環(huán)氧樹脂高壓平面固體開關(guān)研究

李明愉，李志浩，曾慶軒，丁柯夫，吳興宇

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京，100081)

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環(huán)氧樹脂高壓平面固體開關(guān)研究

李明愉，李志浩，曾慶軒，丁柯夫，吳興宇

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京，100081)

摘 要：本研究首先使用Maxwell仿真軟件對環(huán)氧樹脂固體開關(guān)的可行性進(jìn)行分析，然后利用微電子機械加工技術(shù)，使用環(huán)氧樹脂作為開關(guān)的固體材料制得固體開關(guān)。對環(huán)氧樹脂固體材料的熱穩(wěn)定性，以及開關(guān)的靜態(tài)自由擊穿電壓、開關(guān)延遲時間進(jìn)行測試，并對觸發(fā)后的空氣開關(guān)與固體開關(guān)形貌進(jìn)行對比。結(jié)果表明：環(huán)氧樹脂可以承受300℃的高溫；在主電極和觸發(fā)電極距離0.08mm、觸發(fā)電壓2 000V條件下，高壓固體開關(guān)可被觸發(fā)；相同尺寸的固體開關(guān)比空氣開關(guān)耐壓400～600V，開關(guān)延遲時間約20ns；觸發(fā)后的固體開關(guān)損傷嚴(yán)重，不能重復(fù)使用。

關(guān)鍵詞：固體開關(guān)；高壓開關(guān)；環(huán)氧樹脂；靜態(tài)自由擊穿電壓；延遲

爆炸箔起爆系統(tǒng)因不與炸藥直接接觸，具有良好的耐機械沖擊、抗射頻、靜電、雜散電流及電磁干擾能力，并且作用迅速可靠，安全性高，具有較好應(yīng)用前景[1-3]。爆炸箔起爆系統(tǒng)中脈沖功率單元需要在幾十毫秒內(nèi)，將電能儲存于電容中，然后在幾百納秒內(nèi)迅速釋放，因此，高壓開關(guān)是整個放電單元中最重要的元件之一，其性能的好壞將直接決定儲能電容向橋箔傳輸能量的能力。一般來說高壓開關(guān)需要承受 l～3 kV的電壓，并且應(yīng)能使一個上升時間為 30～60 ns、峰值電流為 l～7 kA、峰值功率為 1.15 MW[4-5]的電流脈沖在觸發(fā)瞬間順利通過。

傳統(tǒng)的觸發(fā)管開關(guān)因為價格高、體積大已經(jīng)不能適應(yīng)爆炸箔起爆系統(tǒng)小型化集成化的要求，而平面開關(guān)憑借價格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點正在取代傳統(tǒng)的觸發(fā)管開關(guān)。氣體開關(guān)是平面開關(guān)中比較穩(wěn)定的一種開關(guān)，其電學(xué)性能與觸發(fā)管開關(guān)相似[6]，但是其對于氣體儲存艙室的密封性有較高要求，不能長時間儲存；再者，氣體儲存艙室中存在的灰塵可能會造成誤觸發(fā)的發(fā)生。因此如果使用一種穩(wěn)定的固體材料代替氣體，可以提高開關(guān)的儲存時間，從而提高開關(guān)穩(wěn)定性。

環(huán)氧樹脂是一種具有致密分子結(jié)構(gòu)的高分子化合物，其具有良好的物理及化學(xué)性能。此外環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能和附著能力，可與金屬、玻璃、陶瓷等材料粘結(jié)；其耐熱性好，可承受200多攝氏度的高溫；并且其還具有固化收縮率小、電絕緣性優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿的特點，能夠滿足爆炸箔起爆系統(tǒng)工作條件的要求，但利用環(huán)氧樹脂作為固體材料的高壓開關(guān)國內(nèi)外未見相關(guān)報道。

1　固體高壓開關(guān)的加工與固體材料熱分析

1.1固體開關(guān)的仿真

本文利用Maxwell 2D軟件進(jìn)行仿真計算：選取電極材料為銅，介質(zhì)材料為環(huán)氧樹脂，正負(fù)電極之間的距離為0.8 mm，觸發(fā)電極與負(fù)極之間的距離為0.08 mm；設(shè)置負(fù)極電壓為0 V，正極電壓為0 V，觸發(fā)極電壓為2 000 V。圖1為Maxwell仿真計算圖。

