專利名稱：微型平面式氣體火花隙開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電工程技術(shù)領(lǐng)域的微型開關(guān)，具體是一種微型平面式氣體火花隙開關(guān)。
背景技術(shù)：
以傳統(tǒng)機(jī)械加工為基礎(chǔ)的氣體火花隙開關(guān)因其具有工作可靠、耐沖擊性強(qiáng)、產(chǎn)生 脈沖電流大、觸發(fā)時(shí)間短及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。傳統(tǒng)的氣體火花隙開關(guān)，不論是二 電極開關(guān)或是三電極開關(guān)，其加工方法都是在傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)上發(fā)展而來(lái)，很多情況 下是將難熔的金屬電極焊于密閉腔中，由于加工技術(shù)的限制，器件的體積往往較大，同時(shí)， 難熔金屬電極的焊接、固定和間距調(diào)制增加了加工的難度，極大地提高了制造成本。目前的氣體火花隙開關(guān)多采用機(jī)械焊接的方式進(jìn)行制作，即將不銹鋼、黃銅等難 熔金屬電極焊于密閉的陶瓷腔中，但是這種工藝必須要解決電極的焊接及固定問題，保證 各電極間的間距控制在毫米級(jí)或厘米級(jí)，并提高電極的平整度，以減少誤觸發(fā)，保證器件的 工作可靠性。另外，器件的平面化、微型化、批量化及降低制造成本也是人們努力的方向，因 此各種用以改善上述不足的氣體火花隙開關(guān)設(shè)計(jì)不斷被提出。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，王桂吉等在《強(qiáng)激光與粒子束》(2006年第18卷第 2期349-352頁(yè))發(fā)表了題為“平面火花隙三電極開關(guān)研制及性能測(cè)試”的論文，提出以聚 甲基丙烯酸甲酯為襯底，在其上焊接不銹鋼作為正負(fù)電極，黃銅金屬作為觸發(fā)電極的平面 火花隙三電極開關(guān)。但是該技術(shù)各電極的間距大，導(dǎo)致開關(guān)觸發(fā)時(shí)間長(zhǎng)；且器件的體積大， 不便于與其它器件集成和整合；觸發(fā)電極位于正負(fù)電極之間，使得產(chǎn)生的脈沖電流較小，不 便于實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種微型平面式氣體火花隙開 關(guān)。本發(fā)明通過(guò)微加工制造工藝制作正電極、負(fù)電極和觸發(fā)電極，可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的電極間 距，極大地減小了器件的整體結(jié)構(gòu)，縮短觸發(fā)時(shí)間；且觸發(fā)電極的位置較為靈活，可以置于 正負(fù)電極之間，也可以位于負(fù)電極中間，從而對(duì)產(chǎn)生的脈沖電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括絕緣襯底、正電極、第一負(fù)電極、第二負(fù)電極、觸發(fā)電極、正電極連接 單元、負(fù)電極連接單元和觸發(fā)電極連接單元，其中正電極、第一負(fù)電極、第二負(fù)電極、觸發(fā) 電極、正電極連接單元、負(fù)電極連接單元和觸發(fā)電極連接單元都位于絕緣襯底上，觸發(fā)電極 位于第一負(fù)電極和第二負(fù)電極中間或者是位于正電極與負(fù)電極的中間，第一負(fù)電極和第二 負(fù)電極鏡像放置，正電極連接單元與正電極相連，負(fù)電極連接單元分別與第一負(fù)電極和第 二負(fù)電極相連，觸發(fā)電極連接單元與觸發(fā)電極相連，正電極分別與第一負(fù)電極和第二負(fù)電 極相對(duì)放置，正電極接正電壓或者接地，第一負(fù)電極和第二負(fù)電極都接負(fù)電壓，觸發(fā)電極接 正電壓。
當(dāng)所述的觸發(fā)電極位于第一負(fù)電極和第二負(fù)電極中間時(shí)，觸發(fā)電極與每個(gè)負(fù)電極 的間距范圍為10微米一200微米。所述的正電極和負(fù)電極的間距范圍為500微米-2000微米。所述的絕緣襯底為石英襯底，或者為玻璃襯底。所述的正電極是半圓形柱體，或者是長(zhǎng)方體，正電極的橫截面積大于0. 05平方微 米，高度范圍為5微米-200微米。所述的負(fù)電極是四分之一圓柱體，或者是長(zhǎng)方體，橫截面積大于0.05平方微米， 高度范圍為5微米一200微米。所述的觸發(fā)電極是長(zhǎng)方體，或者是錐體，觸發(fā)電極最大的橫截面積大于0. 005平 方微米，高度范圍為5微米一200微米。所述的正電極連接單元是長(zhǎng)方體，或者是圓柱體，或者是長(zhǎng)方體與圓柱體組成的 連接體，正電極連接單元的橫截面積大于0. 05平方微米，高度范圍為5微米-200微米。所述的負(fù)電極連接單元是長(zhǎng)方體，或者是圓柱體，或者是長(zhǎng)方體與圓柱體組成的 連接體，負(fù)電極連接單元的橫截面積大于0. 05平方微米，高度范圍為5微米-200微米。所述的觸發(fā)電極連接單元是橫截面積大于0. 05平方微米的長(zhǎng)方體，或者是半徑 大于1毫米的圓柱體，觸發(fā)電極連接單元的高度范圍為5微米-200微米。本發(fā)明可以工作在普通空氣環(huán)境，以及各種高壓惰性氣體環(huán)境中。