环氧树脂高压平面固体开关研究

李明愉，李志浩，曾庆轩，丁柯夫，吴兴宇

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京，100081)



环氧树脂高压平面固体开关研究

李明愉，李志浩，曾庆轩，丁柯夫，吴兴宇

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京，100081)

摘 要：本研究首先使用Maxwell仿真软件对环氧树脂固体开关的可行性进行分析，然后利用微电子机械加工技术，使用环氧树脂作为开关的固体材料制得固体开关。对环氧树脂固体材料的热稳定性，以及开关的静态自由击穿电压、开关延迟时间进行测试，并对触发后的空气开关与固体开关形貌进行对比。结果表明：环氧树脂可以承受300℃的高温；在主电极和触发电极距离0.08mm、触发电压2 000V条件下，高压固体开关可被触发；相同尺寸的固体开关比空气开关耐压400～600V，开关延迟时间约20ns；触发后的固体开关损伤严重，不能重复使用。

关键词：固体开关；高压开关；环氧树脂；静态自由击穿电压；延迟

爆炸箔起爆系统因不与炸药直接接触，具有良好的耐机械冲击、抗射频、静电、杂散电流及电磁干扰能力，并且作用迅速可靠，安全性高，具有较好应用前景[1-3]。爆炸箔起爆系统中脉冲功率单元需要在几十毫秒内，将电能储存于电容中，然后在几百纳秒内迅速释放，因此，高压开关是整个放电单元中最重要的元件之一，其性能的好坏将直接决定储能电容向桥箔传输能量的能力。一般来说高压开关需要承受 l～3 kV的电压，并且应能使一个上升时间为 30～60 ns、峰值电流为 l～7 kA、峰值功率为 1.15 MW[4-5]的电流脉冲在触发瞬间顺利通过。

传统的触发管开关因为价格高、体积大已经不能适应爆炸箔起爆系统小型化集成化的要求，而平面开关凭借价格低廉、性能稳定等优点正在取代传统的触发管开关。气体开关是平面开关中比较稳定的一种开关，其电学性能与触发管开关相似[6]，但是其对于气体储存舱室的密封性有较高要求，不能长时间储存；再者，气体储存舱室中存在的灰尘可能会造成误触发的发生。因此如果使用一种稳定的固体材料代替气体，可以提高开关的储存时间，从而提高开关稳定性。

环氧树脂是一种具有致密分子结构的高分子化合物，其具有良好的物理及化学性能。此外环氧树脂具有良好的力学性能和附着能力，可与金属、玻璃、陶瓷等材料粘结；其耐热性好，可承受200多摄氏度的高温；并且其还具有固化收缩率小、电绝缘性优良、化学性质稳定、耐酸碱的特点，能够满足爆炸箔起爆系统工作条件的要求，但利用环氧树脂作为固体材料的高压开关国内外未见相关报道。

1　固体高压开关的加工与固体材料热分析

1.1固体开关的仿真

本文利用Maxwell 2D软件进行仿真计算：选取电极材料为铜，介质材料为环氧树脂，正负电极之间的距离为0.8 mm，触发电极与负极之间的距离为0.08 mm；设置负极电压为0 V，正极电压为0 V，触发极电压为2 000 V。图1为Maxwell仿真计算图。

图1　高压开关Maxwell仿真图Fig.1 Maxwell simulation of solid high-voltage planar switch

由图1可知，触发电极与主电极之间最大的场强出现于触发电极的附近，电场强度为2.99´107V/m，接近环氧树脂的击穿场强3´107V/m，因此根据仿真结果2 000 V触发电压可以完成环氧树脂材料的击穿。

1.2固体高压开关的加工

固体高压平面开关的制备分为平面开关的制备与固体材料与开关的集成。其中平面开关的制备包括基片的清洗、磁控溅射镀膜机溅射、甩光刻胶与烘干、光刻显影与刻蚀和去胶5个部分。在平面开关制备好之后，对制得的平面开关进行滴胶制得固体开关。本文研究中使用的固体材料为双组分环氧树脂的套装材料，它由A和B两部分组成，在不混合状态下两者呈液态，当两者混合后经过一段时间变为固态。其固化分为3步：（1） 环氧树脂的混合：将A和B两种液体取出，并以一定的质量比混合。（2）环氧树脂的搅拌与静置：同一方向搅拌至其混合均匀，放入真空烘箱中保证胶内部无气泡，并将其静置一段时间，将混合后的胶水滴至相关器件上。（3）环氧树脂的固化：将混合好的胶放于水平台面上，然后放置24h直到环氧树脂全部固化，或将其放置于温度为80℃的烘箱内2h，取出冷却至室温。图2为封装前后平面开关的照片。

