ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ И/ИЛИ ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА, СФОРМИРОВАННЫЕ ИЗ МАТЕРИАЛОВ С ЧРЕЗВЫЧАЙНО НИЗКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК H01L39/00 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по: предварительным заявкам на патент США №№ 61/469283, 61/469567, 61/469571, 61/469573 и 61/469576, озаглавленным ʺExtremely Low Resistance Nanowiresʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469293, 61/469580, 61/469584, 61/469585, 61/469586, 61/469589, 61/469590 и 61/469592, озаглавленным ʺInductors Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469303, 61/469591, 61/469595, 61/469600, 61/469602, 61/469605, 61/469609, 61/469613, 61/469618 и 61/469652, озаглавленным ʺCapacitors Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469313, 61/469620, 61/469622, 61/469627, 61/469630, 61/469632, 61/469635, 61/469640 и 61/469645, озаглавленным ʺTransistors Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469318, 61/469599, 61/469604, 61/469608, 61/469612, 61/469617, 61/469619, 61/469624 и 61/469628, озаглавленным ʺRotating Machines Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469324, 61/469637, 61/469641 и 61/469644, озаглавленным ʺBearings Assemblies Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469331 и 61/469650, озаглавленным ʺTransformer Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469335, 61/469656, 61/469658, 61/469659 и 61/469662, озаглавленным ʺPower Transmission Components Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469342, 61/469667, 61/469679, 61/469684 и 61/469769, озаглавленным ʺFault Current Limiter Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469358, 61/469603, 61/469606, 61/469610, 61/469615, 61/469621, 61/469625, 61/469633, 61/469639, 61/469642, 61/469653, 61/469657, 61/469665 и 61/469668, озаглавленным ʺMRI Components and Apparatus Employing Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469361, 61/469623, 61/469634, 61/469643 и 61/469648, озаглавленным ʺExtremely Low Resistance Josephson Junctionsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469363, 61/469655, 61/469660, 61/469666, 61/469671, 61/469675, 61/469678, 61/469685 и 61/469691, озаглавленным ʺExtremely Low Resistance Quantum Interference Devicesʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469367, 61/469697, 61/469700, 61/469703, 61/469704 и 61/469710, озаглавленным ʺAntennas Formed from Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469371, 61/469717, 61/469721, 61/469727, 61/469731, 61/469735, 61/469740 и 61/469756, озаглавленным ʺFilters Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469398, 61/469654, 61/469673, 61/469683, 61/469687, 61/469692, 61/469711, 61/469716, 61/469723, 61/469638, 61/469646, 61/469728, 61/469737, 61/469743, 61/469745, 61/469751, 61/469754, 61/469761, 61/469766, 61/469770, 61/469772, 61/469774 и 61/469775, озаглавленным ʺSensors Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469401, 61/469672, 61/469674, 61/469676 и 61/469681, озаглавленным ʺActuators Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469376, 61/469686, 61/469690, 61/469693, 61/469694, 61/469695, 61/469696 и 61/469698, озаглавленным ʺIntegrated Circuits Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469392, 61/469707, 61/469709 и 61/469712, озаглавленным ʺExtremely Low Resistance Interconnect (ELRI) For System in Package (SIP) Applicationsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469424, 61/469714, 61/469718, 61/469720, 61/469724, 61/469726 и 61/469730, озаглавленным ʺExtremely Low Resistance Interconnect (ELRI) Connecting MEMS to Circuits on a Semiconductor ICʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469387, 61/469732, 61/469736 и 61/469739, озаглавленным ʺExtremely Low Resistance Interconnect (ELRI) for RF Circuits on a Semiconductor Integrated Circuitʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469554, 61/469742, 61/469744, 61/469747, 61/469749 и 61/469750, озаглавленным ʺIntegrated Circuit Devices Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; предварительным заявкам на патент США №№ 61/469560, 61/469753, 61/469755, 61/469757, 61/469758, 61/469759, 61/469760, 61/469762 и 61/469763, озаглавленным ʺEnergy Storage Devices Formed of Extremely Low Resistance Materialsʺ; и заявки на патент США № 13/076188, озаглавленной ʺExtremely Low Resistance Compositions and Methods for Creating Sameʺ. Каждая из вышеуказанных заявок была подана 30 марта 2011 года. Каждая из вышеуказанных заявок включена сюда по ссылке во всей своей полноте.

[0002] Эта заявка также испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/583855, озаглавленной ʺLayered Compositions, Such as Compositions that Exhibit Extremely Low Resistanceʺ, поданной 6 января 2012 года, которая включена сюда по ссылке во всей своей полноте.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Электрические, механические, вычислительные и/или другие устройства, которые работают с использованием традиционных сверхпроводящих элементов, испытывают различные недостатки, включая базирование на дорогих системах охлаждения для того, чтобы поддерживать сверхпроводящие элементы в их сверхпроводящих состояниях. Например, традиционные сверхпроводящие конденсаторы используют высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) материалы для различных компонентов, основываясь на их способности переносить ток с минимальным или нулевым сопротивлением току. Тем не менее, ВТСП-материалы требуют очень низких рабочих температур (например, температур ниже 120 K), типично реализуемых охлаждением компонентов до таких температур с использованием дорогих систем, таких как системы охлаждения на основе жидкого азота. Такие системы охлаждения повышают затраты на реализацию и препятствуют широкому коммерческому и потребительскому использованию и/или применению конденсаторов, которые используют эти материалы. Эти и другие проблемы существуют в отношении текущих устройств на основе ВТСП.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0004] Фигура 1 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре в первой проекции.

[0005] Фигура 2 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0006] Фигура 3 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0007] Фигура 4 иллюстрирует одну элементарную ячейку примерного ЧНС-материала.

[0008] Фигура 5 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0009] Фигура 6 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0010] Фигура 7 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0011] Фигура 8 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0012] Фигура 9 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0013] Фигура 10 иллюстрирует модифицированную кристаллическую структуру, согласно различным вариантам реализации изобретения, ЧНС-материала при просмотре во второй проекции.

[0014] Фигура 11 иллюстрирует модифицированную кристаллическую структуру, согласно различным вариантам реализации изобретения, ЧНС-материала при просмотре в первой проекции.

[0015] Фигура 12 иллюстрирует кристаллическую структуру примерного ЧНС-материала при просмотре в третьей проекции.

[0016] Фигура 13 иллюстрирует систему координат и обозначений, применимую для описания различных вариантов реализации изобретения.

[0017] Фигуры 14A-14G иллюстрируют результаты испытаний, демонстрирующие различные рабочие характеристики модифицированного ЧНС-материала.

[0018] Фигура 15 иллюстрирует результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с хромом в качестве модифицирующего материала и YBCO в качестве ЧНС-материала.

[0019] Фигура 16 иллюстрирует результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с ванадием в качестве модифицирующего материала и YBCO в качестве ЧНС-материала.

[0020] Фигура 17 иллюстрирует результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с висмутом в качестве модифицирующего материала и YBCO в качестве ЧНС-материала.

[0021] Фигура 18 иллюстрирует результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с медью в качестве модифицирующего материала и YBCO в качестве ЧНС-материала.

[0022] Фигура 19 иллюстрирует результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с кобальтом в качестве модифицирующего материала и YBCO в качестве ЧНС-материала.

[0023] Фигура 20 иллюстрирует результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с титаном в качестве модифицирующего материала и YBCO в качестве ЧНС-материала.

[0024] Фигуры 21A-21B иллюстрируют результаты испытаний для модифицированного ЧНС-материала, а именно, с хромом в качестве модифицирующего материала и BSCCO в качестве ЧНС-материала.

[0025] Фигура 22 иллюстрирует расположение ЧНС-материала и модифицирующего материала, применимое для распространения электрического заряда согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0026] Фигура 23 иллюстрирует множественные слои кристаллических структур примерного поверхностно-модифицированного ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0027] Фигура 24 иллюстрирует c-пленку ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0028] Фигура 25 иллюстрирует c-пленку с надлежащими поверхностями ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0029] Фигура 26 иллюстрирует c-пленку с надлежащими поверхностями ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0030] Фигура 27 иллюстрирует модифицирующий материал, наслоенный на надлежащие поверхности ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0031] Фигура 28 иллюстрирует модифицирующий материал, наслоенный на надлежащие поверхности ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0032] Фигура 29 иллюстрирует c-пленку с протравленной поверхностью, включающую в себя надлежащие поверхности ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0033] Фигура 30 иллюстрирует модифицирующий материал, наслоенный на протравленную поверхность c-пленки с надлежащими поверхностями ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0034] Фигура 31 иллюстрирует a-b-пленку, включая необязательную подложку, с надлежащими поверхностями ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0035] Фигура 32 иллюстрирует модифицирующий материал, наслоенный на надлежащие поверхности ЧНС-материала a-b-пленки согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0036] Фигура 33 иллюстрирует различные примерные компоновки слоев ЧНС-материала, модифицирующего материала, буферных или изолирующих слоев и/или подложек в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0037] Фигура 34 иллюстрирует процесс формирования модифицированного ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0038] Фигура 35 иллюстрирует пример дополнительной обработки, которая может быть выполнена согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0039] Фигура 36 иллюстрирует процесс формирования модифицированного ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0040] Фигура 1-Z является блок-схемой композиции, которая включает в себя компонент материала с чрезвычайно низким сопротивлением и модифицирующий компонент согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0041] Фигура 2-Z является блок-схемой композиции, которая включает в себя материал с чрезвычайно низким сопротивлением и два или более модифицирующих компонента согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0042] Фигура 3-Z является блок-схемой композиции, которая включает в себя слои разных материалов с чрезвычайно низким сопротивлением согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0043] Фигура 4-Z является блок-схемой композиции, которая включает в себя слои разных форм одного и того же материала с чрезвычайно низким сопротивлением согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0044] Фигура 5-Z является блок-схемой композиции, которая включает в себя множественные слои разных материалов с чрезвычайно низким сопротивлением согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0045] Фигура 6-Z является блок-схемой примерной композиции, которая включает в себя множественные слои материалов с чрезвычайно низким сопротивлением согласно различным вариантам реализации изобретения.

[0046] Фигуры 7A-Z-7I-Z включают в себя результаты испытаний, демонстрирующие различные рабочие характеристики примерной композиции, проиллюстрированной на фигуре 6-Z.

[0047] Фигуры 37-A-45B-A иллюстрируют формирование нанопроводов с использованием ЧНС-материалов.

[0048] Фигуры 46-A-46J-A иллюстрируют формирование переходов Джозефсона (JJ) с использованием ЧНС-материалов.

[0049] Фигуры 47-A-53-A иллюстрируют формирование СКВИДов использованием ЧНС-материалов.

[0050] Фигуры 54-A-59-A иллюстрируют формирование медицинских устройств с использованием ЧНС-материалов.

[0051] Фигуры 37A-B-43-B иллюстрируют формирование конденсаторов с использованием ЧНС-материалов.

[0052] Фигуры 37-C-43-C иллюстрируют формирование индукторов с использованием ЧНС-материалов.

[0053] Фигуры 37-D-44-D иллюстрируют формирование транзисторов с использованием ЧНС-материалов.

[0054] Фигуры 37-E-45-E иллюстрируют формирование устройств на интегральных схемах с использованием ЧНС-материалов.

[0055] Фигуры 37-F-45-F иллюстрируют формирование интегральных схем и МЭМС-устройств с использованием ЧНС-материалов.

[0056] Фигуры 37-G-41-G иллюстрируют формирование РЧ-устройств на интегральных схемах с использованием ЧНС-материалов.

[0057] Фигуры 37-H-43-H иллюстрируют формирование компонентов и устройств маршрутизации на интегральных схемах с использованием ЧНС-материалов.

[0058] Фигуры 37-I-41B-I иллюстрируют формирование SiP-устройств на интегральных схемах с использованием ЧНС-материалов.

[0059] Фигуры 37A-J-42-J иллюстрируют формирование вращающихся машин с использованием ЧНС-материалов.

[0060] Фигуры 37A-K-41-K иллюстрируют формирование подшипников с использованием ЧНС-материалов.

[0061] Фигуры 37-L-88-L иллюстрируют формирование датчиков с использованием ЧНС-материалов.

[0062] Фигуры 37-M-50-M иллюстрируют формирование актуаторов с использованием ЧНС-материалов.

[0063] Фигуры 37-N-50-N иллюстрируют формирование фильтров с использованием ЧНС-материалов.

[0064] Фигуры 37-O-56-O иллюстрируют формирование антенн с использованием ЧНС-материалов.

[0065] Фигуры 37-P-43-P иллюстрируют формирование устройств накопления энергии с использованием ЧНС-материалов.

