平面固体高压开关[发明专利]

*CN1029460A*

(10)申请公布号 CN 1029460 A(43)申请公布日 2013.02.27

(12)发明专利申请

(21)申请号 201210404458.4(22)申请日 2012.10.22

(71)申请人北京理工大学

地址100081 北京市海淀区中关村南大街5

号(72)发明人曾庆轩 吕军军 李明愉(74)专利代理机构北京润泽恒知识产权代理有

限公司 11319

代理人苏培华(51)Int.Cl.

H01T 1/00(2006.01)H01T 1/22(2006.01)H01T 21/00(2006.01)

权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页权利要求书1页 说明书5页 附图2页

()发明名称

平面固体高压开关(57)摘要

本发明提供了一种平面固体高压开关，以解决气体绝缘的高压开关性能不稳定的问题。所述一种平面固体高压开关包括：绝缘基底、正电极、正电极焊接板、负电极、负电极焊接板、触发电极、两个触发电极焊接板以及绝缘层；其中，正电极、正电极焊接板、负电极、负电极焊接板、触发电极和触发电极焊接板位于绝缘基底表面，绝缘层覆盖正电极、负电极以及位于正电极和负电极之间的触发电极；正电极焊接板和正电极相连，负电极焊接板和负电极相连，两个触发电极焊接板分别和触发电极的两端相连。本发明提高了开关在使用中的安全性和可靠性。CN 1029460 ACN 1029460 A

权 利 要 求 书

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1.一种平面固体高压开关，其特征在于，包括：绝缘基底、正电极、正电极焊接板、负电极、负电极焊接板、触发电极、两个触发电极焊接板以及绝缘层；

其中，正电极、正电极焊接板、负电极、负电极焊接板、触发电极和触发电极焊接板位于绝缘基底表面，绝缘层覆盖正电极、负电极以及位于正电极和负电极之间的触发电极；正电极焊接板和正电极相连，负电极焊接板和负电极相连，两个触发电极焊接板分别和触发电极的两端相连。

2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：使用时正电极焊接板连接电容正极，负电极焊接板连接电容负极，触发电极两个焊接板分别与触发电源的正负极相连。

3.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：所述正电极和负电极关于触发电极对称。4.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：所述绝缘基底为硅基底，玻璃基底，石英基底或者陶瓷基底。5.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：所述绝缘层为固体绝缘介质。6.根据权利要求5所述的开关，其特征在于：所述绝缘层为聚酰亚胺、聚对二甲苯或者环氧树脂。7.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：所述正电极和负电极为半圆形或者梯形；

所述正电极焊接板和负电极焊接板为正方形或者圆形；所述触发电极为条带状，所述触发电极焊接板为正方形或者圆形。8.根据权利要求1所述的开关，其特性在于：所述正电极、负电极、触发电极以及电极焊接板的材料为铜、铝或钨。9.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：所述绝缘基底为边长是1厘米的正方形，所述绝缘基底的最小厚度为50微米；所述绝缘层的最小厚度为30微米；所述正电极焊接板、负电极焊接板和触发电极焊接板的最小厚度为3微米；所述正电极和负电极之间的最小距离为50微米。10.根据权利要求7所述的开关，其特征在于：

所述正电极和负电极为半径是1000微米的半圆形或者下底为2000微米的梯形；所述正电极焊接板和负电极焊接板为边长是2000微米的正方形或者直径为2000微米的圆形；

所述触发电极焊接板为边长是500微米的正方形；所述条带状触发电极的最小宽度为10微米。

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说 明 书平面固体高压开关

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技术领域

[0001]