图2　固体平面开关的照片Fig.2 The picture of high-voltage planar switch

1.3环氧树脂热稳定性分析

爆炸箔起爆系统可能需要在各种恶劣条件下正常工作，因此高压平面固体开关需要在高温等极端的环境下作用，其必须能够经受高温环境，故需要对其热稳定性进行测试研究。本文使用热重差热综合热分析仪进行热重测试，在研究中使用空气作为气氛，空气流速为0.5L/min，调整起始温度为30℃，设置升温速率为10℃/min，终止温度为600℃，保持温度1h。图3为环氧树脂的TG和DTG图。

图3　环氧树脂热分析图Fig.3 Thermal analysis of epoxy resin

由图3可知，在0～200 ℃之间环氧树脂比较稳定，未发生明显的分解，质量变化不大；在200～280℃之间，环氧树脂开始分解，分解速率随温度升高增大，但分解速率相对较低；在330℃左右，环氧树脂质量开始剧烈下降，分解速率在380℃左右达到最大，此时DTG曲线达到峰值；在430℃左右时环氧树脂质量停止下降，分解完全。整个阶段环氧树脂由最初的乳白色变为灰黑色。由TG图可知，环氧树脂可以承受300℃以内的温度，能够在高温等恶劣条件下不发生分解，因此可以作为固体绝缘材料应用于高压平面开关上。

2　固体高压平面开关性能测试

2.1静态自由击穿电压

自击穿电压测试电路如图4所示：开关两个主电极分别接电容正负极，触发极与相邻负电极短接，给电容进行缓慢充电，开关在缓慢上升的直流电压下发生击穿时的电压值即为自击穿电压。图4中R为充电电阻，C为储能电容，S为平面开关，T为平面开关触发极。

图4　自击穿电压测试电路Fig.4 Circuit diagram of switch's self-break voltage

采用图4的连接方式分别连接相同尺寸的空气开关与固体开关，其中两种开关膜厚均为4μm，触发电极宽度为0.22mm，触发电极距离负电极距离为80 μm，主电极间隙为1.0mm、0.8 mm和0.6 mm；设置起始电压为1 000 V，以400 V/min的速度升高主间隙两端的直流电压，直至两主电极之间发生明显的击穿，记录自击穿时电源的充电电压，重复实验3次取平均值。图5为主电极间隙为0.8mm固体开关的自击穿示波器图；表1为空气开关与固体开关自击穿电压对比结果。由表1可知，在镀膜厚度和触发电极宽度相同的条件下，气体开关与固体开关的自击穿电压随着主电极间隙的增加而增加；相同尺寸的空气开关相对于固体开关的自击穿电压较小，两者大约相差400～600 V左右，因此利用环氧树脂材料进行封装，可以有效地提高开关的耐压强度。

图5　固体开关自击穿电压Fig.5 Self-break voltage of solid high-voltage planar switch

表1　空气开关与固体开关自击穿电压对比Tab.1 Self-break voltage of air planar switch and solid planar switch

2.2开关延迟

为了测试开关的延迟时间，将触发电源正极与充电电源负极相连接，将开关的触发极与负极分别连接高压探头的正负极，将高压探头与示波器连接以记录起始时间t1，由于每种电源的触发方式差别很大，为了避免外界干扰采用间隙完全被击穿的瞬间作为起始点，此时为触发电压峰值处对应的时刻；将电流传感器与示波器连接记录终止时间t2，此时对应电路出现明显电流的时刻，为最大电流10％时对应的时刻；则t2- t1为开关的延迟时间。图6为平面开关延迟时间测试电路图，其中R为线头连接处、导线的等效电阻，S为平面固体高压开关，C为0.2 μF电容，T为触发电极。

