CN110966894A - 基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片，该平面高压开关集成爆炸箔芯片包括：基底层、金属层A、塑料薄膜层、金属层B和光刻胶层。基底层在平面高压开关部分作为载体，爆炸箔起爆器部分作为反射背板；金属层A置于基底层之上，开关部分作为下电极，爆炸箔部分作为桥区、过渡区和焊盘区；塑料薄膜层置于金属层A之上，在开关部分作为绝缘层，在爆炸箔部分作为飞片材料；金属层B是开关部分的诱发元，光刻胶层在开关部分作为约束层，在爆炸箔部分作为加速膛。本发明将高压开关和爆炸箔进行一体化集成，缩短了体积和放电回路，提高了能量利用率；此外，利用微机电加工技术，降低成本的同时，保证了芯片的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片。
背景技术
脉冲功率技术是一种使用高电压、大电流、高功率的短脉冲技术。一般说来，脉冲功率装置包括初级能源、中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统、测量系统和负载。其形成过程是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，向中间储能和脉冲形成系统注入能量；再次，能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化，等某些复杂过程之后，最后快速释放给负载，脉冲放电时在负载上的功率一般在106W以上。
高压开关的性能对脉冲的上升时间、幅值有着重要的影响。高压开关的闭合速度是其中最重要的性能要求，表明了允许脉冲电流通过的能力，高压开关的电阻和电感则决定了其性能，低阻抗、低感抗的高压开关带来的能量损失更小，因此，高压开关在脉冲功率系统中占有特殊的地位。
爆炸箔起爆器系统(Exploding Foil Initiator system，EFIs)的概念是由美国劳伦斯利弗莫尔实验室于20世纪60年代提出的，通过高压开关的闭合，使储存在脉冲功率电容中的电能释放，使放电回路中产生数千安培的脉冲大电流，当经过金属桥区时，汽化金属，使之发生电爆炸，然后在金属蒸汽的驱动下，剪切、驱动飞片，经过加速膛加速冲击起爆炸药。由此可见，高压开关对于爆炸箔起爆器而言，是一项极为关键的技术，因而引起了国内外研究人员的广泛关注。
早期的高压开关多采用真空火花开关，时至今日，其仍然占有巨大的市场。然而随着爆炸箔起爆器的小型化和低能化发展，传统的真空火花开关在低电压下已经不能稳定工作，并且其庞大的体积也不利于爆炸箔起爆系统的小型化。
随着MEMS技术的发展，高压开关的发展出现了一种平面化、小型化的趋势。例如，三电极真空火花开关被平面化为平面三电极开关，然而开关寿命大大缩短，通常只能工作几次；此外，平面三电极开关的工作环境多为空气氛围，因而高压开关的性能极不稳定，如何将气体进行密封在微型腔室内，或者如何形成真空并维持其真空度，成为了最大的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片，芯片包括基底层、金属层A、塑料薄膜层、金属层B和光刻胶层，所述的基底层中平面高压开关部分作为载体，爆炸箔起爆器部分作为反射背板；所述的金属层A置于基底层之上，其开关部分作为下电极，其爆炸箔部分作为过渡区、桥区、和焊盘；所述的塑料薄膜层置于金属层A之上，其开关部分作为绝缘层，其爆炸箔部分作为飞片；所述的金属层B置于塑料薄膜层之上，作为开关部分的诱发元，包括微型桥箔、过渡区和焊盘；所述的光刻胶层置于金属层B之上，其开关部分作为约束层，其爆炸箔部分作为加速膛。
进一步的，金属层A和金属层B均包括桥区、过渡区、焊盘，其中过渡区为从两端到中间逐渐收缩并通过桥区连接区域。
进一步的，过渡区包括梯形或半圆形。
进一步的，桥区与过渡区之间的夹角在30°～90°之间，桥区与过渡区之间的圆角曲率半径在0.01mm～0.5mm之间。
进一步的，半圆形过渡区的曲率半径在1mm～10mm之间。
进一步的，基底层的材料是陶瓷、玻璃、PMMA中的一种。
进一步的，金属层A和金属层B通过磁控溅射工艺沉积在基底层之上，并通过紫外光刻刻蚀出需要的图形。
进一步的，金属层A和金属层B中的金属是Au、Ag、Cu、Al、Al/Ni金属导体或合金中的一种。
进一步的，塑料薄膜层通过物理气相沉积、化学气相沉积、热蒸发、电子束蒸发、旋涂、刮涂方法制备得到，塑料薄膜层是派瑞林(Parylene)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。
进一步的，光刻胶层由具有高深宽比图形的光刻胶，所述的光刻胶是SU-8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、掺杂阳离子引发剂的环氧树脂中的一种。
与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)利用微机电加工技术使得高压开关得以平面化、体积更小，可以实现批量生产，从而提高了产品一致性，并降低了成本；(2)结构简单，加工工艺容易实现；(3)触发开关的能量适中，既具有一定的安全性，又能可靠作用；(4)操作简便。
附图说明
图1是基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片轮廓图。
图2是基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片三维结构图。
图3-a是基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片俯视图。
图3-b是基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片A-A剖面图。
图4是金属层A的示意图。
图5是金属层B的示意图。
图6是加速膛的示意图。
图7是基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片爆炸视图。
图8是本发明爆炸箔芯片起爆四型六硝基茋HNS-IV结果图。
其中，1是基底层，2是金属层A(2-a是下电极，2-b是过渡区，2-c是桥区，2-d是焊盘)，3是塑料薄膜层，4是金属层B(4-a是微型桥箔，4-b是过渡区，4-c是焊盘)，5是光刻胶层(5-a是约束层，5-b是加速膛)。
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。