本发明涉及一种平面固体高压开关。

背景技术

目前立体式的气体火花隙开关和真空开关都以传统的机械加工为基础，气体开关

与真空开关相比，其工作电压范围较为明显，一般气体开关工作电压不大于其静态击穿电压(SBV，Static breakdown voltage)的80％-90％，当工作电压低于静态击穿电压的50％时，开关工作不可靠。真空开关比气体开关加工制作工艺要复杂很多，因为真空开关对真空度要求特别严格，如果内部存有残留气体或污染物，对真空开关的影响较为明显。因此真空开关电极材料需要经过精细的脱气处理，其生产成本较高。[0003] 目前开关的小型化、微型化是人们研究的热点，高压开关的小型化和微型化尤为重要，一方面，高压开关小型化和微型化可降低系统体积，便于开关和其它器件的集成。另一方面，实现批量生产也是人们努力的方向，批量化生产可以提高器件一致性，作用的可靠性，降低器件的成本。

[0004] 现有的高压开关由于采用传统的机械加工工艺，体积较大不便于和其它器件集成使用，而且接入电路会产生较大的电感。目前虽然有一些体积较小的开关，但是这些开关在一定气体氛围下工作，所以工作电压范围较为明显，受强烈震动和强电磁辐射环境影响，实际使用场合受到。

[0002]

发明内容

[0005] 本发明提供一种平面固体高压开关，以解决气体绝缘的高压开关性能不稳定的问题。

[0006] 为了解决上述问题，本发明公开了一种平面固体高压开关，包括：[0007] 绝缘基底、正电极、正电极焊接板、负电极、负电极焊接板、触发电极、两个触发电极焊接板以及绝缘层；[0008] 其中，正电极、正电极焊接板、负电极、负电极焊接板、触发电极和触发电极焊接板位于绝缘基底表面，绝缘层覆盖正电极、负电极以及位于正电极和负电极之间的触发电极；正电极焊接板和正电极相连，负电极焊接板和负电极相连，两个触发电极焊接板分别和触发电极的两端相连。[0009] 优选地，所述开关在使用时正电极焊接板连接电容正极，负电极焊接板连接电容负极，触发电极两个焊接板分别与触发电源的正负极相连。[0010] 优选地，所述正电极和负电极关于触发电极对称。[0011] 优选地，所述绝缘基底为硅基底，玻璃基底，石英基底或者陶瓷基底。优选地，所述绝缘层为固体绝缘介质。[0013] 优选地，所述绝缘层为聚酰亚胺、聚对二甲苯或者环氧树脂。[0014] 优选地，所述正电极和负电极为半圆形或者梯形；

[0012]

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说 明 书

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所述正电极焊接板和负电极焊接板为正方形或者圆形；

[0016] 所述触发电极为条带状，所述触发电极焊接板为正方形或者圆形。[0017] 优选地，所述正电极、负电极、触发电极以及电极焊接板的材料为铜、铝或钨。[0018] 优选地，所述绝缘基底为边长是1厘米的正方形，所述绝缘基底的最小厚度为50微米；

[0019] 所述绝缘层的最小厚度为30微米；[0020] 所述正电极焊接板、负电极焊接板和触发电极焊接板的最小厚度为3微米；[0021] 所述正电极和负电极之间的最小距离为50微米。[0022] 优选地，所述正电极和负电极为半径是1000微米的半圆形或者下底为2000微米的梯形；

[0023] 所述正电极焊接板和负电极焊接板为边长是2000微米的正方形或者直径为2000微米的圆形；

[0024] 所述触发电极焊接板为边长是500微米的正方形；[0025] 所述条带状触发电极的最小宽度为10微米。[0026] 与现有技术相比，本发明包括以下优点：

[0027] 本发明采用固体绝缘介质填充在开关的正负电极之间，因此受震动、辐射和温度等因素的影响较小，可以在高低温，强电辐射等恶劣环境下可靠工作，开关性能稳定，本发明提高了开关在使用中的安全性和可靠性。[0028] 本发明采用微机电加工技术，使得开关体积较小，易于和其他器件集成使用，加入电路不会产生较大的电感，而且加工方法简单，工序较少，容易实现批量化生产，降低了开关了生产成本。本发明可用于隔断高压或需要开关触发时快速放电的场合，例如：点火装置、爆炸箔起爆等。附图说明

