СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЖОЗЕФСОНОВСКОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ-ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА И УСТРОЙСТВО СОГЛАСНО ЭТОМУ СПОСОБУ Российский патент 2011 года по МПК H01L39/22 H05K3/18 

Изобретение относится к области коммутационной электронной техники и энергетике и может быть использовано для переключения и ограничения токов в бытовых электронных устройствах, бытовых и промышленных электрических сетях, устройствах защитного отключения.

Явления индуцируемого электрическим полем переключения между состояниями, резко различающимися по величине проводимости, представляют интерес с точки зрения создания полевых выключателей - ограничителей тока в электрических цепях и нового типа транзисторов. Явления переключения в аморфных полупроводниках впервые были изучены Овшинским [1]. Известный польский ученый Казимеж Антонович (Kazimierz Antonowicz (1914-2002)) более 30 лет назад исследовал проводящие свойства стеклоуглерода [2] и его напыленных осадков [3] и обнаружил эффект скачка проводимости до трех порядков величины при комнатной температуре. Характерными особенностями эффекта переключения, обнаруженного Антоновичем, являлись: «устойчивое» состояние с высоким сопротивлением, которое при некотором напряжении резко падало в 100 раз, выполнение закон Ома при низких приложенных напряжениях и отклонения от линейного закона при повышенных напряжениях, различие I-V характеристик для разных направлений тока, «эффект памяти», состоящий в том, что форма I-V характеристик зависела от последовательности переключений, независимость процессов переключения от температуры. Подобный переключатель выдержал 100000 переключений без изменения параметров. Недостатками указанного переключателя являются малые токи переключения, а также необходимое время релаксации в исходное состояние после переключения. Другим недостатком указанного переключателя является устойчивое состояние с высоким сопротивлением. Все это существенно осложняет его применение в качестве выключателя - автомата в бытовых и промышленных электросетях.

Известны эффекты переключения в частично карбонизированных волокнах полиакрилнитрила, выражающиеся в виде скачков электросопротивления от 2 до 4 порядков величины в интервале температур 98-200°С [4], описанный также в патенте США №4642664. Однако здесь также основным устойчивым также является состояние с высоким сопротивлением.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является джозефсоновское устройство, описанное в патенте РФ №2212735. Указанное устройство представляет собой тонкую гранулярную углеродную пленку, проводящая структура которой функционирует по принципу джозефсоновской среды. Такое устройство может работать как переключатель, в качестве основного имеет состояние низкого сопротивления и в результате переключения при комнатной температуре скачком увеличивает свое сопротивление на 4-5 порядков величины (см. фиг.1), что важно для схем токоограничения. Недостатками данного переключателя являются низкие критические токи и наличие времени релаксации, необходимого для возвращения в исходное низкоомное состояние после переключения, а также сложность процесса получения пленки методом распыления в электрическом дуговом разряде на растворимый в воде подслой с последующим отделением пленки в дистиллированной воде и отжигом в вакууме при температуре 800-1000°С в течение 10 часов.

Заявленный в качестве изобретения способ изготовления джозефсоновского переключателя - ограничителя тока (ДПОТ) и устройство согласно этому способу направлены на усовершенствование технологии изготовления углеродной пленки - активного элемента ДПОТ, увеличение критических токов и уменьшения времен релаксации в исходное состояние после переключения.

Данный технический результат достигается тем, что в качестве метода изготовления активного элемента ДПОТ выбраны современные технологии, такие как химическое осаждение из газовой фазы, известное в англоязычной литературе как chemical vapor deposition (CVD), а также можно использовать и другие технологии осаждения углерода, например магнетронное распыление, лазерную абляцию и другие. В данной заявке предпочтение отдается технологии химического осаждения из газовой фазы, т.к. осаждение производится при температуре 700-1300°С, то одновременно с осаждением происходит отжиг структуры, который весьма важен для получения джозефсоновской проводящей среды в пленке. Толщина пленки 500-5000 Å. В качестве исходного сырья для пленки ДПОТ используются углеводородные газы, такие как ацетилен, метан и др., а также их смеси. На поверхность пленки наносят металлические контакты для включения активного элемента ДПОТ в электрическую сеть.

Кроме того, метод CVD легко может быть адаптирован к условиям массового производства. При использовании в бытовых и промышленных электрических сетях для увеличения критических токов ДПОТ необходимо произвести легирование материала пленки добавками, понижающими ее электросопротивление. Такое легирование можно произвести как в готовой пленке путем нанесения тонкого слоя допанта на поверхность пленки с последующим нагревом ее в вакууме для стимулирования диффузии допанта равномерно внутрь пленки. Продолжительность диффузии составляет 3-4 часа при температуре 500-600°С. В качестве легирующих добавок можно использовать высокопроводящие металлы, такие как золото, серебро, медь и др., а также галогены (фтор, хлор, бром и др.). Газообразные легирующие добавки можно вводить одновременно с осаждением пленки, т.е. в одном процессе. В таком случае газ - допант вводится в состав газа - углеводорода, из которого при нагреве осаждается углеродная пленка методом CVD.