图6　平面开关延迟时间测试电路图Fig.6 Circuit diagram of solid high-voltage planar switch's delay time

图7为主电极间隙0.8mm、触发电极宽度0.22 mm、镀膜厚度为4μm的固体平面高压开关的示波器图，其充电电压为2 200 V，触电电压为2 000 V。触发电压最大值处作为起始点，取最大电流处的10％处作为结束点，取两者的差值，即为开关延迟时间。

图7　固体平面开关延迟时间测试图（0.8 mm）Fig.7 Delay time of solid high-voltage planar switch

由图7可知，在t1点处触发间隙被完全击穿，此时对应的时刻为-3.73×10-7s；电流在t2点达到最大值的10％，此时对应的时刻为-3.53×10-7s，固体开关的时间延迟为20ns，满足平面开关延迟小于20～40 ns的要求。氮气气体开关的延迟时间在12ns左右[7]，因此固体高压开关与气体平面开关的延迟时间性能相似。

3　固体开关和空气开关工作后对比

在开关工作时会产生大量的等离子体，导通巨大的电流，造成开关电极的损伤，因此需要比较触发后开关的形貌。图8为空气平面开关和固体平面开关触发后的照片。

图8　空气平面开关和固体平面开关触发后的照片对比Fig.8 Pictures of air planar switch and solid planar switch after triggering

由图8可以看出，空气平面开关的主电极在触发后只有小部分发生烧蚀，触发电极变化不大；固体平面开关表面在触发后变化较大，主电极边际圆弧处和触发电极发生严重损伤，主间隙之间有部分玻璃基片变为黑色，损伤程度相对于空气平面开较大，不能够被重复利用。这是因为固体开关的耐压强度变大，两个主电极之间的电压较大，一旦固体材料发生击穿，两电极之间出现巨大电流，因此主电极相对于空气开关损伤程度更大。

4　结论

（1） 利用Maxwell仿真软件设计开关的结构，通过调整开关尺寸和触发电压，得到在主电极和触发电极距离为0.08mm、触发电压2 000 V条件下，高压固体开关可以完成触发。（2）利用微电子机械加工技术对平面开关进行制备，并使用环氧树脂作为开关的固体材料进行密封，得到了环氧树脂与开关集成的工艺。（3）利用热重差热综合热分析仪研究环氧树脂材料的热稳定性，环氧树脂可以承受300℃的高温，适用于爆炸箔起爆系统的工作条件。（4）测试包含静态自由击穿电压、开关延迟时间在内的开关性能，得到了相同尺寸的固体开关比空气开关耐压400～ 600V，开关的延迟时间为20 ns左右。（5）对触发后的空气开关与固体开关进行对比，触发后环氧树脂固体开关主电极和触发电极损伤更为严重，不能被重复使用。

参考文献：

[1]周美林,蒋小华,韩敦信,徐涛.起爆药雷管在弹药系统中的发展与应用[J].火工品,1999(2):43-48.

[2]曹根顺.国外新型雷管技术的现状与发展趋势[J].含能材料,2004,12(增刊):607-612.

[3]袁士伟,曾庆轩,冯长根.新型冲击片雷管设计研究[J].火工品,2002(2):5-7.

[4]曾庆轩,李守殿,袁士伟,吕军军.爆炸箔起爆器用高压开关研究进展[J].安全与环境学报,2011,11(1):202-205.

[5]Haddon M D,Soto G H.Transistorized high-voltage circuit suitable for initiating a detonator:US,6389975[P].2002-05-21.

[6]Lü Jun-jun,Zeng Qing-xuan,Li Ming-yu.Metal foil gap switch and its electrical properties[J].Review of Scientific Instruments,2013,84,(045101):1-5.

[7]Zeng Qing-xuan,Lv Jun-jun,Li Ming-yu.Fabrication and testing of metal foil planar switch[J].Defance Technology,2013 (9):104-107.

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

基金项目：教育部博士点基金（20131101110009）

作者简介：李明愉（1969 -），男，副教授，主要从事纳米含能材料及含能器件的制备及研究。

收稿日期：2015-11-30

中图分类号：TJ450.3

文献标识码：A

文章编号：1003-1480（2016）01-0011-04