CN110966894B - 基于微箔电爆的平面高压开关集成***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***箔芯片,该平面高压开关集成***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,***箔***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,***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***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***箔部分作为加速膛。本发明将高压开关和***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***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***、开关转换***、测量***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***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***中占有特殊的地位。
***箔******(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***,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***。由此可见,高压开关对于***箔***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***箔***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***箔起爆***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***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***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,***箔***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***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***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***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***箔芯片轮廓图。
图2是基于微箔电爆的平面高压开关集成***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***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***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***箔芯片***视图。
图8是本发明***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***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***箔***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***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***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***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***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***箔***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***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***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***箔部分作为加速膛5-b。
将平面高压开关集成***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***,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 (7)
1.一种基于微箔电爆的平面高压开关集成***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,***箔***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***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***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***箔部分作为加速膛(5-b);
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;
所述的过渡区(2-b、4-b)包括梯形或半圆形;
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。
2.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成***箔芯片,其特征在于:所述的半圆形的过渡区(2-b、4-b)的曲率半径在1mm~10mm之间。
3.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成***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。
4.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成***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。
5.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成***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。
6.根据权利要求1中所述的平面高压开关集成***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)是派瑞林(Parylene)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(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***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
Date | Code | Title | Description |
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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 | ||
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