[0066] Фигуры 37-Q-50-Q иллюстрируют формирование ограничителей тока повреждения с использованием ЧНС-материалов.

[0067] Фигуры 37-R-50-R иллюстрируют формирование преобразователей с использованием ЧНС-материалов.

[0068] Фигуры 37A-S-40B-S иллюстрируют формирование линий передачи с использованием ЧНС-материалов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0069] Описываются электрические (электротехнические), механические, вычислительные и/или другие устройства, приборы, компоненты (конструктивные элементы), системы и/или аппараты, которые включают в себя один или более компонентов, сформированных из модифицированных, щелевых (ʺапертурированныхʺ), слоистых материалов и/или других новых материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). ЧНС-материалы обеспечивают чрезвычайно низкие сопротивления току при более высоких температурах, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики устройств при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[0070] В некоторых примерах ЧНС-материалы изготавливаются на основе этого типа материалов, применения ЧНС-материалов, размера компонента, использующего ЧНС-материалы, требований к эксплуатации устройства или машины, использующего(ей) ЧНС-материалы, и т.д. По сути, во время конструирования и изготовления устройства, материал, используемый в качестве базового слоя ЧНС-материала, и/или материал, используемый в качестве одного или более модифицирующих слоев ЧНС-материала, может быть выбран исходя из различных соображений и желаемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[0071] Различные устройства, применения и/или системы могут использовать ЧНС-компоненты, описанные здесь. Эти устройства, применения и/или системы будут подробнее обсуждены в главах 1-18 этой заявки.

[0072] Далее технология будет описываться в отношении различных примеров и/или вариантов воплощения. Нижеприведенное описание обеспечивает конкретные подробности для полного понимания и обеспечения возможности описания этих примеров системы. Тем не менее, специалисты в данной области техники должны понимать, что система может осуществляться на практике без этих подробностей. В других случаях хорошо известные структуры и функции не показаны или не описаны подробно, чтобы исключать излишнее затруднение в понимании описания примеров системы.

[0073] Терминология, используемая в представленном ниже описании, предназначена интерпретироваться самым широким обоснованным образом, даже если она используется в сочетании с подробным описанием определенных конкретных вариантов воплощения системы. Конкретные термины даже могут подчеркиваться ниже; тем не менее, все термины, предназначенные для интерпретации сколь-либо ограниченным образом, будут явно и конкретно определены по существу в данном разделе ʺПодробное описаниеʺ.

[0074] Различные признаки, преимущества и варианты реализации изобретения могут быть изложены или быть очевидны из рассмотрения нижеприведенного подробного описания, чертежей и формулы изобретения. Следует понимать, что подробное описание и чертежи являются примерными и предназначены обеспечить дополнительное пояснение без ограничения объема изобретения, если только иное не указано в формуле изобретения.

[0075] Для целей этого описания, материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) (от англ. ʺextremely low resistance (ELR) materialsʺ), также называемые здесь ʺЧНС-материаламиʺ, могут включать в себя: сверхпроводящие материалы, включая, но не ограничиваясь ими, ВТСП-материалы; идеально проводящие материалы (например, идеальные проводники); и другие проводящие материалы с чрезвычайно низким сопротивлением. Как пояснено здесь, эти ЧНС-материалы могут описываться как модифицированные ЧНС-материалы, щелевые ЧНС-материалы и/или новые ЧНС-материалы, любой из которых может быть использован для того, чтобы формировать ЧНС-пленки и/или другие ЧНС-компоненты (например, нанопровода, провода, ленты и т.д.). Эти ЧНС-материалы обладают чрезвычайно низким сопротивлением электронам и/или чрезвычайно высокой проводимостью электронов при высоких температурах, таких как температуры выше 150 K, при давлении окружающей среды или стандартном давлении. Этот раздел описывает, помимо прочего, структуру и рабочие характеристики этих ЧНС-материалов.

[0076] Вообще говоря, различные варианты реализации изобретения относятся к внедрению ЧНС-материала (например, модифицированного ЧНС-материала, нового ЧНС-материала и т.д.) с улучшенными рабочими характеристиками или ЧНС-материала, обладающего некоторыми или всеми улучшенными рабочими характеристиками, описанные здесь, в различные изделия, системы и/или устройства, как описано здесь. Различные варианты реализации изобретения могут включать в себя такие ЧНС-материалы в виде ЧНС-пленок, ЧНС-лент, ЧНС-нанопроводов, ЧНС-проводов и других конфигураций таких ЧНС-материалов.

[0077] Для целей этого описания, рабочие характеристики в отношении ЧНС-материалов и/или различных вариантов реализации изобретения могут включать, но не ограничиваясь ими, сопротивление ЧНС-материала в его ЧНС-состоянии (например, применительно к сверхпроводникам - в сверхпроводящем состоянии), температуру перехода ЧНС-материала в его ЧНС-состояние, способность ЧНС-материала к распространению заряда в своем ЧНС-состоянии, одно или более магнитных свойств ЧНС-материала, одно или более механических свойств ЧНС-материала и/или другие рабочие характеристики ЧНС-материала. Дополнительно, для целей этого описания, улучшенные рабочие характеристики могут включать, но не ограничиваясь ими, работу в ЧНС-состоянии (включая, например, сверхпроводящее состояние) при более высоких температурах, работу с увеличенной способностью к распространению заряда при тех же (или более высоких) температурах, работу с улучшенными магнитными свойствами, работу с улучшенными механическими свойствами и/или другие улучшенные рабочие характеристики.

[0078] Для целей этого описания, ʺчрезвычайно низкое сопротивлениеʺ является сопротивлением, аналогичным по величине сопротивлению магнитному потоку сверхпроводящих материалов II рода в их сверхпроводящем состоянии, и может, в общем, выражаться в единицах удельного сопротивления в диапазоне от нуля Ом∙см до одной пятидесятой (1/50) удельного сопротивления практически чистой меди при 293 K. Например, при использовании здесь, практически чистая медь является медью с чистотой 99,999%. В различных вариантах реализации изобретения части ЧНС-материалов имеют удельное сопротивление в диапазоне от нуля Ом∙см до 3,36×10^-8 Ом∙см.

[0079] Как в общем понятно, температура перехода является температурой, ниже которой ЧНС-материал ʺвырабатываетʺ или проявляет (или начинает проявлять) чрезвычайно низкое сопротивление и/или другое явление, связанное с ЧНС-материалами. При работе с чрезвычайно низким сопротивлением ЧНС-материал называют находящимся в ЧНС-состоянии. При температурах выше температуры перехода ЧНС-материал перестает проявлять чрезвычайно низкое сопротивление, и ЧНС-материал называют находящимся в своем не-ЧНС-состоянии или в нормальном состоянии. Другими словами, температура перехода соответствует температуре, при которой ЧНС-материал изменяется между его не-ЧНС-состоянием и его ЧНС-состоянием. Как будет понятно, у некоторых ЧНС-материалов температура перехода может представлять собой интервал температур, на протяжении которого ЧНС-материал изменяется между его не-ЧНС-состоянием и его ЧНС-состоянием. Как будет также понятно, ЧНС-материал может иметь гистерезис в своей температуре перехода с одной температурой перехода по мере того, как ЧНС-материала нагревается, и другой температурой перехода по мере того, как ЧНС-материал охлаждается.

[0080] Фигура 13 иллюстрирует систему 1300 координат и обозначений, которая может быть использована для того, чтобы описывать различные варианты реализации изобретения. Система 1300 координат и обозначений включает набор осей, называемых ʺa-осьюʺ, ʺb-осьюʺ и ʺc-осьюʺ. Для целей этого описания: ссылка на a-ось включает a-ось и любую другую ось, параллельную ей; ссылка на b-ось включает b-ось и любую другую ось, параллельную ей; и ссылка на c-ось включает c-ось и любую другую ось, параллельную ей. Различные пары осей образуют набор плоскостей в системе 1300 координат и обозначений, называемых ʺa-плоскостьюʺ, ʺb-плоскостьюʺ и ʺc-плоскостьюʺ, причем: a-плоскость образована b-осью и c-осью и перпендикулярна a-оси; b-плоскость образована a-осью и c-осью и перпендикулярна b-оси; и c-плоскость образована a-осью и b-осью и перпендикулярна c-оси. Для целей этого описания: ссылка на a-плоскость включает a-плоскость и любую плоскость, параллельную ей; ссылка на b-плоскость включает b-плоскость и любую плоскость, параллельную ей; и ссылка на c-плоскость включает c-плоскость и любую плоскость, параллельную ей. Дополнительно, в отношении различных ʺгранейʺ или ʺповерхностейʺ кристаллических структур, описанных здесь, грань, параллельная a-плоскости, может иногда называться ʺb-c-граньюʺ; грань, параллельная b-плоскости, может иногда называться ʺa-c-граньюʺ; и грань, параллельная c-плоскости, может иногда называться ʺa-b-граньюʺ.

[0081] Фигура 1 иллюстрирует кристаллическую структуру 100 примерного ЧНС-материала при просмотре в первой проекции, а именно, в проекции, перпендикулярной a-b-грани кристаллической структуры 100 и параллельной ее c-оси. Фигура 2 иллюстрирует кристаллическую структуру 100 при просмотре во второй проекции, а именно, в проекции, перпендикулярной b-c-грани кристаллической структуры 100 и параллельный ее a-оси. Для целей этого описания, примерный ЧНС-материал, проиллюстрированный на фигуре 1 и фигуре 2, в общем является типичным представителем различных ЧНС-материалов. В некоторых вариантах реализации изобретения примерный ЧНС-материал может быть представителем семейства сверхпроводящих материалов, называемых меднооксидными перовскитами со смешанной валентностью. Материалы на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью включают, но не ограничиваясь ими, LaBaCuO_x, LSCO (например, La_2-xSr_xCuO₄ и т.д.), YBCO (например, YBa₂Cu₃O₇ и т.д.), BSCCO (например, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ и т.д.), TBCCO (например, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ или Tl_mBa₂Ca_n-1Cu_nO_2n+m+2+δ), HgBa₂Ca₂Cu₃O_x и другие материалы на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью. Другие материалы на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью могут включать, но не ограничиваясь ими, различные замещения катионов, как будет понятно. Как будет также понятно, вышеназванные материалы на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью могут относится к родовым классам материалов, в которых существуют множество разных составов. В некоторых вариантах реализации изобретения примерные ЧНС-материалы могут включать ВТСП-материал вне семейства материалов на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью (ʺнеперовскитные материалыʺ). Такие неперовскитные материалы могут включать, но не ограничиваясь ими, пниктиды железа, диборид магния (MgB₂) и другие неперовскиты. В некоторых вариантах реализации изобретения примерные ЧНС-материалы могут быть другими сверхпроводящими материалами.

[0082] Многие ЧНС-материалов имеют структуру, аналогичную (хотя не обязательно идентичную) кристаллической структуре 100, с различными атомами, сочетаниями атомов и/или расположениями в решетке, как будет понятно. Как проиллюстрировано на фигуре 2, кристаллическая структура 100 изображена двумя полными элементарными ячейками примерного ЧНС-материала, при этом одна элементарная ячейка находится выше базовой линии 110, а одна элементарная ячейка находится ниже базовой линии 110. Фигура 4 иллюстрирует единственную элементарную ячейку 400 примерного ЧНС-материала.

[0083] Вообще говоря и как будет понятно, элементарная ячейка 400 примерного ЧНС-материала включает шесть ʺгранейʺ: две a-b-грани, которые параллельны c-плоскости; две a-c-грани, которые параллельны b-плоскости; и две b-c-грани, которые параллельны a-плоскости (см., например, фигуру 13). Как будет также понятно, ʺповерхностьʺ ЧНС-материала в макросмысле может состоять из множественных элементарных ячеек 400 (например, сотен, тысяч или более). Ссылка в этом описании на ʺповерхностьʺ или ʺграньʺ ЧНС-материала, параллельную конкретной плоскости (например, a-плоскости, b-плоскости или c-плоскости), указывает на то, что эта поверхность образована преимущественно (т.е. по большей части) из граней элементарной ячейки 400, которые практически параллельны данной конкретной плоскости. Кроме того, ссылка в этом описании на ʺповерхностьʺ или ʺграньʺ ЧНС-материала, параллельную иным плоскостям, отличным от a-плоскости, b-плоскости или c-плоскости (например, ab-плоскости, как описано ниже, и т.д.), указывает на то, что эта поверхность образована из некоторого сочетания граней элементарной ячейки 400, которые, в совокупном макросмысле, образуют поверхность, практически параллельную таким другим плоскостям.