當(dāng)負(fù)電極加負(fù) 電壓、觸發(fā)電極加正電壓、正電極接地或加正電壓時(shí)，負(fù)電極和觸發(fā)電極間的高電壓引起負(fù) 電極和觸發(fā)電極間的氣體瞬間發(fā)生氣體火花擊穿，產(chǎn)生放電，誘發(fā)的電子在正電極間的吸 引下向正電極定向移動(dòng)，使正負(fù)電極發(fā)生導(dǎo)通，產(chǎn)生電流脈沖，實(shí)現(xiàn)大電流脈沖的輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是縮小了觸發(fā)電極與負(fù)電極、正電極與負(fù)電 極的間距，觸發(fā)電極和負(fù)電極間的微米級(jí)間距能夠降低觸發(fā)電壓，使得開關(guān)在較低的電壓 下就可以觸發(fā)，從而提高器件的可靠性和安全性，提高了氣體擊穿的強(qiáng)度和效果，縮短了觸 發(fā)時(shí)間，提高了脈沖電流的大小。另外，微機(jī)械生產(chǎn)制造工藝可以實(shí)現(xiàn)批量化的生產(chǎn)制作， 極大地降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明廣泛可應(yīng)用于各種脈沖電流的場(chǎng)合，如激發(fā)高能等離子體、爆炸箔起爆裝 置及汽車的點(diǎn)火裝置等，由觸發(fā)電極和負(fù)電極將兩者之間的空氣擊穿電離，從而導(dǎo)通正電 極與負(fù)電極，產(chǎn)生電流脈沖。


圖1是實(shí)施例1具有半圓形正負(fù)電極的微型平面式氣體火花隙開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2是實(shí)施例1的正電極與正電極連接單元、負(fù)電極與負(fù)電極連接單元的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖3是實(shí)施例1的負(fù)電極與負(fù)電極連接單元、觸發(fā)電極與觸發(fā)電極連接單元的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖4是實(shí)施例2具有長(zhǎng)方形正負(fù)電極的微型平面式氣體火花隙開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖5是實(shí)施例3觸發(fā)電極位于正負(fù)電極之間的微型平面式氣體火花隙開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-絕緣襯底、2-第一負(fù)電極、3-正電極、4-觸發(fā)電極、5-負(fù)電極連接單元、 6-正電極連接單元、7-觸發(fā)電極連接單元和8-第二負(fù)電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下 述的實(shí)施例。實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例包括絕緣襯底1、第一負(fù)電極2、第二負(fù)電極8、正電極3、觸 發(fā)電極4、負(fù)電極連接單元5、正電極連接單元6和觸發(fā)電極連接單元7，其中第一負(fù)電極2 和第二負(fù)電極8、正電極3、觸發(fā)電極4、負(fù)電極連接單元5、正電極連接單元6和觸發(fā)電極連 接單元7都固定在絕緣襯底1上，觸發(fā)電極4位于第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8中間，正電 極連接單元6與正電極3相連，負(fù)電極連接單元5分別與第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8相 連，觸發(fā)電極連接單元7與觸發(fā)電極4相連，兩塊負(fù)電極鏡像放置且兩塊負(fù)電極間的間距為 20微米，正電極4分別與第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8相對(duì)放置，間距為500微米，正電極 3接正電壓，第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8都接負(fù)電壓，觸發(fā)電極4接正電壓。所述的絕緣襯底1是玻璃襯底，其長(zhǎng)5000微米，寬2000微米，高50微米。所述的第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8為兩塊四分之一圓柱體，間距為50微米，圓 柱體半徑為500微米，高10微米，采用多次疊層電鍍鎳或銅金屬制作。負(fù)電極的作用是在 兩塊半圓形柱體間的氣體上施加一個(gè)負(fù)電壓，產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電場(chǎng)。所述的負(fù)電極連接單元5為一長(zhǎng)方體與圓柱體的連接體，分別與第一負(fù)電極2和 第二負(fù)電極8相連，其中圓柱體半徑為500微米，高10微米；長(zhǎng)方體長(zhǎng)1000微米，寬20微 米，高10微米，采用多次疊層電鍍鎳金屬制作。負(fù)電極連接單元5的作用是連接外界的電 壓源，為第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8提供所需的負(fù)電壓。