TWI478186B

TWI478186B - 耐高壓電極結構及其製造方法

Info

Publication number: TWI478186B
Application number: TW098126924A
Authority: TW
Inventors: Chen Hsu; Chih Ming Hu; Chun Yen Lin; Wen Sheng Lin; Shih Chieh Jang
Original assignee: Hermes Epitek Corp
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2015-03-21
Also published as: TW201106395A

Description

耐高壓電極結構及其製造方法

本發明係有關一種電極結構及其製造方法，特別是一種耐高電壓的電極結構及其製造方法。

圖1a為習知的一電極板與電弧路徑的示意圖。如圖所示，電極板100其上下設有另兩電極板200、300，當電極板100與電極板200或者電極板100與電極板300之間具有一高電壓差時，經由非傳導性介質如大氣或真空狀態的電子放電現象，一般稱為電弧現象(arcing)，便會產生。此處，如圖1a中，由電極板200至電極板100的電弧路徑稱為上電弧路徑(upper arcing path)；由電極板300至電極板100的電弧路徑稱為下電弧路徑(lower arcing path)。而上電弧路徑與下電弧路徑可形成單一等效電路示意圖如圖1b所示，其中電容C_100/200 與電容C_100/300 分別表示由兩平行的電極板100、200所形成的電容與兩平行的電極板100、300所形成的電容；電阻R₁₀₀ 在兩電弧路徑中分別與電容C_100/200 與電容C_100/300 串聯，以表示例如鋁材質所構成之電極板100的電阻。以上電弧路徑為例，當一電壓V_U 施加於電極板100時，電容C_100/200 的電壓可能會超過介電質的崩潰電壓(breakdown voltage)，而導致電弧現象，且此現象可視為電容C_100/200 形成短路。且由於為金屬材質的電阻R₁₀₀ 其電阻值小，此電路中便會產生大量的電流流經電阻R₁₀₀ ，而可能造成電極的功能失效。因此電極板100常由耐高溫金屬材質所構成，其具有高崩潰電壓，如鈦(titanium，Ti)、鎢(tungsten，W)或石墨(graphite)，或者在金屬表面改質以增加耐高電壓崩潰能力。

然而，即使選擇具有高崩潰電壓材質的金屬來作為電極的材質，因電弧現象導致的大量功率流失問題仍然沒有解決。因此，在維持電極板導電性下避免電弧現象產生，是極為必要的一件事。

本發明提出一種耐高壓電極結構及其製造方法，其係在一板狀導電基材設置一遮蔽層，利用遮蔽層披覆面積大於板狀導電基材之裸露面積以提升電極之崩潰電壓，而不導致電弧現象。本發明一實施例之耐高壓電極結構包括一板狀導電基材及設置於板狀導電基材之表面上的一遮蔽層。遮蔽層之材質為陶瓷材料且遮蔽層覆蓋板狀導電基材的遮蔽率大於50%。遮蔽層包括一第一遮蔽層與一第二遮蔽層，其中第一遮蔽層設置於板狀導電基材之一上表面以及第二遮蔽層設置於板狀導電基材之一下表面。

本發明一實施例之耐高壓電極結構更可包括一金屬層或是一金屬網格層設置於遮蔽層或是裸露的板狀導電基材上。

本發明一實施例之電極結構之製造方法，用以製造如上述之耐高壓電極結構，係形成遮蔽層於板狀導電基材之表面上。於不同實施例中，形成遮蔽層之方法包括但不限於微弧氧化陽極處理方法(Micro Arc Oxidization，MAO)和大氣電漿噴塗方法(Atmosphere Plasma Spray，APS)。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明係提供一種耐高壓電極結構及其製造方法，其係包括一板狀導電基板及設置於在板狀導電基板上的一遮蔽層，且遮蔽層之材質為陶瓷材料。所述之實施例僅為說明及敘述之目的，非用以限定本發明之範圍。