[0084] Исследования указывают, что некоторые ЧНС-материалы демонстрируют явление анизотропной зависимости сопротивления (т.е. его зависимости от направления). Другими словами, сопротивление при данной температуре и плотности тока зависит от направления по отношению к кристаллической структуре 100. Например, в их ЧНС-состоянии, некоторые ЧНС-материалы могут переносить значительно больший ток, при чрезвычайно низком сопротивлении, в направлении a-оси и/или в направлении b-оси, чем такие же материалы переносят в направлении c-оси. Как будет понятно, различные ЧНС-материалы демонстрируют явление анизотропии в отношении различных характеристик, включая явление сопротивления, в иных направлениях, отличных от описанных выше, в дополнение к ним или в сочетаниях с ними. Для целей этого описания, ссылка на материал, который склонен проявлять явление сопротивления (и аналогичные понятия) в первом направлении, указывает на то, что этот материал поддерживает такое явление в первом направлении; а ссылка на материал, который не склонен проявлять явление сопротивления (и аналогичные понятия) во втором направлении, указывает на то, что материал не поддерживает такое явление во втором направлении или поддерживает его в уменьшенной относительно других направлений степени.

[0085] Со ссылкой на фигуру 2, традиционные представления об известных ЧНС-материалах до сих пор не принимали во внимание щель (ʺапертуруʺ) 210, образованную в кристаллической структуре 100 множеством щелевых атомов 250, как отвечающую за явление сопротивления. (См., например, фигуру 4, где щель трудно различима на изображении единственной элементарной ячейки 400). В некотором смысле, щелевые атомы 250 могут рассматриваться как образующие дискретную атомарную ʺграницуʺ или ʺпериметрʺ вокруг щели 210. В некоторых вариантах реализации изобретения и как проиллюстрировано на фигуре 2, щель 210 возникает между первой частью 220 и второй частью 230 кристаллической структуры 100, хотя в некоторых вариантах реализации изобретения щель 210 может возникать в других частях различных других кристаллических структур. Щель 210 проиллюстрирована на фигуре 2 на основе изображений атомов в виде простых ʺсферʺ; как будет понятно, такие щели соотносятся с и формообразуются, помимо прочего, электронами и связанными с ними электронными плотностями (не проиллюстрировано иным образом) различных атомов в кристаллической структуре 100, включая щелевые атомы 250.

[0086] Согласно различным аспектам изобретения, щель 210 способствует распространению электрического заряда через кристаллическую структуру 100, и когда щель 210 способствует распространению электрического заряда через кристаллическую структуру 100, ЧНС-материал работает в его ЧНС-состоянии. Для целей этого описания, термины ʺраспространяетʺ, ʺраспространениеʺ и/или ʺспособствующий распространениюʺ (наряду с их соответствующими формами), в общем, означают ʺпроводитʺ, ʺпроводящийʺ и/или ʺспособствующий проводимостиʺ и их соответствующие формы; ʺтранспортируетʺ, ʺтранспортирующийʺ и/или ʺспособствующий транспортуʺ и их соответствующие формы; ʺпропускаетʺ, ʺпропускающийʺ и/или ʺспособствующий пропусканиюʺ и их соответствующие формы; и/или ʺпереноситʺ, ʺпереносящийʺ и/или ʺспособствующий переносуʺʺ и их соответствующие формы. Для целей этого описания, электрический заряд может включать положительный заряд или отрицательный заряд и/или пары или другие группировки таких зарядов; дополнительно, такой заряд может распространяться через кристаллическую структуру 100 в виде одной или более частиц либо в виде одной или более волн или волновых пакетов.

[0087] В некоторых вариантах реализации изобретения распространение электрического заряда через кристаллическую структуру 100 может происходить аналогичным распространению в волноводе образом. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 210 может быть волноводом в отношении распространения электрического заряда через кристаллическую структуру 100. Волноводы и их работа, в общем, хорошо понятны. В частности, стенки, окружающие внутренность волновода, могут соответствовать границе или периметру из щелевых атомов 250 вокруг щели 210. Одним аспектом, имеющим отношение к работе волновода, является его поперечное сечение. На атомарном уровне щель 210 и/или ее поперечное сечение могут существенно изменяться с изменениями температуры ЧНС-материала. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения изменения температуры ЧНС-материала могут вызывать изменения в щели 210, которые, в свою очередь, могут вызывать переход ЧНС-материала между его ЧНС-состоянием и его не-ЧНС-состоянием. Например, по мере того, как увеличивается температура ЧНС-материала, щель 210 может ограничивать или затруднять распространение электрического заряда через кристаллическую структуру 100, и соответствующий ЧНС-материал может переходить из его ЧНС-состояния в его не-ЧНС-состояние. Аналогично, например, по мере того, как снижается температура ЧНС-материала, щель 210 может способствовать (в отличие от ʺограничиватьʺ или ʺзатруднятьʺ) распространению электрического заряда через кристаллическую структуру 100, и соответствующий ЧНС-материал может переходить из своего не-ЧНС-состояния в свое ЧНС-состояние.

[0088] Щели, такие как щель 210 на фигуре 2, существуют в различных ЧНС-материалах, таких как, но не ограничиваясь ими, различные ЧНС-материалы, проиллюстрированные на фигуре 3 и фигурах 5-9 и т.д. и описанные ниже. Как проиллюстрировано, такие щели присущими кристаллической структуре некоторых или всех ЧНС-материалов. В ЧНС-материалах существуют различные виды, формы, размеры и числа щелей 210 в зависимости от точного строения кристаллической структуры, состава атомов и расположения атомов в кристаллической структуре ЧНС-материала, как будет понятно в свете этого описания.

[0089] Присутствие и отсутствие щелей 210, которые простираются в направлении различных осей через кристаллические структуры 100 различных ЧНС-материалов, согласуется с анизотропной зависимостью, демонстрируемой такими ЧНС-материалами. Например, ЧНС-материал 360, который проиллюстрирован на фигуре 3, фигуре 11 и фигуре 12, соответствует YBCO-123, который демонстрирует явление сопротивления в направлении a-оси и b-оси, но склонен не демонстрировать явление сопротивления в направлении c-оси. Согласуясь с анизотропной зависимостью явления сопротивления, демонстрируемой YBCO-123, фигура 3 иллюстрирует, что щели 310 простираются через кристаллическую структуру 300 в направлении a-оси; фигура 12 иллюстрирует, что щели 310 и щели 1210 простираются через кристаллическую структуру 300 в направлении b-оси; и фигура 11 иллюстрирует, что нет подходящих щелей, простирающихся через кристаллическую структуру 300 в направлении c-оси.

[0090] Щель 210 и/или ее поперечное сечение может зависеть от различных атомарных характеристик щелевых атомов 250 и/или ʺнещелевых атомовʺ (т.е. иных атомов в кристаллической структуре 100, отличных от щелевых атомов 250). Такие атомарные характеристики включают, но не ограничиваясь ими, размер атома, атомный вес, число электронов, структуру электронов, число связей, типы связей, отличающиеся связи, кратные связи, длины связей, прочности связей, углы связей между щелевыми атомами, углы связей между щелевыми атомами и нещелевыми атомами и/или изотопическое число. Щелевые атомы 250 и нещелевые атомы могут быть выбраны на основании их соответствующих атомарных характеристик с тем, чтобы оптимизировать щель 210 с точки зрения ее размера, формы, жесткости и видов колебаний (с точки зрения амплитуды, частоты и направления) по отношению к кристаллической структуре и/или атомам в ней.

[0091] Согласно различным вариантам реализации изобретения изменения в физической структуре щели 210, включая изменения формы и/или размера ее поперечного сечения и/или изменения формы или размера щелевых атомов 205, могут оказывать влияние на явление сопротивления. Например, по мере того, как увеличивается температура кристаллической структуры 100, поперечное сечение щели 210 может изменяться вследствие колебаний различных атомов в кристаллической структуре 100, а также изменений в их энергетических состояниях, или их заселенности, атомов в кристаллической структуре 100. Физическое сгибание, растяжение или сжатие кристаллической структуры 100 также может влиять на положения различных атомов в кристаллической структуре 100 и, следовательно, на поперечное сечение щели 210. Магнитные поля, прикладываемые к кристаллической структуре 100, также могут влиять на положения различных атомов в кристаллической структуре 100 и, следовательно, на поперечное сечение щели 210.

[0092] Фононы соответствуют различным видам колебаний в кристаллической структуре 100. Фононы в кристаллической структуре 100 могут взаимодействовать с электрическим зарядом, распространяющимся через кристаллическую структуру 100. Более конкретно, фононы в кристаллической структуре 100 могут заставлять атомы в кристаллической структуре 100 (например, щелевые атомы 250, нещелевые атомы и т.д.) взаимодействовать с электрическим зарядом, распространяющимся через кристаллическую структуру 100. Более высокие температуры приводят к более высокой фононной амплитуде и могут приводить к повышенному взаимодействию между фононами, атомами в кристаллической структуре 100 и таким электрическим зарядом. Различные варианты реализации изобретения могут минимизировать, уменьшать или иным образом модифицировать такое взаимодействие между фононами, атомами в кристаллической структуре 100 и таким электрическим зарядом в кристаллической структуре 100.

[0093] Фигура 3 иллюстрирует кристаллическую структуру 300 примерного ЧНС-материала 360 во второй проекции. Примерный ЧНС-материал 360 является сверхпроводящим материалом, обычно называемым ʺYBCOʺ, который, при определенных составах, имеет температуру перехода приблизительно 90 K. В частности, примерный ЧНС-материал 360, проиллюстрированный на фигуре 3, представляет собой YBCO-123. Кристаллическая структура 300 примерного ЧНС-материала 360 включает в себя различные атомы иттрия («Y»), бария («Ba»), меди («Cu») и кислорода («O»). Как проиллюстрировано на фигуре 3, щель 310 образован в кристаллической структуре 300 щелевыми атомами 350, а именно, атомами иттрия, меди и кислорода. Расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами иттрия в щели 310 составляет приблизительно 0,389 нм, расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами кислорода в щели 310 составляет приблизительно 0,285 нм, а расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами меди в щели 310 составляет приблизительно 0,339 нм.

[0094] Фигура 12 иллюстрирует кристаллическую структуру 300 примерного ЧНС-материала 360 в третьей проекции. Аналогично тому, что описано выше относительно фигуры 3, примерный ЧНС-материал 360 представляет собой YBCO-123, и щель 310 образован в кристаллической структуре 300 щелевыми атомами 350, а именно, атомами иттрия, меди и кислорода. В этой ориентации расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами иттрия в щели 310 составляет приблизительно 0,382 нм, расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами кислорода в щели 310 составляет приблизительно 0,288 нм, а расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами меди в щели 310 составляет приблизительно 0,339 нм. В этой ориентации, в дополнение к щели 310, кристаллическая структура 300 примерного ЧНС-материала 360 включает в себя щель 1210. Щель 1210 возникает в направлении b-оси кристаллической структуры 300. Более конкретно, щель 1210 возникает между отдельными элементарными ячейками примерного ЧНС-материала 360 в кристаллической структуре 300. Щель 1210 образована в кристаллической структуре 300 щелевыми атомами 1250, а именно, атомами бария, меди и кислорода. Расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами 1250 бария в щели 1210 составляет приблизительно 0,430 нм, расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами 1250 кислорода в щели 1210 составляет приблизительно 0,382 нм, и расстояние в поперечном сечении между щелевыми атомами 1250 меди в щели 1210 составляет приблизительно 0,382 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 1210 работает аналогично описанному здесь относительно щели 310. Для целей этого описания, щель 310 в YBCO может называться ʺиттриевой щельюʺ, тогда как щель 1210 в YBCO может называться ʺбариевой щельюʺ, на основании составов соответствующих им щелевых атомов 350, 1250.

[0095] Фигура 5 иллюстрирует кристаллическую структуру 500 примерного ЧНС-материала 560 при просмотре во второй проекции. Примерный ЧНС-материал 560 является ВТСП-материалом, обычно обозначаемым как ʺHgBa₂CuO₄ʺ, который имеет температуру перехода приблизительно 94 K. Кристаллическая структура 500 примерного ЧНС-материала 560 включает в себя различные атомы ртути («Hg»), бария («Ba»), меди («Cu») и кислорода («O»). Как проиллюстрировано на фигуре 5, щель 510 образована в кристаллической структуре 500 щелевыми атомами, которые содержат атомы бария, меди и кислорода.