[0029] 图1是本发明实施例一种平面固体高压开关的示意图；

[0030] 图2是本发明实施例一种绝缘基底表面形成半圆正负电极和触发电极的示意图；[0031] 图3是本发明实施例另一种绝缘基底表面形成梯形正负电极和触发电极的示意图；

[0032] 图4是本发明实施例平面固体高压开关的应用电路图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0034] 实施例一：[0035] 参照图1，示出了本发明一种平面固体高压开关的示意图，本实施例具体可以包括：

[0036] 绝缘基底101、正电极102、负电极103、正电极焊接板104、负电极焊接板105、触发电极106、触发电极焊接板107、触发电极焊接板108以及绝缘层109；[0037] 其中，正电极102、负电极103、正电极焊接板104、负电极焊接板105、触发电极

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说 明 书

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106、触发电极焊接板107和触发电极焊接板108位于绝缘基底101的表面上，绝缘层109覆盖正电极102、负电极103以及位于正电极102和负电极103之间的触发电极106；正电极焊接板104和正电极102相连，负电极焊接板105和负电极103相连，两个触发电极焊接板分别和触发电极106的两端相连，具体地，触发电极焊接板107连接触发电极106的一端，触发电极焊接板108连接触发电极106的另一端。[0038] 需要说明的是，本实施例中绝缘层109只要覆盖住正电极102、负电极103以及位于正电极102和负电极103之间的触发电极106即可，但是实际制作时，绝缘层部分往往稍大点，也会覆盖一部分正电极焊接板104、负电极焊接板105、触发电极焊接板107和触发电极焊接板108，如图1阴影部分所示的绝缘层109。实际制造中，首先采用甩胶或者气相化学蒸镀的方法在整个绝缘基底表面覆盖一层绝缘层，然后采用微机电加工的方法去除不需要的部分，从而露出部分开关正负焊板和触发电极焊板部分。未去除绝缘层起到覆盖绝缘的作用。

[0039] 需要说明的是，绝缘层在触发电极加电压之前，起到隔断高压的作用，另外，绝缘层还可以起到防潮、防污染、使开关间隙的放电受温度影响较小的作用，而且在放电过程中，由于开关正电极、负电极表面覆盖有绝缘层，可以避免电极的过度烧蚀。[0040] 本实施例中，正电极102和负电极103关于触发电极106对称，以触发电极作为对称轴。而且从图1可以看出，正电极、正电极焊接板和负电极、负电极焊接板为轴对称图形。[0041] 本实施例中触发电极位于正电极和负电极之间，触发电极与正电极的距离和触发电极与负电极的距离相同。本实施例中所述正电极和负电极之间的最小距离为50微米，所述条带状触发电极的最小宽度为10微米。[0042] 本实施例中，正电极和负电极均为半圆形，正电极焊接板和负电极焊接板均为正方形，且半圆形的半径为正方形的边长的一半。本实施例中触发电极为条带状，触发电极焊接板为正方形。需要说明的是，在本实施例的优选实施例中，所述正电极和负电极还可以为梯形，所述正电极焊接板和负电极焊接板还可以为圆形，所述触发电极焊接板还可以为圆形。例如，所述正电极和负电极为半径是1000微米的半圆形或者下底为2000微米的梯形；所述正电极焊接板和负电极焊接板为边长是2000微米的正方形或者直径为2000微米的圆形；所述触发电极焊接板为边长是500微米的正方形。当然在实际应用中所述正电极和负电极还可以为其他特殊形状，例如：三角形、菱形等。[0043] 具体地，例如图2所示，其中正电极202和负电极203为半圆形，所述正电极焊接板204和所述负电极焊接板205为圆形，所述半圆形的半径与所述圆形的半径相等，所述触发电极焊接板为圆形。[0044] 又如图3所示，其中正电极302和负电极303为梯形，所述正电极焊接板304和所述负电极焊接板305为正方形，所述梯形的下底与所述正方形的边长相等，所述触发电极焊接板为正方形。