圖1　高壓開關(guān)Maxwell仿真圖Fig.1 Maxwell simulation of solid high-voltage planar switch

由圖1可知，觸發(fā)電極與主電極之間最大的場強出現(xiàn)于觸發(fā)電極的附近，電場強度為2.99′107V/m，接近環(huán)氧樹脂的擊穿場強3′107V/m，因此根據(jù)仿真結(jié)果2 000 V觸發(fā)電壓可以完成環(huán)氧樹脂材料的擊穿。

1.2固體高壓開關(guān)的加工

固體高壓平面開關(guān)的制備分為平面開關(guān)的制備與固體材料與開關(guān)的集成。其中平面開關(guān)的制備包括基片的清洗、磁控濺射鍍膜機濺射、甩光刻膠與烘干、光刻顯影與刻蝕和去膠5個部分。在平面開關(guān)制備好之后，對制得的平面開關(guān)進(jìn)行滴膠制得固體開關(guān)。本文研究中使用的固體材料為雙組分環(huán)氧樹脂的套裝材料，它由A和B兩部分組成，在不混合狀態(tài)下兩者呈液態(tài)，當(dāng)兩者混合后經(jīng)過一段時間變?yōu)楣虘B(tài)。其固化分為3步：（1） 環(huán)氧樹脂的混合：將A和B兩種液體取出，并以一定的質(zhì)量比混合。（2）環(huán)氧樹脂的攪拌與靜置：同一方向攪拌至其混合均勻，放入真空烘箱中保證膠內(nèi)部無氣泡，并將其靜置一段時間，將混合后的膠水滴至相關(guān)器件上。（3）環(huán)氧樹脂的固化：將混合好的膠放于水平臺面上，然后放置24h直到環(huán)氧樹脂全部固化，或?qū)⑵浞胖糜跍囟葹?0℃的烘箱內(nèi)2h，取出冷卻至室溫。圖2為封裝前后平面開關(guān)的照片。

圖2　固體平面開關(guān)的照片F(xiàn)ig.2 The picture of high-voltage planar switch

1.3環(huán)氧樹脂熱穩(wěn)定性分析

爆炸箔起爆系統(tǒng)可能需要在各種惡劣條件下正常工作，因此高壓平面固體開關(guān)需要在高溫等極端的環(huán)境下作用，其必須能夠經(jīng)受高溫環(huán)境，故需要對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試研究。本文使用熱重差熱綜合熱分析儀進(jìn)行熱重測試，在研究中使用空氣作為氣氛，空氣流速為0.5L/min，調(diào)整起始溫度為30℃，設(shè)置升溫速率為10℃/min，終止溫度為600℃，保持溫度1h。圖3為環(huán)氧樹脂的TG和DTG圖。

圖3　環(huán)氧樹脂熱分析圖Fig.3 Thermal analysis of epoxy resin

由圖3可知，在0～200 ℃之間環(huán)氧樹脂比較穩(wěn)定，未發(fā)生明顯的分解，質(zhì)量變化不大；在200～280℃之間，環(huán)氧樹脂開始分解，分解速率隨溫度升高增大，但分解速率相對較低；在330℃左右，環(huán)氧樹脂質(zhì)量開始劇烈下降，分解速率在380℃左右達(dá)到最大，此時DTG曲線達(dá)到峰值；在430℃左右時環(huán)氧樹脂質(zhì)量停止下降，分解完全。整個階段環(huán)氧樹脂由最初的乳白色變?yōu)榛液谏Ｓ蒚G圖可知，環(huán)氧樹脂可以承受300℃以內(nèi)的溫度，能夠在高溫等惡劣條件下不發(fā)生分解，因此可以作為固體絕緣材料應(yīng)用于高壓平面開關(guān)上。