[0096] Фигура 6 иллюстрирует кристаллическую структуру 600 примерного ЧНС-материала 660 при просмотре во второй проекции. Примерный ЧНС-материал 660 является ВТСП-материалом, обычно обозначаемым как ʺTl₂Ca₂Ba₂Cu₃O₁₀ʺ, который имеет температуру перехода приблизительно 128 K. Кристаллическая структура 600 примерного ЧНС-материала 660 включает в себя различные атомы таллия («Tl»), кальция («Ca»), бария («Ba»), меди («Cu») и кислорода («O»). Как проиллюстрировано на фигуре 6, щель 610 образована в кристаллической структуре 600 щелевыми атомами, которые содержат атомы кальция, бария, меди и кислорода. Как также проиллюстрировано на фигуре 6, в кристаллической структуре 600 также может быть образована вторичная щель 620 вторично-щелевыми атомами, которые содержат атомы кальция, меди и кислорода. Вторичные щели 620 могут работать аналогично щелям 610.

[0097] Фигура 7 иллюстрирует кристаллическую структуру 700 примерного ЧНС-материала 760 при просмотре во второй проекции. Примерный ЧНС-материал 760 является ВТСП-материалом, обычно обозначаемым как ʺLa₂CuO₄ʺ, который имеет температуру перехода приблизительно 39 K. Кристаллическая структура 700 примерного ЧНС-материала 760 включает в себя различные атомы лантана («La»), меди («Cu») и кислорода («O»). Как проиллюстрировано на фигуре 7, щель 710 образована в кристаллической структуре 700 щелевыми атомами, которые содержат атомы лантана и кислорода.

[0098] Фигура 8 иллюстрирует кристаллическую структуру 800 примерного ЧНС-материала 860 при просмотре во второй проекции. Примерный ЧНС-материал 860 является ВТСП-материалом, обычно обозначаемым как ʺAs₂Ba_0,34Fe₂K_0,66ʺ, который имеет температуру перехода приблизительно 38 K. Примерный ЧНС-материал 860 является представителем семейства ЧНС-материалов, иногда называемых ʺпниктидами железаʺ. Кристаллическая структура 800 примерного ЧНС-материала 860 включает в себя различные атомы мышьяка («As»), бария («Ba»), железа («Fe») и калия («K»). Как проиллюстрировано на фигуре 8, щель 810 образована в кристаллической структуре 800 щелевыми атомами, которые содержат атомы калия и мышьяка.

[0099] Фигура 9 иллюстрирует кристаллическую структуру 900 примерного ЧНС-материала 960 при просмотре во второй проекции. Примерный ЧНС-материал 960 является ВТСП-материалом, обычно обозначаемым как ʺMgB₂ʺ, который имеет температуру перехода приблизительно 39 K. Кристаллическая структура 900 примерного ЧНС-материала 960 включает в себя различные атомы магния («Mg») и бора («B»). Как проиллюстрировано на фигуре 9, щель 910 образована в кристаллической структуре 900 щелевыми атомами, которые содержат атомы магния и бора.

[00100] Каждый из вышеприведенных примерных ЧНС-материалов, проиллюстрированных на фигуре 3, фигурах 5-9 и фигуре 12, демонстрирует наличие различных щелей в таких материалах. Различные другие ЧНС-материалы имеют подобные щели. Будучи приписанными явлению сопротивления, щели и их соответствующие кристаллические структуры могут быть использованы для того, чтобы улучшать рабочие характеристики существующих ЧНС-материалов, выводить улучшенные ЧНС-материалы из существующих ЧНС-материалов и/или разрабатывать и создавать составы новых ЧНС-материалов. Для удобства описания, ЧНС-материал 360 (и его сопутствующие характеристики и структуры) далее в целом относится к различным ЧНС-материалам, включая, но не ограничиваясь ими, ЧНС-материал 560, ЧНС-материал 660, ЧНС-материал 760 и другие ЧНС-материалы, проиллюстрированные на чертежах, а не только к ЧНС-материалу, проиллюстрированному и описанному со ссылкой на фигуру 3.

[00101] Согласно различным вариантам реализации изобретения кристаллическая структура различных известных ЧНС-материалов может быть модифицирована так, что модифицированный ЧНС-материал работает с улучшенными рабочими характеристиками по сравнению с известным и/или немодифицированным ЧНС-материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения это также может осуществляться, например, посредством наслаивания некоего материала поверх кристаллической структуры 100 таким образом, что атомы этого материала охватывают щель 210 посредством формирования одной или более связей между первой частью 220 и второй частью 230, как будет понятно. Эта конкретная модификация наслаиванием материала поверх кристаллической структуры 100 подробнее описывается ниже в связи с различными результатами экспериментальных испытаний.

[00102] Фигура 10 иллюстрирует модифицированную кристаллическую структуру 1010 модифицированного ЧНС-материала 1060 при просмотре во второй проекции в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Фигура 11 иллюстрирует модифицированную кристаллическую структуру 1010 модифицированного ЧНС-материала 1060 при просмотре в первой проекции в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. ЧНС-материал 360 (например, к примеру, как проиллюстрировано на фигуре 3 и в другом месте) модифицирован, образовав модифицированный ЧНС-материал 1060. Модифицирующий материал 1020 образует связи с атомами кристаллической структуры 300 (по фигуре 3) ЧНС-материала 360, образуя модифицированную кристаллическую структуру 1010 модифицированного ЧНС-материала 1060, как проиллюстрировано на фигуре 11. Как проиллюстрировано, модифицирующий материал 1020 наводит ʺмостикʺ между первой частью 320 и второй частью 330, тем самым изменяя, помимо прочего, характеристики колебаний модифицированной кристаллической структуры 1010, в частности, в области щели 310. При этом модифицирующий материал 1020 сохраняет щель 310 при более высоких температурах. Соответственно, в некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 специально выбирается с тем, чтобы подходить и связываться с соответствующими атомами в кристаллической структуре 300.

[00103] В некоторых вариантах реализации изобретения и как проиллюстрировано на фигуре 10, модифицирующий материал 1020 связывается с гранью кристаллической структуры 300, которая параллельна b-плоскости (например, a-c-гранью). В таких вариантах реализации, где модифицирующий материал 1020 связывается с a-c-гранью, сохраняются щели 310, простирающиеся в направлении a-оси и обладающие поперечными сечениями, лежащими в a-плоскости. В таких вариантах реализации носители заряда протекают через щель 310 в направлении a-оси.

[00104] В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 связывается с гранью кристаллической структуры 300, которая параллельна a-плоскости (например, b-c-гранью). В таких вариантах реализации, где модифицирующий материал 1020 связывается с b-c-гранью, сохраняются щели 310, простирающиеся в направлении b-оси и обладающие поперечными сечениями, лежащими в b-плоскости. В таких вариантах реализации носители заряда протекают через щель 310 в направлении b-оси.

[00105] Различные варианты реализации изобретения включают в себя наслаивание на конкретную поверхность ЧНС-материала 360 модифицирующего материала 1020 (т.е. модифицирование конкретной поверхности ЧНС-материала 360 модифицирующим материалом 1020). Как будет уяснено из этого описания, ссылка на ʺмодифицирование поверхностиʺ ЧНС-материала 360 в конечном счете включает в себя модифицирование грани (а в некоторых случаях - более чем одной грани) одной или более элементарных ячеек 400 ЧНС-материала 360. Другими словами, модифицирующий материал 1020 фактически связывается с атомами в элементарной ячейке 400 ЧНС-материала 360.

[00106] Например, модифицирование поверхности ЧНС-материала 360, параллельной a-плоскости, включает в себя модифицирование b-c-граней элементарных ячеек 400. Аналогично, модифицирование поверхности ЧНС-материала 360, параллельной b-плоскости, включает в себя модифицирование a-c-граней элементарных ячеек 400. В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 связывается с поверхностью ЧНС-материала 360, которая является практически параллельной любой плоскости, которая параллельна c-оси. Для целей этого описания, плоскости, которые параллельны c-оси, в общем, называются ʺab-плоскостямиʺ, и как будет понятно, они включают a-плоскость и b-плоскость. Как будет понятно, поверхность ЧНС-материала 360, параллельная ab-плоскости, образована из некоторого сочетания a-c-граней и b-c-граней элементарных ячеек 400. В таких вариантах реализации, где модифицирующий материал 1020 связывается с поверхностью, параллельной ab-плоскости, сохраняются щели 310, простирающиеся в направлении a-оси, и щели 310, простирающиеся в направлении b-оси.

[00107] В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 может быть проводящим материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 может представлять собой материал с высоким сродством к кислороду (т.е. материал, который легко связывается с кислородом) (ʺсвязывающийся с кислородом материалʺ). В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 может быть проводящим материалом, который легко связывается с кислородом (ʺсвязывающимся с кислородом проводящим материаломʺ). Такие связывающиеся с кислородом проводящие материалы могут включать, но не ограничиваясь ими: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий и титан. Такие связывающиеся с кислородом проводящие материалы также могут включать, но не ограничиваясь ими: родий или бериллий. Другие модифицирующие материалы могут включать в себя галлий или селен. Другие модифицирующие материалы могут включать в себя серебро. Могут быть использованы еще и другие модифицирующие материалы.

[00108] В некоторых вариантах реализации изобретения могут образовываться оксиды модифицирующего материала 1020 во время различных операций, связанных с модифицированием ЧНС-материала 360 модифицирующим материалом 1020. Соответственно, в некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 может включать в себя практически чистую форму модифицирующего материала 1020 и/или различные оксиды модифицирующего материала 1020. Другими словами, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 модифицируют модифицирующим материалом 1020 и/или различными оксидами модифицирующего материала 1020. В качестве примера, но не ограничения, в некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 может содержать хром и/или оксид хрома (Cr_xO_y).

[00109] В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой YBCO, а модифицирующий материал 1020 может быть связывающимся с кислородом проводящим материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой YBCO, а модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, включающей в себя, но не ограничиваясь ими: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий или бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой YBCO, а модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, состоящей из следующего: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий и бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой YBCO, а модифицирующий материал 1020 может быть другим модифицирующим материалом.

[00110] В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы различные другие комбинации материалов на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью и связывающихся с кислородом проводящих материалов. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 соответствует материалу на основе меднооксидных перовскитов со смешанной валентностью, обычно называемому ʺBSCCOʺ. BSCCO включает в себя различные атомы висмута («Bi»), стронция («Sr»), кальция («Ca»), меди («Cu») и кислорода («O»). Сам по себе, BSCCO имеет температуру перехода приблизительно 100 K. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой BSCCO, а модифицирующий материал 1020 может быть связывающимся с кислородом проводящим материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой BSCCO, и модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, включающей в себя, но не ограничиваясь ими: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий или бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой BSCCO, и модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, состоящей из следующего: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий и бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой BSCCO, и модифицирующий материал 1020 может быть другим модифицирующим материалом.

[00111] В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы различные комбинации других ЧНС-материалов и модифицирующих материалов. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 соответствует материалу пниктиду железа. Пниктиды железа сами по себе имеют температуры перехода, которые находятся в диапазоне приблизительно 25-60 K. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой пниктид железа, а модифицирующий материал 1020 может быть связывающимся с кислородом проводящим материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой пниктид железа, а модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, включающей, но не ограничиваясь ими: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий или бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой пниктид железа, а модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, состоящей из следующего: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий и бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой пниктид железа, а модифицирующий материал 1020 может быть другим модифицирующим материалом.

[00112] В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы различные комбинации других ЧНС-материалов и модифицирующих материалов. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой диборид магния («MgB₂»). Сам по себе, диборид магния имеет температуру перехода приблизительно 39 K. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой диборид магния, а модифицирующий материал 1020 может быть связывающимся с кислородом проводящим материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой диборид магния, а модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, включающей, но не ограничиваясь ими: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий или бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой диборид магния, а модифицирующий материал 1020 может быть выбран из группы, состоящей из следующего: хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий и бериллий. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может представлять собой диборид магния, а модифицирующий материал 1020 может быть другим модифицирующим материалом.