本發明一實施例請參考圖2a，圖2a為本發明一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。如圖所示，一板狀導電基材110，例如一電極板，其可為一薄板且材質可為金屬包含但不限於鋁(Al)、鈦(Ti)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鎢(W)等，或為非金屬，其中板狀導電基材110具有一上表面112、一下表面114及圍繞板狀導電基材110的一側壁115。一遮蔽層120，例如材質為陶瓷材料，設置於板狀導電基材110之上表面112與下表面114上，且部分板狀導電基材110暴露於遮蔽層120之外，例如側壁115，且遮蔽層120覆蓋板狀導電基材110之一遮蔽率大於50%。其中遮蔽層120包括一第一遮蔽層122以及一第二遮蔽層124，且第一遮蔽層122設置於板狀導電基材110之上表面112；第二遮蔽層124設置於板狀導電基材110之下表面114。由於遮蔽層120覆蓋板狀導電基材110之面積大於板狀導電基材110的裸露面積，因此可提升板狀導電基材110的崩潰電壓而不導致電弧現象。

接續上述，為解釋為何披覆大面積材質為陶瓷材料的遮蔽層後，可提高板狀導電基材110的崩潰電壓，請參考圖2b，圖2b為圖2a中電弧路徑的等效電路示意圖。在解釋之前，先請參考圖1a，電弧現象係發生於當另一個電極板200或300設置靠近於電極板100，且電極板100、200或電極板100、300之間的電壓差超過介電質的崩潰電壓。接著，參考圖2b，上、下電弧路徑共形成單一電路。上電弧路徑的等效電路由電容C_110/200 、R₁₁₀ 及R₁₂₂ 形成；其中電容C_110/200 表示板狀導電基材110與未示的電極板200之間的電容；R₁₁₀ 與R₁₂₂ 分別表示板狀導電基材110的電阻與遮蔽層122的電阻。下電弧路徑的等效電路由電容C_110/300 、R₁₁₀ 及R₁₂₄ 形成；其中電容C_110/300 表示板狀導電基材110與未示的電極板300之間的電容；R₁₁₀ 與 R₁₂₄ 分別表示板狀導電基材110的電阻與遮蔽層124的電阻。電弧路徑的一總阻抗R_T 等於電阻(R₁₂₂ +R₁₁₀ )//(R₁₂₄ +R₁₁₀ )的阻抗。由於由陶瓷材質所構成的遮蔽層，其電阻R₁₂₂ 或R₁₂₄ 的阻抗大，故總阻抗R_T 亦較大；因此，當施加一電壓V_U 或V_L 時，瞬間的電流流經阻抗為R_T 的電阻網路(resistive network)會產生大量的電壓降(voltage drop)，此電壓降會有效地降低電容C_110/200 、C_110/300 間的電壓，故可保護電容C_110/200 、C_110/300 避免崩潰。

如圖2a所示，遮蔽層120設置於板狀導電基材110之表面上的遮蔽率係大於50%。遮蔽率比率值之大小的選擇係為有意義地，其解釋如下。如圖3a所示為一相對實施例的電極結構之剖視示意圖，其遮蔽層120的遮蔽率約略只有50%或者更少。圖3a的等效電路圖繪示於圖3b中，其中上電弧路徑與下電弧路徑形成單一電路。此處，總阻抗為電阻(R₁₂₀ +R₁₁₀ )//R₁₁₀ 之阻抗，此係小於電阻R₁₁₀ 之阻抗。必然地，在具有此總阻抗之電阻網路下的電壓降係為小的，則電容C_110/200 、C_110/300 無法有效地被保護。

以下將介紹上述實施例的變形實施例，且以下實施例的等效電路分析相似於圖2a所示之實施例，故以下即不再贅述。

於一實施例中，遮蔽層120覆蓋板狀導電基材110之遮蔽率之較佳值約大於70%。於又一實施例中，遮蔽層120亦可完全覆蓋板狀導電基材110，遮蔽率可為100%，如圖4所示。