К преимуществам ДПОТ по сравнению с традиционными механическими переключателями, используемыми в настоящий момент в бытовых и промышленных электросетях, следует отнести отсутствие дуги и искры при переключении, что существенно снижает пожароопасность и повышает помехозащищенность в сетях. Кроме того, в случае джозефсоновского переключателя соотношение токов в состояниях включено и выключено составляет, как минимум, 10⁴-10⁵ (см. фиг.1) вместо 2-3 в традиционных переключателях - автоматах, что значительно повышает электробезопасность при проведении ремонтных работ.

Реализация ДПОТ заключается в следующем. Примерная электрическая схема включения ДПОТ в бытовую электрическую сеть изображена на фиг.2.

Исходное положение ключа 1 - замкнуто. При этом ток подается с линии 2 на сопротивление нагрузки 3. При превышении током критического значения активный элемент ДПОТ 4 разрывает цепь и происходит отключение потребителя. При ремонте нагрузочной цепи необходимо гарантированно отсоединить потребителя 3 от сети. Для этого ключ 1 снабжен курковым механизмом, механически перемещающим небольшой постоянный магнит 5 в окрестности геркона 6. При прохождении магнитом 5 вблизи геркона 6 его контакт замыкается и на активный элемент ДПОТ 4 подается ток, заведомо превышающий критический. Активный элемент ДПОТ 4 разрывает цепь в течение нескольких наносекунд, так что геркон 6 не успевает выйти из строя. В это время курковый механизм продолжает движение и размыкает ключ 1. Поскольку цепь к этому моменту уже отсоединена от линии 2, то при размыкании ключа не происходит образования искры и дуги. После прохождения магнита 5 контакт геркона 6 размыкается и активный элемент ДПОТ 4 отсоединяется от сети. После окончания ремонта в цепи нагрузки все действия производят в обратном порядке. При нажатии на кнопку курковый механизм приходит в движение, магнит 5 движется вблизи геркона 6 и производит замыкание его контактов. При этом через активный элемент ДПОТ 4 протекает ток, превышающий критический. Активный элемент ДПОТ 4 разрывает цепь. Дальнейшее движение куркового механизма замыкает ключ 1 и включает автомат в электрическую сеть. При этом, очевидно, также отсутствуют искра и дуга.

Источники информации

1. S.R.Ovshinsky, Phys. Rev. Lett., 21 (1968) 1450.

2. K.Antonowicz et al. // Carbon. 1973. V.11. P.1-5.

3. K.Antonowicz et al. // Carbon. 1972. V.10. P.81-86.

4. H.A.Goldberg, I.L.Kalnin, C.C.Williams and I.L.Spain. US Patent 4642664, 1987.

Изобретение относится к области коммутационной электронной техники и энергетики и может быть использовано для переключения и ограничения токов в бытовых электронных устройствах, бытовых и промышленных электрических сетях, устройствах защитного отключения. Способ изготовления джозефсоновского переключателя-ограничителя тока (ДПОТ) включает нанесение в вакууме на диэлектрическую подложку тонкой гранулярной углеродной пленки методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) с использованием в качестве сырья для CVD углеводородных газов, таких как ацетилен, метан и другие, а также их смеси. Осаждение осуществляют в вакууме при температурах 700-1300°С до толщины пленки, равной 500-5000 Å, а на поверхность пленки наносят металлические контакты. Устройство с активным элементом на основе ДПОТ содержит активный элемент ДПОТ, геркон, постоянный магнит, ключ с курковым механизмом, включенные согласно схеме, исключающей образование электрической дуги при переключении ДПОТ. Технический результат - повышение технологичности изготовления углеродной пленки ДПОТ, увеличение критических токов и уменьшение времени релаксации в исходное состояние после переключения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления джозефсоновского переключателя-ограничителя тока (ДПОТ), включающий нанесение в вакууме на диэлектрическую подложку тонкой гранулярной углеродной пленки, отличающийся тем, что нанесение осуществляют методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), в качестве сырья для CVD используют углеводородные газы, такие как ацетилен, метан и другие, а также их смеси, осаждение осуществляют в вакууме при температурах 700-1300°С, толщина пленки равна 500-5000 Å, а на поверхность пленки наносят металлические контакты.

2. Способ изготовления по п.1, отличающееся тем, что для увеличения критических токов ДПОТ производится легирование материала пленки добавками, понижающими ее электросопротивление.

3. Устройство с активным элементом на основе ДПОТ, отличающееся тем, что активный элемент ДПОТ выполнен на основе тонкой гранулярной углеродной пленки и изготовлен способом по любому из пп.1 и 2.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит активный элемент ДПОТ, геркон, постоянный магнит, ключ с курковым механизмом, причем при замыкании контактов геркона осуществляется подача тока на ДПОТ, величина которого превышает критическое значение, при котором ДПОТ размыкает цепь и отключает потребителя, ключ с курковым механизмом обеспечивает гарантированное отсоединение потребителя от сети, а курковый механизм ключа обеспечивает перемещение в окрестности геркона постоянного магнита, управляющего контактами геркона, что исключает образование электрической дуги и искры как при включении ДПОТ, так и при его выключении.