2　固體高壓平面開關(guān)性能測試

2.1靜態(tài)自由擊穿電壓

自擊穿電壓測試電路如圖4所示：開關(guān)兩個主電極分別接電容正負(fù)極，觸發(fā)極與相鄰負(fù)電極短接，給電容進(jìn)行緩慢充電，開關(guān)在緩慢上升的直流電壓下發(fā)生擊穿時的電壓值即為自擊穿電壓。圖4中R為充電電阻，C為儲能電容，S為平面開關(guān)，T為平面開關(guān)觸發(fā)極。

圖4　自擊穿電壓測試電路Fig.4 Circuit diagram of switch's self-break voltage

采用圖4的連接方式分別連接相同尺寸的空氣開關(guān)與固體開關(guān)，其中兩種開關(guān)膜厚均為4μm，觸發(fā)電極寬度為0.22mm，觸發(fā)電極距離負(fù)電極距離為80 μm，主電極間隙為1.0mm、0.8 mm和0.6 mm；設(shè)置起始電壓為1 000 V，以400 V/min的速度升高主間隙兩端的直流電壓，直至兩主電極之間發(fā)生明顯的擊穿，記錄自擊穿時電源的充電電壓，重復(fù)實驗3次取平均值。圖5為主電極間隙為0.8mm固體開關(guān)的自擊穿示波器圖；表1為空氣開關(guān)與固體開關(guān)自擊穿電壓對比結(jié)果。由表1可知，在鍍膜厚度和觸發(fā)電極寬度相同的條件下，氣體開關(guān)與固體開關(guān)的自擊穿電壓隨著主電極間隙的增加而增加；相同尺寸的空氣開關(guān)相對于固體開關(guān)的自擊穿電壓較小，兩者大約相差400～600 V左右，因此利用環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行封裝，可以有效地提高開關(guān)的耐壓強度。

圖5　固體開關(guān)自擊穿電壓Fig.5 Self-break voltage of solid high-voltage planar switch

表1　空氣開關(guān)與固體開關(guān)自擊穿電壓對比Tab.1 Self-break voltage of air planar switch and solid planar switch

2.2開關(guān)延遲

為了測試開關(guān)的延遲時間，將觸發(fā)電源正極與充電電源負(fù)極相連接，將開關(guān)的觸發(fā)極與負(fù)極分別連接高壓探頭的正負(fù)極，將高壓探頭與示波器連接以記錄起始時間t1，由于每種電源的觸發(fā)方式差別很大，為了避免外界干擾采用間隙完全被擊穿的瞬間作為起始點，此時為觸發(fā)電壓峰值處對應(yīng)的時刻；將電流傳感器與示波器連接記錄終止時間t2，此時對應(yīng)電路出現(xiàn)明顯電流的時刻，為最大電流10％時對應(yīng)的時刻；則t2- t1為開關(guān)的延遲時間。圖6為平面開關(guān)延遲時間測試電路圖，其中R為線頭連接處、導(dǎo)線的等效電阻，S為平面固體高壓開關(guān)，C為0.2 μF電容，T為觸發(fā)電極。

圖6　平面開關(guān)延遲時間測試電路圖Fig.6 Circuit diagram of solid high-voltage planar switch's delay time

圖7為主電極間隙0.8mm、觸發(fā)電極寬度0.22 mm、鍍膜厚度為4μm的固體平面高壓開關(guān)的示波器圖，其充電電壓為2 200 V，觸電電壓為2 000 V。觸發(fā)電壓最大值處作為起始點，取最大電流處的10％處作為結(jié)束點，取兩者的差值，即為開關(guān)延遲時間。

圖7　固體平面開關(guān)延遲時間測試圖（0.8 mm）Fig.7 Delay time of solid high-voltage planar switch

由圖7可知，在t1點處觸發(fā)間隙被完全擊穿，此時對應(yīng)的時刻為-3.73×10-7s；電流在t2點達(dá)到最大值的10％，此時對應(yīng)的時刻為-3.53×10-7s，固體開關(guān)的時間延遲為20ns，滿足平面開關(guān)延遲小于20～40 ns的要求。氮氣氣體開關(guān)的延遲時間在12ns左右[7]，因此固體高壓開關(guān)與氣體平面開關(guān)的延遲時間性能相似。