再來，請參考圖5a、圖5b、圖5c，圖5a、圖5b、圖5c為本發明又一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。如圖所示，與上述實施例之差異在於耐高壓電極結構更包括一金屬網格層130設置於未覆蓋遮蔽層120之板狀導電基材110上。不同實施例說明臚列於後，首先，請參閱圖5a，如圖所示，第一遮蔽層122係具有至少一開口123以暴露部分板狀導電基材110的上表面112，且金屬網格層130係設置於開口123處並覆蓋暴露出的部分上表面112。再來請參考圖5b，於此實施例中，第一遮蔽層122設置於板狀導電基材110之上表面112，且暴露部分上表面112，且金屬網格層130係設置於板狀導電基材110暴露出的部分上表面112上。更者，如圖5c所示，金屬網格層130亦可覆蓋開口123周圍的部分第一遮蔽層122。於上述實施例中，圖5a、圖5b、圖5c中僅列示金屬網格層130設置於板狀導電基材110的上表面112。但可以理解的是，相同結構亦可設置於板狀導電基材110的下表面114。此處即不贅述。

接續上述說明，於再一實施例中，如圖6a及圖6b所示，耐高壓電極結構更包括一金屬層140設置於未覆蓋遮蔽層120之板狀導電基材110的側壁115上。如圖6a所示，第一遮蔽層122與第二遮蔽層124係分別設置於板狀導電基材110之上表面112與下表面114，此外並暴露出上表面112的週緣與下表面112的週緣。金屬層140係設置於板狀導電基材110之側壁115並覆蓋暴露出的上表面112的週緣與暴露出之下表面114的週緣。接著，請參考圖6b，於又一實施例中，金屬層140係包覆設置於板狀導電基材110之側壁115並覆蓋部份上表面112與部份第一遮蔽層122，和部份下表面114與部分第二遮蔽層124。於上述兩實施例中，金屬層140皆可為金屬板或金屬網格層。

於一實施例中，請參考圖7，遮蔽層120可實質上完全覆蓋於板狀導電基材110上，且一金屬網格層130亦可直接形成於遮蔽層120上。亦或者，如圖8a所示，在遮蔽層120的遮蔽率大於50%的前提下，遮蔽層120可僅覆蓋部分板狀導電基材110之側壁115，而金屬網格層130可類似圖7之實施例所示，直接形成於遮蔽層120上；或者如圖8b所示，一金屬層140包覆暴露出的板狀導電基材110之側壁115與其上表面112，類似圖6a之實施例所示，亦可參考圖6b之實施例，使金屬層140更包覆遮蔽層120，其中金屬層140可為金屬板或金屬網格層。且於又一實施例中，如圖8c所示，設置於遮蔽層120上的金屬網格層130與設置於板狀導電基材110之側壁115與其上表面112的金屬層140可同時存在。

再者，於上述所有實施例中，可依照使用需求，於耐高壓電極結構上更可包括一貫孔結構116貫穿板狀導電基材110與遮蔽層120，如圖9所示，而貫孔結構116的側壁117皆可選擇性設置或不設置遮蔽層120。且可以理解的是，圖9所繪示之板狀導電基材110、遮蔽層120與金屬層130之結構配置僅為一實施例說明貫孔結構116，並不用以限定本發明之貫孔結構116僅能設置於此種配置結構上。

本發明一實施例之電極結構之製造方法，應用於如上述之耐高壓電極結構，此電極結構之製造方法係包括：提供板狀導電基材；以及形成遮蔽層於板狀導電基材之表面上。其中形成遮蔽層之方法包含但不限於微弧氧化陽極處理方法(Micro Arc Oxidization，MAO)和大氣電漿噴塗方法(Atmosphere Plasma Spray，APS)。且遮蔽層的遮蔽率如同上述實施例所描述須至少大於50%，且於一較佳的實施例中遮蔽率係大於70%，甚至可為100%。使陶瓷遮蔽層覆蓋於板狀導電基材上可使板狀導電基材上的電子均勻分佈以減緩過電壓的形成。

接續，於上述結構中，形成金屬板或金屬網格層之方法包含但不限定於電鍍法、無電鍍法及沉積方式。於又一實施例中，金屬板或金屬網格層係為預先製作好的板材成品或半成品，並利用鎖固的方式設置於未覆蓋該遮蔽層之板狀導電基材上。而貫孔結構的形成可於板狀導電基材直接衝壓、鑽孔或是其他方式形成；亦或者，可在形成遮蔽層且/或金屬層後再以適當方法形成。