[0045] 当然正电极和负电极也可以为梯形，正电极焊接板和负电极焊接板也可以为圆形，且梯形的下底与所述圆形的直径相等，本实施例对此不做。[0046] 需要说明的是，本实施例中绝缘基底可以为硅基底，玻璃基底，石英基底或者陶瓷基底。本实施例中绝缘层为固体绝缘介质，例如聚酰亚胺、聚对二甲苯或者环氧树脂。本实施例中正电极、负电极、触发电极以及电极焊接板的材料可以为铜、铝或钨。本实施例中，正

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说 明 书

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负电极、正负电极焊板、触发极、触发极焊接板均由金属膜层构成，金属膜层采用微加工工艺制备，例如采用磁控溅射，电镀或气相化学沉积的方法。[0047] 本实施例中上述绝缘基底为边长是1厘米的正方形，绝缘基底的最小厚度为50微米，绝缘层的最小厚度为30微米，实际制造时绝缘层的厚度一般为30微米到50微米之间。本实施例中上述正电极焊接板、负电极焊接板和触发电极焊接板的最小厚度为3微米。本实施例采用固体绝缘介质填充在开关的正负电极之间，因此受震动、辐射和温度等因素的影响较小，可以在高低温，强电辐射等恶劣环境下可靠工作，开关性能稳定，本实施例提高了开关在使用中的安全性和可靠性。[0049] 实施例二：[0050] 参照图4，示出了本发明平面固体高压开关的应用电路图，本实施例具体可以包括：

[0051] 绝缘基底401、正电极402、负电极403、正电极焊接板404、负电极焊接板405、触发电极406、触发电极焊接板407、触发电极焊接板408、绝缘层409以及开关使用时连接的电容410、触发电源411和电子开关412。[0052] 其中，正电极402、负电极403、正电极焊接板404、负电极焊接板405、触发电极406、触发电极焊接板407和触发电极焊接板408位于绝缘基底401的表面上，绝缘层409覆盖正电极402、负电极403以及位于正电极402和负电极403之间的触发电极406；正电极焊接板404和正电极402相连，负电极焊接板405和负电极403相连，两个触发电极焊接板分别和触发电极106的两端相连，具体地，触发电极焊接板407连接触发电极406的一端，触发电极焊接板408连接触发电极406的另一端。

[0053] 本实施例中平面固体高压开关的结构可以参见实施例一种图1所示的固体高压开关的相关描述，本实施例在此不再赘述。

[00] 上述正电极焊接板404连接电容410的正极，负电极焊接板连接电容410的负极，触发电极两个焊接板分别与触发电源411的正负极相连，具体地，触发电极焊接板407与触发电源411的负极相连，触发电极焊接板408与触发电源411的正极相连。开关使用之前，触发电源的电子开关412处于断开状态。[0055] 开关使用时，正电极焊接板404连接电容410的正极，负电极焊接板连接电容410的负极，在间隙中形成强电场，触发电极406加电压之前，该强电场不足以击穿正电极402、负电极403之间的间隙，电子开关412处于断开状态。接着给触发电极406加一个相对于负电极403的负高压，在负高压的作用下，可使得正电极402与触发电极406之间的间隙和负电极403与触发电极406之间的间隙同时击穿，或者其中一个间隙首先击穿，从而在正电极402、负电极403之间形成放电通道。

[0048]

在本实施例中，上述电容410为0.22微法，电容充电电压为2500伏，在给定的放电回路中，放电回路中峰值电流可达2500安培，放电时间为30纳秒，第一电流峰值时间为250纳秒。在同样的回路中，该平面固体开关的性能与立体式三电极火花隙开关的放电性能相当，但平面固体开关具有较大的体积优势和便于集成的特点。[0057] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。[0058] 以上对本发明所提供的一种平面固体高压开关，进行了详细介绍，本文中应用了

[0056]

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说 明 书

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具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

图4

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