[00113] В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 может быть наслоен на образец ЧНС-материала 360 с использованием различных методов наслаивания одной композиции на другую композицию, как будет понятно. Например, такие методы наслаивания включают, но не ограничиваясь ими, импульсное лазерное осаждение, испарение, включая соиспарение, электронно-лучевое испарение и активированное реактивное напыление, распыление, включая магнетронное распыление, ионно-лучевое распыление и ионное распыление, катодное дуговое осаждение, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), CVD из металлорганических соединений, плазмостимулированное CVD, молекулярно-лучевую эпитаксию, золь-гель-технологию, жидкофазную эпитаксию и/или другие методы наслаивания. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 360 может быть наслоен на образец модифицирующего материала 1020 с использованием различных методов наслаивания одной композиции на другую композицию. В некоторых вариантах реализации изобретения одноатомный слой модифицирующего материала 1020 (т.е. слой модифицирующего материала 1020, имеющий толщину, практически равную одному единственному атому или молекуле модифицирующего материала 1020) может наслаиваться на образец ЧНС-материала 360. В некоторых вариантах реализации изобретения слой в одну структурную единицу модифицирующего материала (т.е. слой модифицирующего материала, имеющий толщину, практически равную одной структурной единице (например, атому, молекуле, кристаллу или другой единице) модифицирующего материала) может наслаиваться на образец ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал может наслаиваться на слой в одну структурную единицу модифицирующего материала. В некоторых вариантах реализации изобретения на ЧНС-материал могут наслаиваться слои в две или более структурных единицы модифицирующего материала. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал может наслаиваться на слои в две или более структурных единицы модифицирующего материала.

[00114] В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирование ЧНС-материала 360 модифицирующим материалом 1020 сохраняет щель 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 при температурах на уровне, вблизи или выше температуры кипения азота. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше температуры кипения диоксида углерода. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше температуры кипения аммиака. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше температуры кипения различных составов фреона. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше температуры плавления воды. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше температуры плавления раствора воды и антифриза. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше комнатной температуры (например, 21°C). В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах на уровне, вблизи или выше температуры, выбранной из одной из следующего набора температур: 150 K, 160 K, 170 K, 180 K, 190 K, 200 K, 210 K, 220 K, 230 K, 240 K, 250 K, 260 K, 270 K, 280 K, 290 K, 300 K, 310 K. В некоторых вариантах реализации изобретения щель 310 сохраняется при температурах в диапазоне 150-315 K.

[00115] Фигуры 14A-14G иллюстрируют результаты 1400 испытаний, полученные так, как описано выше. Результаты 1400 испытаний включают в себя график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). Более конкретно, результаты 1400 испытаний соответствуют модифицированному ЧНС-материалу 1060, причем модифицирующий материал 1020 соответствует хрому, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. Фигура 14A включает в себя результаты 1400 испытаний по всему диапазону температуры, на протяжении которого измерено сопротивление модифицированного ЧНС-материала 1060, а именно, от 84 K до 286 K. Для дополнительной детальности, результаты 1400 испытаний разбиты на различные диапазоны температур и проиллюстрированы. В частности, фигура 14B иллюстрирует результаты 1400 испытаний в диапазоне температур от 240 K до 280 K; фигура 14C иллюстрирует результаты 1400 испытаний в диапазоне температур от 210 K до 250 K; фигура 14D иллюстрирует результаты 1400 испытаний в диапазоне температур от 180 K до 220 K; фигура 14E иллюстрирует результаты 1400 испытаний в диапазоне температур от 150 K до 190 K; фигура 14F иллюстрирует результаты 1400 испытаний в диапазоне температур от 120 K до 160 K; и фигура 14G иллюстрирует результаты 1400 испытаний в диапазоне температур от 84,5 K до 124,5 K.

[00116] Результаты 1400 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Проведено шесть испытаний на основе анализа образцов. Для каждого тестового прогона анализа образцов модифицированный ЧНС-материал 1060 медленно охлаждали от приблизительно 286 K до 83 K. При охлаждении источник тока подавал ток +60 нА и -60 нА в конфигурации дельта-режима (включение по схеме треугольника) для того, чтобы уменьшить влияние каких-либо постояннотоковых смещений и/или термоэлектрических эффектов. Через регулярные интервалы времени измеряли напряжение на модифицированном ЧНС-материале 1060 вольтметром. Для каждого тестового прогона анализа образца временные ряды измерений напряжения фильтровали с использованием 512-точечного быстрого преобразования Фурье (ʺБПФʺ). Все, кроме 44 самых нижних частот из БПФ, исключали из данных, и отфильтрованные данные возвращали во временную область. Отфильтрованные данные из каждого тестового прогона анализа образца затем объединяли, получив результаты 1400 испытаний. Более конкретно, все результаты измерения сопротивления из шести тестовых прогонов анализа образца организовали в последовательность диапазонов температуры (например, 80K-80,25K, 80,25K-80,50K, 80,5K-80,75 K и т.д.) таким образом, который называется ʺбиннингомʺ. Затем результаты измерения сопротивления в каждом диапазоне температуры усредняли, чтобы получить среднее измеренное значение сопротивления для каждого диапазона температуры. Эти средние измеренные значения сопротивления образуют результаты 1400 испытаний.

[00117] Результаты 1400 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 1410 на графике зависимости сопротивления от температуры, причем каждый из таких дискретных скачков 1410 представляет собой относительно быстрое изменение сопротивления в относительно узком диапазоне температуры. При каждом из этих дискретных скачков 1410 дискретные части модифицированного ЧНС-материала 1060 начинают распространять электрический заряд вплоть до способности к распространению заряда таких частей при соответствующих температурах. При очень малых масштабах поверхность модифицированного ЧНС-материала 360 не является идеально гладкой, и поэтому щели 310, выходящие на поверхности ЧНС-материала 360, типично не простираются по всей ширине или длине образца модифицированного ЧНС-материала 1060. Соответственно, в некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 1020 покрывает всю поверхность ЧНС-материала 360 и может действовать в качестве проводника, который переносит электрический заряд между щелями 310.

[00118] Перед более подробным обсуждением результатов 1400 испытаний поясняются различные характеристики ЧНС-материала 360 и модифицирующего материала 1020. Профили зависимости сопротивления от температуры (ʺR-Tʺ) этих материалов по отдельности, в общем, хорошо известны. Отдельные R-T-профили этих материалов не предполагаются включающими признаки, аналогичные найденным в результатах 1400 испытаний дискретным скачкам 1410. Фактически, немодифицированные образцы ЧНС-материала 360 и образцы модифицирующего материала 1020 были испытаны по отдельности при аналогичных, а зачастую и идентичных конфигурациях испытаний и измерений. В каждом случае, R-T-профиль немодифицированных образцов ЧНС-материала 360 и R-T-профиль модифицирующего материала по отдельности не включали в себя каких-либо признаков, подобных дискретным скачкам 1410. Соответственно, дискретные скачки 1410 являются результатом модифицирования ЧНС-материала 360 модифицирующим материалом 1020, сохраняя щель 310 при увеличенных температурах, тем самым позволяя модифицированному материалу 1060 оставаться в ЧНС-состоянии при таких увеличенных температурах в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00119] При каждом из дискретных скачков 1410 различные из щелей 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 начинают распространять электрический заряд вплоть до способности к распространению заряда каждой щели 310. Как измерено вольтметром, каждая распространяющая заряд щель 310 выглядит как короткое замыкание, снижающее наблюдаемое напряжение на образце модифицированного ЧНС-материала 1060 на небольшую величину. Наблюдаемое напряжение продолжает падать по мере того, как дополнительные из щелей 310 начинают распространять электрический заряд до тех пор, пока температура образца модифицированного ЧНС-материала 1060 не достигнет температуры перехода ЧНС-материала 360 (т.е. температуры перехода немодифицированного ЧНС-материала, которая в случае YBCO составляет приблизительно 90 K).

[00120] Результаты 1400 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 97 K, 100 K, 103 K, 113 K, 126 K, 140 K, 146 K, 179 K, 183,5 K, 200,5 K, 237,5 K и 250 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах в полном диапазоне температур, как будет понятно.

[00121] Результаты 1400 испытаний включают в себя различные другие относительно быстрые изменения сопротивления на протяжении относительно узкого диапазона температуры, не идентифицируемые иначе как дискретный скачок 1410. Некоторые из этих других изменений могут соответствовать артефактам из-за методов обработки данных, используемых в отношении результатов измерений, полученных при проведении тестовых прогонов (например, БПФ, фильтрации и т.д.) Некоторые из этих других изменений могут соответствовать изменениям сопротивления вследствие резонансных частот в модифицированной кристаллической структуры 1010, влияющих на щель 310 при различных температурах. Некоторые из этих других изменений могут соответствовать дополнительным дискретным скачкам 1410. Помимо этого, изменения сопротивления в диапазоне температуры 270-274 K, вероятно, связаны с водой, присутствующей в модифицированном ЧНС-материале 1060, некоторая часть которой могла быть введена во время приготовления образца модифицированного ЧНС-материала 1060.

[00122] В дополнение к дискретным скачкам 1410, результаты 1400 испытаний отличаются от R-T-профиля ЧНС-материала 360 тем, что модифицирующий материал 1020 хорошо проводит при температурах выше температуры перехода ЧНС-материала 360, тогда как ЧНС-материал 360 - обычно нет.

[00123] Фигура 15 иллюстрирует дополнительные результаты 1500 испытаний для образцов ЧНС-материала 360 и модифицирующего материала 1020. Более конкретно, в случае результатов 1500 испытаний, модифицирующий материал 1020 соответствует хрому, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. В случае результатов 1500 испытаний образцы ЧНС-материала 360 подготовили, использовав различные обсуждавшиеся выше методы, чтобы открыть грань кристаллической структуры 300, параллельную a-плоскости или b-плоскости. Результаты 1500 испытаний собирали, используя синхронный усилитель и источник тока K6221, который подавал ток в 10 нА при 24,0 Гц к модифицированному ЧНС-материалу 1060. Результаты 1500 испытаний включают в себя график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). Фигура 15 включает в себя результаты 1500 испытаний по всему диапазону температуры, в котором измерено сопротивление модифицированного ЧНС-материала 1060, а именно, от 80 K до 275 K. Результаты 1500 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Проведено пять тестовых прогонов анализа образцов с образцом модифицированного ЧНС-материала 1060. При каждом тестовом прогоне анализа образца образец модифицированного ЧНС-материала 1060 медленно нагревали от 80 K до 275 K. При нагревании напряжение на образце модифицированного ЧНС-материала 1060 измеряли через регулярные интервалы времени и рассчитывали сопротивление на основе тока источника. Для каждого тестового прогона анализа образца временные ряды измерений сопротивления фильтровали с использованием 1024-точечного БПФ. Все, кроме 15 самых нижних частот из БПФ, исключали из данных, и отфильтрованные измерения сопротивления возвращали во временную область. Отфильтрованные измерения сопротивления из каждого тестового прогона анализа образца затем объединяли с использованием упомянутого выше процесса биннинга, получив результаты 1500 испытаний. Затем измерения сопротивления в каждом диапазоне температуры усредняли, чтобы получить среднее измеренное значение сопротивления для каждого диапазона температуры. Эти средние измеренные значения сопротивления образуют результаты 1500 испытаний.

[00124] Результаты 1500 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 1510 на графике зависимости сопротивления от температуры, причем каждый из таких дискретных скачков 1510 представляет собой относительно быстрое изменение сопротивления в относительно узком диапазоне температуры, аналогично дискретным скачкам 1410, поясненным выше относительно фигур 14A-14G. При каждом из этих дискретных скачков 1510 дискретные части модифицированного ЧНС-материала 1060 распространяют электрический заряд вплоть до способности к распространению заряда таких частей при соответствующих температурах.

[00125] Результаты 1500 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 120 K, 145 K, 175 K, 225 K и 250 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах в полном диапазоне температур, как будет понятно.

[00126] Фигуры 16-20 иллюстрируют дополнительные результаты испытаний для образцов ЧНС-материала 360 и различных модифицирующих материалов 1020. Для этих дополнительных результатов испытаний образцы ЧНС-материала 360 подготовили с использованием поясненных выше различных методов, чтобы открыть грань кристаллической структуры 300, практически параллельную a-плоскости или b-плоскости или некоторой комбинации a-плоскости или b-плоскости, и модифицирующий материал наслаивали на эти открытые грани. Каждый из этих модифицированных образцов медленно охлаждали от приблизительно 300 K до 80 K. При нагревании источник тока подавал ток в конфигурации дельта-режима через модифицированный образец, как описано ниже. Через регулярные интервалы времени измеряли напряжение на модифицированном образце. Для каждого тестового прогона анализа образца временные ряды измерений напряжения фильтровали в частотной области с использованием БПФ посредством удаления всех, кроме самых нижних, частот, и отфильтрованные измерения возвращали во временную область. Число сохраняемых частот обычно различно для каждого набора данных. Отфильтрованные данные из каждого из тестовых прогонов затем подвергали биннингу и усредняли, получив результаты испытаний, проиллюстрированные на фигурах 16-21.

