微间距气压对场致发射影响的分析与计算

为研究微米间隙中气体的击穿特性,在3~100μm间隙距离中进行1~100 kPa可变气压的放电试验。试验发现10μm以下间距击穿电压曲线偏离巴申曲线,固定间距只改变压强时,击穿电压随气压的变化与较长间隙不同,3~5μm间距的击穿电压会随气压升高而降低。通过求解阴极附近离子数密度公式,发现微间距条件下阴极附近有较高的离子数密度,离子数密度会随气压的升高而增加,随间距增大而减小。离子数密度越高,在阴极表面附近形成离子附加电场就越强,与外电场耦合后促进场致发射,击穿会更易发生。计算了离子增强场效应系数γ’,并将其与Townsend二次发射系数γ对比,发现离子增强场效应对5μm以下的间隙放电影响最强烈,随间距的增加其影响逐渐减弱,10μm后击穿过程可用Townsend理论来解释。

微机电系统微米间隙的预击穿和击穿特性研究

为了预测和评估微机电系统(MEMS)中微电极结构的绝缘性能,采用MEMS加工工艺,制备了电极间隙为5～40μm的金属铝薄膜电极,研究了试样在直流电压下的预击穿过程中电流-电压关系曲线以及击穿电压随电极间隙的变化规律,并利用扫描电子显微镜(SEM)进行了微电极表面的微观分析.研究结果表明:预击穿过程的电流-电压曲线说明,在击穿之前电流的变化主要包括自由带电粒子的定向迁移阶段、电流密度达到饱和阶段以及碰撞电离持续发展形成电子雪崩阶段;场致电子发射的Fowler-Nordheim曲线表明,当微电极的间隙大于5μm时,其击穿特性仍然符合巴申曲线,与相关文献的研究结论一致;微电极击穿阈值均大于相同间隙的宏观金属电极的击穿阈值;微电极击穿后在阳极表面有坑洞产生,而在阴极表面存在溅射沉积现象.

微米尺度气体击穿的数值模拟研究进展

随着电力装备、电子器件和新概念武器等的设计和应用向着小型化和集成化的方向发展,高场强下微纳结构的绝缘问题日益突出。针对微纳尺度范围的电气击穿机理和绝缘性能,近二十年来国内外相关学者开展了大量的理论、实验和数值模拟工作,并取得了重要的成果。与宏观尺度击穿和放电过程的仿真不同,当击穿距离在微米尺度时,其电子平均自由程与击穿距离可比,此时需要考虑场致电子发射过程;同时,由于击穿距离小,在数值模拟时要求网格划分更为精细,这大大增加了计算工作量。因此,该文综述了近年来微米尺度气体击穿的理论研究和数值模拟的研究进展,重点对微米尺度电气击穿的数值计算方法、仿真模型建立、击穿过程以及影响因素等方面进行分析和总结,提出当前面临的主要问题和挑战,并展望了未来需要关注的研究方向。该文的研究结果可为未来微纳尺度放电击穿特性研究和理论探索提供参考。