依據上述，本發明的特徵之一係利用材質為陶瓷材料的遮蔽層覆蓋設置於板狀導電基材上，且遮蔽層的遮蔽率須大於暴露出的板狀導電基材。因此電弧現象有效地降低且板狀導電基材上的崩潰電壓有大大地提升。且裸露部份板狀導電基材和沉積導電網格可使耐高壓電極結構仍具有導電的特性。

綜上所述，本發明之一種耐高壓電極結構及其製造方法，利用遮蔽層披覆面積大於板狀導電基材之裸露面積以提升電極之崩潰電壓，且減少電弧現象。以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100、200、300‧‧‧電極板

C_100/200 、C_100/300 ‧‧‧電容

R₁₀₀ ‧‧‧電阻

V_U 、V_L ‧‧‧電壓

110‧‧‧板狀導電基材

112‧‧‧上表面

114‧‧‧下表面

115、117‧‧‧側壁

116‧‧‧貫孔結構

120‧‧‧遮蔽層

122‧‧‧第一遮蔽層

124‧‧‧第二遮蔽層

130‧‧‧金屬網格層

140‧‧‧金屬層

C_110/200 、C_110/300 ‧‧‧電容

R₁₁₀ 、R₁₂₀ 、R₁₂₂ 、R₁₂₄ ‧‧‧電阻

圖1a為習知電極結構之結構剖視圖及其電弧路徑。

圖1b為圖1a中電弧路徑的等效電路圖。

圖2a所示為根據本發明一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

圖2b為圖2a中電弧路徑的等效電路示意圖。

圖3a所示為一對照實施例的電極結構之剖視示意圖。

圖3b為圖3a中電弧路徑的等效電路示意圖。

圖4所示為根據本發明一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

圖5a、圖5b、圖5c為本發明又一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

圖6a及圖6b為本發明再一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

圖7為本發明一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

圖8a、圖8b、圖8c為本發明一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

圖9為本發明一實施例耐高壓電極結構之剖視示意圖。

110‧‧‧板狀導電基材

112‧‧‧上表面

114‧‧‧下表面

115‧‧‧側壁

122‧‧‧第一遮蔽層

123‧‧‧開口

124‧‧‧第二遮蔽層

130‧‧‧金屬網格層

Claims

一種耐高壓電極結構，係包含：一板狀導電基材，具有一上表面、一下表面及圍繞該板狀導電基材的一側壁；以及一遮蔽層設置於該板狀導電基材之該上表面與該下表面上，並暴露出部分該板狀導電基材，其材質為陶瓷材料且具有一遮蔽率大於50%，其中該遮蔽層包含：一第一遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該上表面；以及一第二遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該下表面。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，其中該遮蔽率之較佳值約大於70%。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，更包含一金屬網格層設置於未覆蓋該遮蔽層之該板狀導電基材上。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，更包含一金屬層設置於未覆蓋該遮蔽層之該板狀導電基材上與部分該遮蔽層上。
如請求項4所述之耐高壓電極結構，其中該金屬層可為金屬板或金屬網格層。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，更包含一金屬板或一金屬網格層設置於該遮蔽層上。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，其中該遮蔽層覆蓋部分該板狀導電基材之側壁。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，更包含一貫孔結構貫穿該板狀導電基材與該遮蔽層。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，其中該板狀導電基材係為一薄板。
如請求項1所述之耐高壓電極結構，其中該板狀導電基材之材質可為金屬或非金屬。