所述的觸發(fā)電極4為一長(zhǎng)方體，尺寸為長(zhǎng)1000微米，寬20微米，高10微米，位于 第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8之間，其作用是當(dāng)觸發(fā)電極4上施加有一定正電壓時(shí)，可以極 大地增強(qiáng)第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8之間產(chǎn)生的電場(chǎng)，超過(guò)氣體的擊穿強(qiáng)度，產(chǎn)生火花擊 穿，誘發(fā)氣體電離，產(chǎn)生電子。所述的觸發(fā)電極連接單元7為一圓柱體，半徑為500微米，高10微米，與觸發(fā)電極 4連接，其作用是連接外界電壓源，為觸發(fā)電極4提供所需的正電壓。所述的正電極3為一半圓形柱體，半徑為500微米，高10微米，其作用是當(dāng)正電極 3接地或帶有一定正電壓時(shí)，正電極3將吸引觸發(fā)電極7和第一負(fù)電極2及第二負(fù)電極8之 間由于氣體放電產(chǎn)生的電子，電子向正電極3定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。所述的正電極連接單元6為一長(zhǎng)方體與圓柱體的連接體，圓柱體半徑為500微米， 高10微米；長(zhǎng)方體長(zhǎng)1000微米，寬100微米，高10微米，與正電極3相連，其作用是連接外 界的電壓源，為正電極3提供所需的正電壓。如圖2所示，本實(shí)施例中第一負(fù)電極2、第二負(fù)電極8、正電極3、負(fù)電極連接單元 5、正電極連接單元6采用多次疊層電鍍金屬鎳在絕緣襯底1上，第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8與正電極3相對(duì)，間距為500微米。如圖3所示，本實(shí)施例中第一負(fù)電極2、第二負(fù)電極8、負(fù)電極連接單元5、觸發(fā)電極4和觸發(fā)電極連接單元7電鍍?cè)诮^緣襯底1上，觸發(fā)電極4位于第一負(fù)電極2和第二負(fù) 電極8的之間，與第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8的間距為10微米。將外電路分別接于本實(shí)施例的負(fù)電極連接單元5、正電極連接單元6和觸發(fā)電極 連接單元7，即負(fù)電極連接單元5連接負(fù)電壓源、正電極連接單元6接地或連接正電壓源、觸 發(fā)電極連接單元7連接正電壓源后，由于第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8與觸發(fā)電極4間的 間隙很小，導(dǎo)致間隙間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)間隙中的氣體的耐擊穿強(qiáng)度，造成氣體的擊穿，產(chǎn)生 火花放電，氣體由于電離產(chǎn)生大量電子，此時(shí)帶正電壓的正電極3將吸引電子向正電極3作 定向運(yùn)動(dòng)，電子的定向移動(dòng)使得第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8與正電極3之間產(chǎn)生電流，發(fā) 生導(dǎo)通。由于火花放電在幾微秒到幾百微秒間發(fā)生，因此電子是在短時(shí)間內(nèi)大量生成的，而 第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8與正電極3的間距只有幾百微米到幾千微米，火花放電產(chǎn)生 的電子可以在納秒量級(jí)內(nèi)很快到達(dá)正電極3，從而在瞬間輸出一個(gè)巨大的電流脈沖。本實(shí)施例可以極大地提高電流脈沖的電流值，增強(qiáng)電流脈沖的輸出效果，便于與 電路系統(tǒng)集成整合，同時(shí)保證了極短的電流脈沖觸發(fā)時(shí)間。本實(shí)施例的電流脈沖峰值為 2000安培，觸發(fā)時(shí)間為170納秒。實(shí)施例2如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于絕緣襯底1為石英襯底，第一負(fù)電 極2、第二負(fù)電極8與正電極3的形狀都為長(zhǎng)方體。石英襯底可以提高基底的絕緣效果。第 一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8的間距為200微米，兩個(gè)負(fù)電極的尺寸都是長(zhǎng)為1000微米，寬 800微米，高200微米，采用多次疊層電鍍鎳或銅金屬制作。正電極3與第一負(fù)電極2、第二 負(fù)電極8的間距為1500微米，正電極3的尺寸為長(zhǎng)2000微米，寬800微米，高200微米， 采用多次疊層電鍍鎳或銅金屬制作。本實(shí)施例可以減小大電流脈沖對(duì)第一負(fù)電極2、第二負(fù)電極8、正電極3的破壞與 燒蝕，提高開關(guān)的觸發(fā)時(shí)間。本實(shí)施例的觸發(fā)時(shí)間為130納秒，電流脈沖峰值為2000安培。實(shí)施例3如圖5所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于觸發(fā)電極4位于負(fù)電極2與正電極 3之間，第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8的間距為100微米，正電極3為一半圓形柱體，半徑 為800微米，高100微米，與第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8的間距為800微米，采用多次疊 層電鍍鎳或銅金屬制作。觸發(fā)電極4與第一負(fù)電極2和第二負(fù)電極8的間距為50微米。本實(shí)施例可以改善第一負(fù)電極2、第二負(fù)電極8與觸發(fā)電極4之間的火花放電效 果，增強(qiáng)由火花放電產(chǎn)生的電子數(shù)量，從而提高脈沖電流的電流值。本實(shí)施例的電流脈沖峰 值為3000安培，觸發(fā)時(shí)間為180納秒。