[00127] Фигура 16 иллюстрирует результаты 1600 испытаний, включая график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). В случае результатов 1600 испытаний модифицирующий материал 1020 соответствует ванадию, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. Результаты 1600 испытаний получили по 11 тестовым прогонам с использованием источника тока в 20 нА, выполнили 1024-точечное БПФ и исключили информацию от всех, кроме 12 самых нижних частот. Результаты 1600 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Результаты 1600 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 1610 на графике зависимости сопротивления от температуры, аналогичном рассмотренным выше относительно фигур 14A-14G. Результаты 1600 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 267 K, 257 K, 243 K, 232 K и 219 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах.

[00128] Фигура 17 иллюстрирует результаты 1700 испытаний, включая график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). В случае результатов 1700 испытаний модифицирующий материал 1020 соответствует висмуту, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. Результаты 1700 испытаний получили по 5 тестовым прогонам с использованием источника тока в 400 нА, выполнили 1024-точечное БПФ и исключили информацию от всех, кроме 12 самых нижних частот. Результаты 1700 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Результаты 1700 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 1710 на графике зависимости сопротивления от температуры, аналогичном рассмотренным выше относительно фигур 14A-14G. Результаты 1700 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 262 K, 235 K, 200 K, 172 K и 141 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах.

[00129] Фигура 18 иллюстрирует результаты 1800 испытаний, включая график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). В случае результатов 1800 испытаний модифицирующий материал 1020 соответствует меди, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. Результаты 1800 испытаний получили по 6 тестовым прогонам с использованием источника тока в 200 нА, выполнили 1024-точечное БПФ и исключили информацию от всех, кроме 12 самых нижних частот. Результаты 1800 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Результаты 1800 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 1810 на графике зависимости сопротивления от температуры, аналогичном рассмотренным выше относительно фигур 14A-14G. Результаты 1800 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 268 K, 256 K, 247 K, 235 K и 223 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах.

[00130] Фигура 19 иллюстрирует результаты 1900 испытаний, включая график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). В случае результатов 1900 испытаний модифицирующий материал 1020 соответствует кобальту, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. Результаты 1900 испытаний получили по 11 тестовым прогонам с использованием источника тока в 400 нА, выполнили 1024-точечное БПФ и исключили информацию от всех, кроме 12 самых нижних частот. Результаты 1900 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Результаты 1900 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 1910 на графике зависимости сопротивления от температуры, аналогичном рассмотренным выше относительно фигур 14A-14G. Результаты 1900 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 265 K, 236 K, 205 K, 174 K и 143 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах.

[00131] Фигура 20 иллюстрирует результаты 2000 испытаний, включая график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). В случае результатов 2000 испытаний модифицирующий материал 1020 соответствует титану, а ЧНС-материал 360 соответствует YBCO. Результаты 2000 испытаний получили по 25 тестовым прогонам с использованием источника тока в 100 нА, выполнили 512-точечное БПФ и исключили информацию от всех, кроме 11 самых нижних частот. Результаты 2000 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360. Результаты 2000 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 2010 на графике зависимости сопротивления от температуры, аналогичном рассмотренным выше относительно фигур 14A-14G. Результаты 2000 испытаний указывают, что определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 266 K, 242 K и 217 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах.

[00132] Фигура 21A-21B иллюстрирует результаты 2100 испытаний, включая график сопротивления модифицированного ЧНС-материала 1060 как функцию температуры (в K). В случае результатов 2100 испытаний модифицирующий материал 1020 соответствует хрому, а ЧНС-материал 360 соответствует BSSCO. Фигура 21A включает в себя результаты 2100 испытаний во всем диапазоне температуры, в котором измерено сопротивление модифицированного ЧНС-материала 1060, а именно, от 80 K до 270 K. Для дополнительной детальности результаты 2100 испытаний развернули по диапазону температур 150K-250K, как проиллюстрировано на фигуре 21B. Результаты 2100 испытаний собирали способом, аналогичным поясненным выше относительно ФИГ. 16-20. В частности, результаты 2100 испытаний получили по 25 тестовым прогонам с использованием источника тока в 300 нА. Данные от этих тестовых прогонов сглаживали по методу Савицкого-Голея, с использованием 64 боковых точек и полиномов четвертого порядка. Результаты 2100 испытаний демонстрируют, что различные части модифицированного ЧНС-материала 1060 работают в ЧНС-состоянии при более высоких температурах относительно ЧНС-материала 360 (здесь - BSSCO). Результаты 2100 испытаний включают в себя различные дискретные скачки 2110 на графике зависимости сопротивления от температуры, аналогичном рассмотренным выше относительно фигур 14A-14G. Результаты 2100 испытаний указывают, что определенные щели в модифицированном ЧНС-материале 1060 распространяют электрический заряд при приблизительно 184 K и 214 K. Определенные щели 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 могут распространять электрический заряд при других температурах.

[00133] В других экспериментах модифицирующий материал 1020 наслаивали на поверхность ЧНС-материала 360, практически параллельную c-плоскости кристаллической структуры 300. Эти результаты испытаний (не проиллюстрированы иным образом) демонстрируют, что наслаивание модифицирующим материалом 1020 поверхности ЧНС-материала 360, параллельной c-плоскости, не давало каких-либо дискретных скачков, таких как описанные выше (например, дискретные скачки 1410). Эти результаты испытаний указывают, что модифицирование поверхности ЧНС-материала 360, которая перпендикулярна направлению, в котором ЧНС-материал 360 не демонстрирует (или склонен не демонстрировать) явление сопротивления, не улучшает рабочие характеристики немодифицированного ЧНС-материала. Другими словами, модифицирование таких поверхностей ЧНС-материала 360 может не сохранять щель 310. В соответствии с различными принципами изобретения модифицирующий материал должен наслаиваться на поверхности ЧНС-материала, которые параллельны направлению, в котором ЧНС-материал не демонстрирует (или склонен не демонстрировать) явление сопротивления. Более конкретно, например, относительно ЧНС-материала 360 (проиллюстрированного на фигуре 3), модифицирующий материал 1020 должен связываться с a-c-гранью или b-c-гранью кристаллической структуры 300 (обе из этих граней параллельны c-оси) в ЧНС-материале 360 (который не склонен демонстрировать явление сопротивления в направлении c-оси), чтобы сохранять щель 310.

[00134] Фигура 22 иллюстрирует компоновку 2200, включающую в себя чередующиеся слои ЧНС-материала 360 и модифицирующего материала 1020, полезную для распространения дополнительного электрического заряда согласно различным вариантам реализации изобретения. Такие слои могут быть осаждены друг на друге с использованием различных методов осаждения. Различные методы могут быть использованы для того, чтобы улучшать совмещение кристаллических структур 300 в слоях ЧНС-материала 360. Улучшенное совмещение кристаллических структур 300 может приводить к щелям 310 увеличенной длины через кристаллическую структуру 300, что, в свою очередь, может обеспечивать работу при более высоких температурах и/или с увеличенной способностью к распространению заряда. Компоновка 2200 обеспечивает увеличенное число щелей 310 в модифицированном ЧНС-материале 1060 на каждой поверхности раздела между смежными слоями модифицирующего материала 1020 и ЧНС-материала 360. Увеличенное число щелей 310 может увеличивать способность к распространению заряда компоновки 2200.

[00135] В некоторых вариантах реализации изобретения может быть использовано любое число слоев. В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы другие ЧНС-материалы и/или другие модифицирующие материалы. В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы дополнительные слои других материалов (например, изоляторы, проводники или другие материалы) между спаренными слоями ЧНС-материала 360 и модифицирующего материала 1020, чтобы смягчить различные эффекты (например, магнитные эффекты, миграцию материалов или другие эффекты) или улучшать характеристики модифицированного ЧНС-материала 1060, сформированного в таких спаренных слоях. В некоторых вариантах реализации изобретения не все слои спарены. Другими словами, компоновка 2200 может иметь один или более лишних (т.е. неспаренных) слоев ЧНС-материала 360 или один или более лишних слоев модифицирующего материала 1020.

[00136] Фигура 23 иллюстрирует дополнительные слои 2310 (проиллюстрированные как слой 2310A, слой 2310B, слой 2310C и слой 2310D) модифицированной кристаллической структуры 1010 в модифицированном ЧНС-материале 1060 согласно различным вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано, модифицированный ЧНС-материал 1060 включает в себя различные щели 310 (проиллюстрированные как щель 310A, щель 310B и щель 310C) на различных расстояниях в материале 1060 от модифицирующего материала 1020, которые образуют связи с атомами кристаллической структуры 300 (по фигуре 3). Щель 310A является ближайшей к модифицирующему материалу 1020, за которой идет щель 310B, после которой, в свою очередь, идет щель 310C, и т.д. В соответствии с различными вариантами реализации изобретения влияние модифицирующего материала 1020 является наибольшим относительно щели 310A, после чего следует меньшее влияние относительно щели 310B, после чего, в свою очередь, следует меньшее влияние относительно щели 310C и т.д. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения модифицирующий материал 1020 должен лучше сохранять щель 310A, чем щель 310B или щель 310C, вследствие близости щели 310A к модифицирующему материалу 1020; аналогично, модифицирующий материал 1020 должен лучше сохранять щель 310B, чем щель 310C, вследствие близости щели 310B к модифицирующему материалу 1020 и т.д. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения модифицирующий материал 1020 должен лучше сохранять поперечное сечение щели 310A, чем поперечные сечения щели 310B или щели 310C, вследствие близости щели 310A к модифицирующему материалу 1020; аналогично, модифицирующий материал 1020 должен лучше сохранять поперечное сечение щели 310B, чем поперечное сечение щели 310C, вследствие близости щели 310B к модифицирующему материалу 1020 и т.д. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения модифицирующий материал 1020 должен оказывать большее влияние на способность к распространению заряда щели 310A при конкретной температуре, чем на способность к распространению заряда щели 310B или щели 310C при этой конкретной температуре, вследствие близости щели 310A к модифицирующему материалу 1020; аналогично, модифицирующий материал 1020 должен оказывать большее влияние на способность к распространению заряда щели 310B при конкретной температуре, чем на способность к распространению заряда щели 310C при этой конкретной температуре, вследствие близости щели 310B к модифицирующему материалу 1020 и т.д. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения модифицирующий материал 1020 должен улучшать распространение электрического заряда через щель 310A в большей степени, чем распространение электрического заряда через щель 310B или через щель 310C, вследствие близости щели 310A к модифицирующему материалу 1020; аналогично, модифицирующий материал 1020 должен улучшать распространение электрического заряда через щель 310B в большей степени, чем распространение электрического заряда через щель 310C, вследствие близости щели 310B к модифицирующему материалу 1020 и т.д.

[00137] Различные результаты испытаний, описанные выше, например, результаты 1400 испытаний по фигуре 14, помимо других, поддерживают эти аспекты различных вариантов реализации изобретения, т.е. в общем, то, что влияние модифицирующего материала 1020 на щели 310 варьируется в зависимости от их близости к друг другу. В частности, каждый дискретный скачок 1410 в результатах 1400 испытаний может соответствовать изменению в электрическом заряде, переносимом модифицированным ЧНС-материалом 1060 по мере того, как эти щели 310 в конкретном слое 2310 (или, более точно, щели 310, образовавшиеся между смежными слоями 2310, как проиллюстрировано) распространяют электрический заряд вплоть до способности к распространению заряда таких щелей 310. Тем щелям 310 в слоях 2310, которые ближе к модифицирующему материалу 1020, соответствуют дискретные скачки 1410 при более высоких температурах, тогда как тем щелям 310 в слоях 2310, которые дальше от модифицирующего материала 1020, соответствуют дискретные скачки 1410 при более низких температурах. Дискретные скачки 1410 являются ʺдискретнымиʺ в том смысле, что щели 310 на неком данном относительном расстоянии до модифицирующего материала 1020 (т.е. щели 310A между слоями 2310A и 2310B) распространяют электрический заряд при конкретной температуре и быстро достигают своей максимальной способности к распространению заряда. Другой дискретный скачок 1410 достигается, когда щели 310 с увеличенным расстоянием от модифицирующего материала 1020 (т.е. щели 310B между слоями 2310B и 2310C) распространяют электрический заряд при более низкой температуре в результате увеличенного расстояния и, следовательно, уменьшенного влияния модифицирующего материала 1020 на эти щели 310. Каждый дискретный скачок 1410 соответствует другому набору щелей 310, начинающих переносить электрический заряд с учетом своего расстояния от модифицирующего материала 1020. Тем не менее, на некотором расстоянии, модифицирующий материал 1020 может оказывать недостаточное влияние на некоторые щели 310, чтобы заставлять их переносить электрический заряд при более высокой температуре, чем они переносили бы в противном случае; следовательно, такие щели 310 распространяют электрический заряд при температуре, согласующейся с температурой ЧНС-материала 360.