结合图1～图7，所述平面高压开关集成爆炸箔芯片
包括基底层1、金属层A2、塑料薄膜层3、金属层B4和光刻胶层5。基底层1具有一定硬度和强度，在平面高压开关部分作为载体，在爆炸箔起爆器部分作为反射背板；所述金属层A2通过磁控溅射工艺沉积于基底层1之上，图形通过紫外光刻刻蚀而出，其在开关部分作为下电极2-a，在爆炸箔部分作为过渡区2-b、桥区2-c和焊盘2-d；所述塑料薄膜层3通过通过化学气相沉积等方法沉积于金属层A2之上，在开关部分作为绝缘层，在爆炸箔部分作为飞片材料；所述金属层B4与金属层A2工艺相同，沉积在塑料薄膜层3之上，作为开关部分的“诱发元”，包括微型桥箔4-a、过渡区4-b和焊盘4-c；所述光刻胶层5通过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影等工艺制备，置于金属层B之上，其在开关部分作为约束层5-a，在爆炸箔部分作为加速膛5-b。
实施例
结合图1～图7，所述平面高压开关集成爆炸箔芯片包括基底层1、金属层A2、塑料薄膜层3、金属层B4和光刻胶层5。所述基底层1在平面高压开关部分作为载体，在爆炸箔起爆器部分作为反射背板，此处为具有一定硬度和强度的厚度为0.8mm的陶瓷片，Al2O3含量99％；所述金属层A2通过磁控溅射工艺沉积于基底层1之上，此处为厚度100nm/4.6μm的W/Ti-Cu层，图形通过紫外光刻刻蚀而出，其在开关部分作为下电极2-a，在爆炸箔部分作为过渡区2-b、桥区2-c和焊盘2-d，其中桥区2-c是放电横截面面积最小的部分，面积为0.4mm×0.4mm，桥区2-c与过渡区2-b之间的圆角曲率半径为0.178mm；所述塑料薄膜层3通过通过化学气相沉积沉积于金属层A2之上，厚度为25μm，在开关部分作为绝缘层，其理论耐压值为5600V，在爆炸箔部分作为飞片材料，用以作为换能介质冲击起爆含能材料，此处为Parylene C聚氯代对二甲苯；所述金属层B4与金属层A2工艺相同，通过磁控溅射工艺沉积在塑料薄膜层3之上，此处为厚度100nm/3.6μm的W/Ti-Cu层，作为开关部分的“诱发元”，包括微型桥箔4-a、过渡区4-b和焊盘4-c，其中微型桥箔4-a是横截面最窄的部分，类似于金属层A2中的桥区2-c；所述光刻胶层5是一种可以制作高深宽比结构的材料，通过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影等工艺制备，置于金属层B4之上，厚度为0.4mm，其在开关部分作为约束层5-a，在爆炸箔部分作为加速膛5-b。
将平面高压开关集成爆炸箔芯片与外部脉冲功率单元相连接，对其进行性能测试。初步研究表明，在0.15μF触发回路电容充电300V的条件下，微型桥箔即发生电爆炸，击穿绝缘层Parylene C，使得共地极与高压极导通。当主放电回路中的电容容值为0.15μF，充电1000V时，即可起爆四型六硝基茋HNS-IV，其结果如图8所示。
Claims (10)
1.一种基于微箔电爆的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述芯片包括基底层(1)、金属层A(2)、塑料薄膜层(3)、金属层B(4)和光刻胶层(5)，所述的基底层(1)中平面高压开关部分作为载体，爆炸箔起爆器部分作为反射背板；所述的金属层A(2)置于基底层(1)之上，其开关部分作为下电极(2-a)，其爆炸箔部分作为过渡区(2-b)、桥区(2-c)、和焊盘(2-d)；所述的塑料薄膜层(3)置于金属层A(2)之上，其开关部分作为绝缘层，其爆炸箔部分作为飞片；所述的金属层B(4)置于塑料薄膜层(3)之上，作为开关部分的诱发元，包括微型桥箔(4-a)、过渡区(4-b)和焊盘(4-c)；所述的光刻胶层(5)置于金属层B(4)之上，其开关部分作为约束层(5-a)，其爆炸箔部分作为加速膛(5-b)。
2.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的金属层A(2)和金属层B(4)均包括桥区(2-c、4-a)、过渡区(2-b、4-b)、焊盘(2-d、4-c)，其中过渡区(2-b、4-b)为从两端到中间逐渐收缩并通过桥区(2-c、4-a)连接区域。
3.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的过渡区(2-b、4-b)包括梯形或半圆形。
4.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：桥区(2-c、4-a)与过渡区(2-b、4-b)之间的夹角在30°～90°之间，所述的桥区(2-c、4-a)与过渡区(2-b、4-b)之间的圆角曲率半径在0.01mm～0.5mm之间。
5.根据权利要求3中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的半圆形过渡区(2-b、4-b)的曲率半径在1mm～10mm之间。
6.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的基底层(1)的材料是陶瓷、玻璃、PMMA中的一种。
7.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的金属层A(2)和金属层B(4)通过磁控溅射工艺沉积在基底层(1)之上，并通过紫外光刻刻蚀出需要的图形。
8.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的金属层A(2)和金属层B(4)中的金属是Au、Ag、Cu、Al、Al/Ni金属导体或合金中的一种。
9.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的塑料薄膜层(3)通过物理气相沉积、化学气相沉积、热蒸发、电子束蒸发、旋涂、刮涂方法制备得到，所述的塑料薄膜层(3)层是派瑞林(Parylene)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种。
10.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成爆炸箔芯片，其特征在于：所述的光刻胶层(5)由具有高深宽比图形的光刻胶，所述的光刻胶是SU-8胶、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、掺杂阳离子引发剂的环氧树脂中的一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |