PMMA。
5.根据权利要求1所述的平面三电极驱动器，其特征在于，所述主电极间隙为0.8mm-1.5mm，触发电极间隙为0.06mm-0.1mm，触发电极宽度为0.1mm-0.3mm，三电极层(2)厚度为0.2μm-0.6μm。
6.根据权利要求1所述的平面三电极驱动器，其特征在于，所述焊盘的尺寸为1.5mm-3mm×3mm-6mm；聚合物飞片层(3)的厚度为20μm-30μm；加速膛(4)直径为1.0mm-1.5mm，高度为0.4mm-0.8mm。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述的平面三电极驱动器的方法，其特征在于，所述方法采用微机电系统工艺，具体包括如下步骤：
步骤一：清洗基片(1)；
步骤二：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；
步骤三：制备聚合物飞片层(3)：采用CVD、电子束蒸发或原位聚合在三电极层(2)表面覆盖聚合物薄膜，形成聚合物飞片层(3)；
步骤四：制备加速膛(4)：采用光刻工艺，使用光刻胶在聚合物飞片层(3)上方制备中空圆柱形的加速膛(4)，即得到了平面三电极驱动器；
步骤五：在驱动器的基础上设计发火电路：将平面三电极驱动器和含有触发脉冲信号的高压电源组成串联电路，在三电极的阳极和阴极电极间通过电容施加主高压，通过对开关触发电极施加触发脉冲信号，从而导通主高压，即能完成驱动功能。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤一中清洗基片具体为采用去离子水、丙酮和乙醇，依次在超声中清洗基片，直至基片表面被洗净。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤四中的光刻工艺具体为通过匀胶、前烘、曝光、后烘及显影工艺制备图形化的加速膛。
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