一種電極結構之製造方法，應用於如請求項1之耐高壓電極結構，該電極結構之製造方法係包含：提供該板狀導電基材；以及形成該遮蔽層於該板狀導電基材之該上表面與該下表面上。
如請求項11所述之電極結構之製造方法，其中形成該遮蔽層之方法包含微弧氧化陽極處理方法(Micro Arc Oxidization，MAO)和大氣電漿噴塗方法(Atmosphere Plasma Spray，APS)。
如請求項11所述之電極結構之製造方法，其中該遮蔽率之較佳值約大於70%。
如請求項11所述之電極結構之製造方法，更包含形成一金屬網格層於未覆蓋該遮蔽層之該板狀導電基材上。
如請求項14所述之電極結構之製造方法，其中形成該金屬網格層之方法包含電鍍法、無電鍍法及沉積方式。
如請求項14所述之電極結構之製造方法，其中該金屬網格層係為預先製作好的板材成品或半成品，並利用鎖固的方式設置於該未覆蓋該遮蔽層之該板狀導電基材上。
如請求項11所述之電極結構之製造方法，更包含形成一金屬層設置於未覆蓋該遮蔽層之該板狀導電基材上與部分該遮蔽層上。
如請求項17所述之電極結構之製造方法，其中形成該金屬層之方法包含電鍍法、無電鍍法及沉積方式。
如請求項11所述之電極結構之製造方法，更包含形成一金屬板或一金屬網格層設置於該遮蔽層上。
如請求項19所述之電極結構之製造方法，其中形成該金屬板或該金屬網格層之方法包含電鍍法、無電鍍法及沉積方式。
如請求項19所述之電極結構之製造方法，其中該金屬板或該金屬網格層係為預先製作好的板材成品或半成品，並利用鎖固的之方法設置於該遮蔽層上。
如請求項11所述之電極結構之製造方法，更包含形成一貫孔結構貫穿該板狀導電基材與該遮蔽層。
一種耐高壓電極結構，係包含：一板狀導電基材，具有一上表面、一下表面及圍繞該板狀導電基材的一側壁；一遮蔽層設置於該板狀導電基材之該上表面與該下表面上，並暴露出部分該板狀導電基材，其材質為陶瓷材料且具有一遮蔽率大於50%，其中該遮蔽層包含：一第一遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該上表面；及一第二遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該下表面；以及一金屬層包覆設置於該板狀導電基材之該側壁並覆蓋部份該上表面與部份該第一遮蔽層，和部份該下表面與部份該第二遮蔽層。
如請求項23所述之耐高壓電極結構，其中該金屬層可為金屬板或金屬網格層。
一種耐高壓電極結構，係包含：一板狀導電基材，具有一上表面、一下表面及圍繞該板狀導電基材的一側壁；一遮蔽層設置於該板狀導電基材之該上表面與該下表面上，並暴露出部分該板狀導電基材，其材質為陶瓷材料且具有一遮蔽率大於50%，其中該遮蔽層包含：一第一遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該上表面，且該第一遮蔽層具有至少一開口以暴露部分該上表面；及一第二遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該下表面；以及一金屬網格層設置於該開口處並覆蓋暴露出的部分該上表面。
如請求項25所述之耐高壓電極結構，其中該金屬網格層並覆蓋該開口周圍的部分該第一遮蔽層。
一種耐高壓電極結構，係包含：一板狀導電基材，具有一上表面、一下表面及圍繞該板狀導電基材的一側壁；一遮蔽層設置於該板狀導電基材之該上表面與該下表面上，並暴露出部分該板狀導電基材，其材質為陶瓷材料且具有一遮蔽率大於50%，其中該遮蔽層包含：一第一遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該上表面，且暴露部分該上表面；及一第二遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該下表面；以及一金屬網格層設置於該板狀導電基材暴露出的部分該上表面上。
一種耐高壓電極結構，係包含：一板狀導電基材，具有一上表面、一下表面及圍繞該板狀導電基材的一側壁；一遮蔽層設置於該板狀導電基材之該上表面與該下表面上，並暴露出部分該板狀導電基材，其材質為陶瓷材料且具有一遮蔽率大於50%，其中該遮蔽層包含：一第一遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該上表面並暴露出該上表面週緣；及一第二遮蔽層，設置於該板狀導電基材之該下表面並暴露出該下表面週緣；以及一金屬層設置於該板狀導電基材之該側壁並覆蓋暴露出的該上表面週緣與暴露出的該下表面週緣。
如請求項28所述之耐高壓電極結構，其中該金屬層可為金屬板或金屬網格層。