權(quán)利要求
一種微型平面式氣體火花隙開關(guān)，包括絕緣襯底、正電極、第一負(fù)電極、第二負(fù)電極和觸發(fā)電極，其特征在于，還包括正電極連接單元、負(fù)電極連接單元和觸發(fā)電極連接單元，其中正電極、第一負(fù)電極、第二負(fù)電極、觸發(fā)電極、正電極連接單元、負(fù)電極連接單元和觸發(fā)電極連接單元都位于絕緣襯底上，觸發(fā)電極位于第一負(fù)電極和第二負(fù)電極中間或者是位于正電極與負(fù)電極的中間，第一負(fù)電極和第二負(fù)電極鏡像放置，正電極連接單元與正電極相連，負(fù)電極連接單元分別與第一負(fù)電極和第二負(fù)電極相連，觸發(fā)電極連接單元與觸發(fā)電極相連，正電極分別與第一負(fù)電極和第二負(fù)電極相對(duì)放置，正電極接正電壓或者接地，第一負(fù)電極和第二負(fù)電極都接負(fù)電壓，觸發(fā)電極接正電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，當(dāng)所述的觸發(fā)電極 位于第一負(fù)電極和第二負(fù)電極中間時(shí)，觸發(fā)電極與每個(gè)負(fù)電極的間距范圍為10微米-200 微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的正電極和負(fù) 電極的間距范圍為500微米-2000微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的絕緣襯底為 石英襯底，或者為玻璃襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的正電極是半 圓形柱體，或者是長(zhǎng)方體，正電極的橫截面積大于0. 05平方微米，高度范圍為5微米-200 微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的負(fù)電極是四 分之一圓柱體，或者是長(zhǎng)方體，橫截面積大于0. 05平方微米，高度范圍為5微米-200微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的觸發(fā)電極 是長(zhǎng)方體，或者是錐體，觸發(fā)電極最大的橫截面積大于0. 005平方微米，高度范圍為5微 米-200微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的正電極連接 單元是長(zhǎng)方體，或者是圓柱體，或者是長(zhǎng)方體與圓柱體組成的連接體，正電極連接單元的橫 截面積大于0. 05平方微米，高度范圍為5微米-200微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的負(fù)電極連接 單元是長(zhǎng)方體，或者是圓柱體，或者是長(zhǎng)方體與圓柱體組成的連接體，負(fù)電極連接單元的橫 截面積大于0. 05平方微米，高度范圍為5微米-200微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，其特征是，所述的觸發(fā)電極連 接單元是橫截面積大于0. 05平方微米的長(zhǎng)方體，或者是半徑大于1毫米的圓柱體，觸發(fā)電 極連接單元的高度范圍為5微米-200微米。
全文摘要
一種微機(jī)電工程技術(shù)領(lǐng)域的微型平面式氣體火花隙開關(guān)，包括絕緣襯底、正電極、第一負(fù)電極、第二負(fù)電極、觸發(fā)電極、正電極連接單元、負(fù)電極連接單元和觸發(fā)電極連接單元，其中觸發(fā)電極位于第一負(fù)電極和第二負(fù)電極中間或者是位于正電極與負(fù)電極的中間，第一負(fù)電極和第二負(fù)電極鏡像放置，正電極連接單元與正電極相連，負(fù)電極連接單元分別與第一負(fù)電極和第二負(fù)電極相連，觸發(fā)電極連接單元與觸發(fā)電極相連，正電極分別與第一負(fù)電極和第二負(fù)電極相對(duì)放置。本發(fā)明廣泛可應(yīng)用于各種脈沖電流的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)的電極間距，縮短了觸發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的快速觸發(fā)，并增強(qiáng)了輸出的脈沖電流的電流值；實(shí)現(xiàn)批量化的生產(chǎn)制作，極大地降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01T1/20GK101814701SQ20101018610
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者丁桂甫, 周鎮(zhèn)威, 楊卓青, 陸聞靜, 隋靈禾 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)