3　固體開關(guān)和空氣開關(guān)工作后對比

在開關(guān)工作時會產(chǎn)生大量的等離子體，導(dǎo)通巨大的電流，造成開關(guān)電極的損傷，因此需要比較觸發(fā)后開關(guān)的形貌。圖8為空氣平面開關(guān)和固體平面開關(guān)觸發(fā)后的照片。

圖8　空氣平面開關(guān)和固體平面開關(guān)觸發(fā)后的照片對比Fig.8 Pictures of air planar switch and solid planar switch after triggering

由圖8可以看出，空氣平面開關(guān)的主電極在觸發(fā)后只有小部分發(fā)生燒蝕，觸發(fā)電極變化不大；固體平面開關(guān)表面在觸發(fā)后變化較大，主電極邊際圓弧處和觸發(fā)電極發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，主間隙之間有部分玻璃基片變?yōu)楹谏?，損傷程度相對于空氣平面開較大，不能夠被重復(fù)利用。這是因為固體開關(guān)的耐壓強度變大，兩個主電極之間的電壓較大，一旦固體材料發(fā)生擊穿，兩電極之間出現(xiàn)巨大電流，因此主電極相對于空氣開關(guān)損傷程度更大。

4　結(jié)論

（1） 利用Maxwell仿真軟件設(shè)計開關(guān)的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整開關(guān)尺寸和觸發(fā)電壓，得到在主電極和觸發(fā)電極距離為0.08mm、觸發(fā)電壓2 000 V條件下，高壓固體開關(guān)可以完成觸發(fā)。（2）利用微電子機械加工技術(shù)對平面開關(guān)進(jìn)行制備，并使用環(huán)氧樹脂作為開關(guān)的固體材料進(jìn)行密封，得到了環(huán)氧樹脂與開關(guān)集成的工藝。（3）利用熱重差熱綜合熱分析儀研究環(huán)氧樹脂材料的熱穩(wěn)定性，環(huán)氧樹脂可以承受300℃的高溫，適用于爆炸箔起爆系統(tǒng)的工作條件。（4）測試包含靜態(tài)自由擊穿電壓、開關(guān)延遲時間在內(nèi)的開關(guān)性能，得到了相同尺寸的固體開關(guān)比空氣開關(guān)耐壓400～ 600V，開關(guān)的延遲時間為20 ns左右。（5）對觸發(fā)后的空氣開關(guān)與固體開關(guān)進(jìn)行對比，觸發(fā)后環(huán)氧樹脂固體開關(guān)主電極和觸發(fā)電極損傷更為嚴(yán)重，不能被重復(fù)使用。

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The Research on Epoxy Resin High-voltage Planar Switch

LI Ming-yu,LI Zhi-hao,ZENG Qing-xuan,DING Ke-fu,WU Xing-yu
(State Key Laboratory of Explosion Science &Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing,100081)

Abstract：The solid high-voltage switch was prepared by MEMS (Micro-electromechanical Systems) methods,and using epoxy resin as solid meterial.The feasibility of the epoxy resin high-voltage planar switch was simulated by Maxwell,meanwhile,the thermal stability of epoxy resin,the static self-breakdown voltage of high-voltage switch in different size,as well as the delay time were tested.Finally,the features of switch were compared before and after sealing.The results showed that the epoxy resin can resist the temperature of 300℃,the solid high-voltage switch can be triggered,under the conditions of 0.08mm distance between negative electrode and trigger electrode and 2 000V voltage,the solid high-voltage switch can resist 400～600V more than that of air high-voltage switch with same size,and the delay time is about 20ns,while the feature of solid high-voltage switch was damaged heavily after trigger,which can’t be reused.

Key words：Solid switch；High-voltage switch；Epoxy resin；Static self-breakdown voltage；Delay

基金項目：教育部博士點基金（20131101110009）

作者簡介：李明愉（1969 -），男，副教授，主要從事納米含能材料及含能器件的制備及研究。

收稿日期：2015-11-30

中圖分類號：TJ450.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-1480（2016）01-0011-04