[00138] В некоторых вариантах реализации изобретения расстояние между модифицирующим материалом 1020 и щелями 310 уменьшается так, чтобы увеличивать влияние модифицирующего материала 1020 на большее число щелей 310. Фактически, большее число щелей 310 должно распространять электрический заряд при дискретных скачках 1410, ассоциированных с более высокими температурами. Например, в компоновке 2200 по фигуре 22 и в соответствии с различными вариантами реализации изобретения, слои ЧНС-материала 360 могут быть выполнены имеющими толщину лишь в несколько элементарных ячеек для того, чтобы уменьшить расстояние между щелями 310 в ЧНС-материале 360 и модифицирующим материалом 1020. Уменьшение этого расстояния должно увеличивать число щелей 310, на которые оказывает влияние модифицирующий материал 1020 при данной температуре. Уменьшение этого расстояния также увеличивает число чередующихся слоев ЧНС-материала 360 при данной полной толщине компоновки 2200, тем самым увеличивая общую способность компоновки 2200 к распространению заряда.

[00139] Фигура 24 иллюстрирует пленку 2400 ЧНС-материала 2410, сформированную на подложке 2420, хотя подложка 2420 может не быть необходимой в различных вариантах реализации изобретения. В различных вариантах реализации изобретения пленка 2400 может быть сформирована как лента с длиной, например, более 10 см, 1 м, 1 км или более. Такие ленты могут быть применимыми, например, в качестве ЧНС-проводников или ЧНС-проводов. Как будет понятно, хотя различные варианты реализации изобретения описаны в отношении ЧНС-пленок, такие варианты реализации также применимы к ЧНС-лентам.

[00140] Для целей этого описания и как проиллюстрировано на фигуре 24, пленка 2400 имеет первичную поверхность 2430 и главную ось 2440. Главная ось 2440 соответствует оси, идущей вдоль длины пленки 2400 (в противоположность ширине пленки 2400 или толщине пленки 2400). Главная ось 2440 соответствует первичному направлению, в котором электрический заряд протекает через пленку 2400. Первичная поверхность 2430 соответствует преобладающей поверхности пленки 2400, как проиллюстрировано на фигуре 24, и соответствует поверхности, ограниченной шириной и длиной пленки 2400. Как будет понятно, пленки 2400 могут иметь различные длины, ширины и/или толщины без отступления от объема изобретения.

[00141] В некоторых вариантах реализации изобретения во время изготовления пленки 2400 кристаллические структуры ЧНС-материала 2410 могут быть ориентированы таким образом, что их c-ось является практически перпендикулярной первичной поверхности 2430 пленки 2400, и либо a-ось, либо b-ось их соответствующих кристаллических структур является практически параллельной главной оси 2440. Следовательно, как проиллюстрировано на фигуре 24, c-ось упоминается по названию, а a-ось и b-ось конкретно не помечаются, что отражает их взаимозаменяемость для целей описания различных вариантов реализации изобретения. В некоторых процессах изготовления пленки 2400 кристаллические структуры ЧНС-материала могут быть ориентированы таким образом, что любая данная линия в c-плоскости может быть практически параллельной главной оси 2440.

[00142] Для целей этого описания, пленки 2400 с c-осью своих соответствующих кристаллических структур, ориентированной практически перпендикулярно первичной поверхности 2430 (включая пленку 2400, проиллюстрированную на фигуре 24), называются ʺc-пленкамиʺ (т.е. c-пленкой 2400). C-пленка 2400 с ЧНС-материалом 2410, состоящим из YBCO, предлагается на рынке, например, компаниями American Superconductors^TM (например, сверхпроводник 344 - тип 348C) или Theva Dünnschichttechnik GmbH (например, покрытые ВТСП проводники).

[00143] В некоторых вариантах реализации изобретения подложка 2420 может включать в себя материал подложки, включая, но не ограничиваясь ими, MgO, STO, LSGO, поликристаллический материал, такой как металл или керамика, инертный оксидный материал, кубический оксидный материал, редкоземельный оксидный материал или другой материал подложки, как это будет понятно.

[00144] Согласно различным вариантам реализации изобретения (и как подробнее описано ниже), модифицирующий материал 1020 наслаивается на надлежащую поверхность ЧНС-материала 2410, при этом надлежащая поверхность ЧНС-материала 2410 соответствует любой поверхности, которая не является практически перпендикулярной c-оси кристаллической структуры ЧНС-материала 2410. Другими словами, надлежащая поверхность ЧНС-материала 2410 может соответствовать любой поверхности, которая не является практически параллельной первичной поверхности 2430. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащая поверхность ЧНС-материала 2410 может соответствовать любой поверхности, которая является практически параллельной c-оси кристаллической структуры ЧНС-материала 2410. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащая поверхность ЧНС-материала 2410 может соответствовать любой поверхности, которая не является практически перпендикулярной c-оси кристаллической структуры ЧНС-материала 2410. Чтобы модифицировать надлежащую поверхность c-пленки 2400 (первичная поверхность 2430 которой является практически перпендикулярной c-оси кристаллической структуры ЧНС-материала 2410), надлежащая поверхность ЧНС-материала 2410 может быть сформирована на или в c-пленке 2400. В некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 может быть обработана так, чтобы открыть надлежащую(ие) поверхность(и) ЧНС-материала 2410 на или в c-пленке 2400, на которую следует наслаивать модифицирующий материал. В некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 может быть обработана таким образом, чтобы открыть одну или более щелей 210 ЧНС-материала 2410 на или в c-пленке 2400, на которую следует наслаивать модифицирующий материал. Как будет понятно, в различных вариантах реализации изобретения модифицирующий материал может наслаиваться на первичную поверхность 2430 в дополнение к упомянутым выше надлежащим поверхностям.

[00145] Обработка первичной поверхности 2430 c-пленки 2400 таким образом, чтобы открыть надлежащие поверхности и/или щели 210 ЧНС-материала 2410, может содержать различные методы формирования рисунка, включая различные процессы жидкостной обработки или процессы сухой обработки. Различные процессы жидкостной обработки могут включать в себя отслаивание, химическое травление или другие процессы, любой из которых может включать в себя использование химикатов и которые могут открывать различные другие поверхности в c-пленке 2400. Различные процессы сухой обработки могут включать в себя облучение пучком ионов или электронов, прямую запись лазером, лазерную абляцию или лазерное реактивное формирование рисунка или другие процессы, которые могут открывать различные надлежащие поверхности и/или щели 210 ЧНС-материала 2410 в c-пленке 2400.

[00146] Как проиллюстрировано на фигуре 25, первичная поверхность 2430 c-пленки 2400 может быть обработана таким образом, чтобы открыть надлежащую поверхность в c-пленке 2400. Например, c-пленка 2400 может быть обработана таким образом, чтобы открыть грань в c-пленке 2400, практически параллельную b-плоскости кристаллической структуры 100, или грань в c-пленке 2400, практически параллельную a-плоскости кристаллической структуры 100. Если обобщить, в некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 c-пленки 2400 может быть обработана таким образом, чтобы открыть надлежащую поверхность в c-пленке 2400, соответствующую a/b-c-грани (т.е. грани, практически параллельной ab-плоскости). В некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 c-пленки может быть обработана таким образом, чтобы открыть любую грань в c-пленке 2400, которая не является практически параллельной первичной поверхности 2430. В некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 c-пленки может быть обработана таким образом, чтобы открыть любую грань в c-пленке 2400, которая не является практически параллельной первичной поверхности 2430, а также практически параллельной главной оси 2440. Любые из этих граней, в том числе и комбинации этих граней, могут соответствовать надлежащим поверхностям ЧНС-материала 2410 на или в c-пленке 2400. Согласно различным вариантам реализации изобретения надлежащие поверхности ЧНС-материала 2410 обеспечивают доступ к щелям 210 в ЧНС-материале 2410 или иным образом ʺоткрываютʺ их для целей сохранения таких щелей 210.

[00147] В некоторых вариантах реализации изобретения, как проиллюстрировано на фигуре 25, первичную поверхность 2430 обрабатывают, чтобы сформировать одну или более канавок 2510 на первичной поверхности 2430. Канавки 2510 включают в себя одну или более надлежащих поверхностей (т.е. иных поверхностей, чем поверхность, практически параллельная первичной поверхности 2430), на которых следует осаждать модифицирующий материал. Хотя канавки 2510 проиллюстрированы на фигуре 25 как имеющие поперечное сечение, практически прямоугольное по форме, могут быть использованы другие формы поперечных сечений, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения ширина канавок 2510 может превышать 10 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения и как проиллюстрировано на фигуре 25, глубина канавок 2510 может быть меньше полной толщины ЧНС-материала 2410 c-пленки 2400. В некоторых вариантах реализации изобретения и как проиллюстрировано на фигуре 26, глубина канавок 2510 может быть практически равной толщине ЧНС-материала 2410 c-пленки 2400. В некоторых вариантах реализации изобретения глубина канавок 2510 может идти через ЧНС-материал 2410 c-пленки 2400 и в подложку 2420 (не проиллюстрировано иным образом). В некоторых вариантах реализации изобретения глубина канавок 2510 может соответствовать толщине одной или более структурных единиц ЧНС-материала 2410 (не проиллюстрировано иным образом). Канавки 2510 могут быть сформированы на первичной поверхности 2430 с использованием различных методов, таких как, но не ограничиваясь ими, лазерное травление, или другие методы.

[00148] В некоторых вариантах реализации изобретения длина канавок 2510 может соответствовать полной длине c-пленки 2400. В некоторых вариантах реализации изобретения канавки 2510 являются практически параллельными друг другу и главной оси 2440. В некоторых вариантах реализации изобретения канавки 2510 могут принимать различные конфигурации и/или компоновки в соответствии с различными аспектами изобретения. Например, канавки 2510 могут простираться любым образом и/или в любом направлении и могут включать в себя линии, кривые и/или другие геометрические формы в поперечном сечении с варьирующимися размерами и/или формами на своем протяжении.

[00149] Хотя различные аспекты изобретения описаны как формирование канавок 2510 на первичной поверхности 2430, как будет понятно, на подложке 2420 могут быть сформированы возвышения, углы или выступы, которые включают в себя надлежащие поверхности ЧНС-материала 2410, чтобы добиться аналогичных геометрий.

[00150] Согласно различным вариантам реализации изобретения c-пленка 2400 может быть модифицирована с образованием различных модифицированных c-пленок. Например, обращаясь к фигуре 27, модифицирующий материал 2720 (т.е. модифицирующий материал 1020, модифицирующий материал 1020) может наслаиваться на первичную поверхность 2430 и в канавки 2510, сформированные на первичной поверхности 2430 немодифицированной c-пленки (например, c-пленки 2400), и, следовательно, на различные надлежащие поверхности 2710, образуя модифицированную c-пленку 2700. Надлежащие поверхности 2710 могут включать любые надлежащие поверхности, поясненные выше. Хотя надлежащие поверхности 2710 проиллюстрированы на фигуре 27 как перпендикулярные первичной поверхности 2430, это не является обязательным, что будет понятно из этого описания.

[00151] В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может наслаиваться на первичную поверхность 2430 и в канавки 2510, как проиллюстрировано на фигуре 27. В некоторых вариантах реализации, таких как проиллюстрированные на фигуре 28, модифицирующий материал 2720 может быть удален с первичной поверхности 2430, образуя модифицированную c-пленку 2800, с использованием различных методов, так что модифицирующий материал 2720 остается только в канавках 2510 (например, различных методов полировки). В некоторых вариантах реализации модифицированная c-пленка 2800 может быть осуществлена посредством наслаивания модифицирующего материала 2720 только в канавки 2510. Другими словами, в некоторых вариантах реализации модифицирующий материал 2720 может наслаиваться только в канавки 2510 и/или на надлежащие поверхности 2710 без наслаивания модифицирующего материала 2720 на первичную поверхность 2430, или же может наслаиваться таким образом, что модифицирующий материал 2720 не связывается или не сцепляется иным образом с первичной поверхностью 2430 (например, с использованием различных методов маскирования). В некоторых вариантах реализации изобретения могут использоваться различные методы избирательного осаждения для того, чтобы наслаивать модифицирующий материал 2720 непосредственно на надлежащие поверхности 2710.

[00152] Толщина модифицирующего материала 2720 в канавках 2510 и/или на первичной поверхности 2430 может варьироваться согласно различным вариантам реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения на надлежащие поверхности 2710 канавок 2510 и/или на первичную поверхность 2430 может наслаиваться слой в одну структурную единицу модифицирующего материала 2720 (т.е. слой, имеющий толщину, практически равную одной структурной единице модифицирующего материала 2720). В некоторых вариантах реализации изобретения на надлежащие поверхности 2710 канавок 2510 и/или на первичную поверхность 2430 могут наслаиваться слои в две или более структурных единицы модифицирующего материала 2720.

[00153] Модифицированные c-пленки 2700, 2800 (т.е. c-пленка 2400, модифицированная модифицирующим материалом 2720) в соответствии с различными вариантами реализации изобретения могут быть полезны для достижения одной или более улучшенных рабочих характеристик по сравнению с рабочими характеристиками немодифицированной c-пленки 2400.

[00154] Как проиллюстрировано на фигуре 29, в некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 немодифицированной c-пленки 2400 может быть модифицирована посредством химического травления, чтобы открыть или иным образом увеличить площадь надлежащих поверхностей 2710, доступных на первичной поверхности 2430. В некоторых вариантах реализации изобретения один способ характеризации увеличенной площади надлежащих поверхностей 2710 на первичной поверхности 2430 может быть основан на среднеквадратической (RMS) шероховатости первичной поверхности 2430 c-пленки 2400. В некоторых вариантах реализации изобретения, в результате химического травления, первичная поверхность 2430 c-пленки 2400 может включать в себя протравленную поверхность 2910, имеющую шероховатость в диапазоне от примерно 1 до примерно 50 нм. RMS-шероховатость поверхности может быть определена с использованием, например, атомно-силовой микроскопии (АСМ), сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) или сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и может быть основана на статистическом среднем R-интервала, где R-интервал может быть интервалом радиуса (r) размеров зерен, как это будет понятно. После химического травления протравленная поверхность 2910 c-пленки 2900 может соответствовать надлежащей поверхности 2710 ЧНС-материала 2410.

[00155] Как проиллюстрировано на фигуре 30, после химического травления модифицирующий материал 2720 может наслаиваться на протравленную поверхность 2910 c-пленки 2900, образуя модифицированную c-пленку 3000. Модифицирующий материал 2720 может покрывать практически всю поверхность 2910, а толщина модифицирующего материала 2720 может варьироваться в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения на протравленную поверхность 2910 может наслаиваться слой в одну структурную единицу модифицирующего материала 2720. В некоторых вариантах реализации изобретения на протравленную поверхность 2910 могут наслаиваться слои в две или более структурных единицы модифицирующего материала 2720.

[00156] В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы пленки, имеющие ориентации кристаллической структуры ЧНС-материала, отличные от c-пленки 2400. Например, при обращении к фигуре 31 и согласно различным вариантам реализации изобретения, вместо c-оси, ориентированной перпендикулярно первичной поверхности 2430, как в c-пленке 2400, пленка 3100 может иметь c-ось, ориентированную перпендикулярно главной оси 2440, и b-ось ЧНС-материала 3110, ориентированную перпендикулярно первичной поверхности 2430. Аналогично, пленка 3100 может иметь c-ось, ориентированную перпендикулярно главной оси 2440, и a-ось ЧНС-материала 3110, ориентированную перпендикулярно первичной поверхности 2430. В некоторых вариантах реализации изобретения пленка 3100 может иметь c-ось, ориентированную перпендикулярно главной оси 2440 и любой линии, параллельной c-плоскости, ориентированной вдоль главной оси 2440. Как проиллюстрировано на фигуре 31, в этих вариантах реализации изобретения пленка 3100 включает в себя ЧНС-материал 3110 с c-осью его кристаллической структуры, ориентированной перпендикулярно главной оси 2440 и параллельно первичной поверхности 3130, и такие пленки в общем называются здесь ʺa-b-пленкамиʺ 3100. Хотя фигура 31 иллюстрирует другие две оси кристаллической структуры в конкретной ориентации, такая ориентация не является обязательной, как будет понятно. Как проиллюстрировано, a-b-пленки 3100 могут включать в себя необязательную подложку 2420 (как в случае c-пленок 2400).

[00157] В некоторых вариантах реализации изобретения a-b-пленка 3100 является a-пленкой с c-осью кристаллической структуры ЧНС-материала 3110, ориентированной так, как проиллюстрировано на фигуре 31, и a-осью, перпендикулярной первичной поверхности 3130. Такие a-пленки могут быть сформированы посредством различных методов, включая описанные в работе Selvamanickam V. и др. ʺHigh Current Y-Ba-Cu-O Coated Conductor using Metal Organic Chemical Vapor Deposition and Ion Beam Assisted Depositionʺ, Proceedings of the 2000 Applied Superconductivity Conference, Virginia Beach, Virginia, 17-22 сентября 2000 года, которая полностью включена сюда по ссылке. В некоторых вариантах реализации a-пленки могут быть выращены на подложках 2420, образованных из следующих материалов: LGSO, LaSrAlO₄, NdCaAlO₄, Nd₂CuO₄ или CaNdAlO₄. Могут быть использованы другие материалы подложки, как будет понятно.

[00158] В некоторых вариантах реализации изобретения a-b-пленка 3100 является b-пленкой с c-осью кристаллической структуры ЧНС-материала 3110, ориентированной так, как проиллюстрировано на фигуре 31, и b-осью, перпендикулярной первичной поверхности 3130.

[00159] Согласно различным вариантам реализации изобретения первичная поверхность 3130 a-b-пленки 3100 соответствует надлежащей поверхности 2710. В некоторых вариантах реализации, которые используют a-b-пленку 3100, формирование надлежащей поверхности ЧНС-материала 3110 может включать в себя формирование a-b-пленки 3100. Соответственно, для вариантов реализации изобретения, которые включают в себя a-b-пленку 3100, модифицирующий материал 2720 может наслаиваться на первичную поверхность 3130 a-b-пленки 3100, чтобы создать модифицированную a-b-пленку 3200, как проиллюстрировано на фигуре 32. В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может покрывать первичную поверхность 3130 a-b-пленки 3100 полностью или частично. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина модифицирующего материала 2720 может варьироваться, как пояснено выше. Более конкретно, в некоторых вариантах реализации изобретения на первичную поверхность 3130 a-b-пленки 3100 может наслаиваться слой в одну структурную единицу модифицирующего материала 2720; а в некоторых вариантах реализации изобретения на первичную поверхность 3130 a-b-пленки 3100 могут наслаиваться слои в две или более структурных единицы модифицирующего материала 2720. В некоторых вариантах реализации изобретения a-b-пленка 3100 может быть снабжена канавками или иным образом модифицирована, как пояснено выше относительно c-пленки 2400, например, чтобы увеличивать общую площадь надлежащих поверхностей 2710 ЧНС-материала 3110, на которых следует наслаивать модифицирующий материал 2720.

[00160] Как будет понятно, вместо использования a-b-пленки 3100 некоторые варианты реализации изобретения могут использовать слой ЧНС-материала 2410 с его кристаллической структурой, ориентированной аналогично a-b-пленке 3100.

[00161] В некоторых вариантах реализации изобретения (не проиллюстрированы иным образом) на модифицирующий материал 2720 любой из вышеуказанных пленок может быть затем наслоен буферный или изолирующий материал. В этих вариантах реализации буферный или изолирующий материал и подложка образуют ʺсэндвичʺ с ЧНС-материалом 2410, 3110 и модифицирующим материалом 2720 между ними. Буферный или изолирующий материал может наслаиваться на модифицирующий материал 2720, как это будет понятно.

[00162] Любой из вышеуказанных материалов может наслаиваться на любой другой материал. Например, ЧНС-материалы могут наслаиваться на модифицирующие материалы. Аналогично, модифицирующие материалы могут наслаиваться на ЧНС-материалы. Дополнительно, наслаивание может включать в себя комбинирование, формирование или осаждение одного материала на другой материал, как будет понятно. Наслаивание может использовать любую общеизвестную технологию наслаивания, включая, но не ограничиваясь ими, импульсное лазерное осаждение, испарение, включая соиспарение, электронно-лучевое испарение и активированное реактивное напыление, распыление, включая магнетронное распыление, ионно-лучевое распыление и ионное распыление, катодно-дуговое осаждение, CVD, CVD из металлорганических соединений, плазмостимулированное CVD, молекулярно-лучевую эпитаксию, золь-гель-технологию, жидкофазную эпитаксию и/или другую технологию наслаивания.

[00163] В различных вариантах реализации изобретения могут быть скомпонованы множественные слои ЧНС-материала 2410, 3110, модифицирующего материала 2720, буферные или изолирующие слои и/или подложки 1120. Фигура 33 иллюстрирует различные примерные компоновки (варианты расположения) этих слоев в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации некий данный слой может содержать модифицирующий материал 2720, который также действует в качестве буферного или изолирующего слоя или подложки. Могут быть использованы другие компоновки или комбинации компоновок, что будет понятно при прочтении этого описания. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения различные слои ЧНС-материала могут иметь отличные друг от друга ориентации в данной компоновке. Например, один слой ЧНС-материала в некой компоновке может иметь a-ось своей кристаллической структуры, ориентированную вдоль главной оси 2440, а другой слой ЧНС-материала в этой компоновке может иметь b-ось своей кристаллической структуры, ориентированную вдоль главной оси 2440. Другие ориентации могут быть использованы в данной компоновке в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00164] Фигура 34 иллюстрирует процесс создания модифицированного ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения. При операции 3410 формируют надлежащую поверхность 2710 на или в ЧНС-материале. В некоторых вариантах реализации изобретения, где ЧНС-материал существует в виде ЧНС-материала 2410 c-пленки 2400, надлежащую поверхность 2710 формируют посредством открытия надлежащей(их) поверхности(ей) 2710 на или в первичной поверхности 2430 c-пленки 2400. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности ЧНС-материала 2410 могут быть открыты посредством модификации первичной поверхности 2430 с использованием любого из методов жидкостной или сухой обработки, или их комбинаций, поясненных выше. В некоторых вариантах реализации изобретения первичная поверхность 2430 может быть модифицирована химическим травлением, как пояснено выше.

[00165] В некоторых вариантах реализации изобретения, где ЧНС-материал существует в виде ЧНС-материала 3110 a-b-пленки 3100 (с подложкой 2420 или без нее), надлежащую поверхность 2710 формируют наслаиванием ЧНС-материала 3110 (в надлежащей ориентации, как описано выше) на поверхность, которая может включать или не включать в себя подложку 2420.

[00166] В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности 2710 включают в себя поверхности ЧНС-материала, параллельные ab-плоскости. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности 2710 включают в себя параллельные b-плоскости грани ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности 2710 включают в себя параллельные a-плоскости грани ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности 2710 включают в себя одну или более граней ЧНС-материала, параллельных различным ab-плоскостям. В некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности 2710 включают в себя одну или более граней, практически не перпендикулярных c-оси ЧНС-материала.

[00167] В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть выполнены различные необязательные операции. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения надлежащие поверхности 2710 или ЧНС-материал могут быть отожжены. В некоторых вариантах реализации изобретения этот отжиг может быть отжигом в печи или отжигом с быстрой термической обработкой (RTP). В некоторых вариантах реализации изобретения такой отжиг может быть выполнен за одну или более операций отжига в пределах заданных периодов времени, диапазонов температуры и других параметров. Кроме того, как будет понятно, отжиг может быть выполнен в камере химического осаждения из паровой фазы (CVD) и может включать в себя подвергание надлежащих поверхностей 2710 воздействию любой комбинации температуры и давления в течение заданного времени, что позволяет улучшать надлежащие поверхности 2710. Такой отжиг может выполняться в газовой атмосфере и с плазмостимулированием или без него.

[00168] При операции 3420 модифицирующий материал 2720 может наслаиваться на одну или более надлежащих поверхностей 2710. В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может наслаиваться на надлежащие поверхности 2710 с использованием различных методов наслаивания, включая различные описанные выше методы.

[00169] Фигура 35 иллюстрирует пример дополнительной обработки, которая может быть выполнена в ходе операции 3420 согласно различным вариантам реализации изобретения. При операции 3510 надлежащие поверхности 2710 могут быть отполированы. В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы один или более полирующих составов, как пояснено выше.

[00170] При операции 3520 различные поверхности, отличные от надлежащих поверхностей 2710, могут быть маскированы с использованием любых общеизвестных методов маскирования. В некоторых вариантах реализации могут быть маскированы все поверхности, отличные от надлежащих поверхностей 2710. В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть маскированы одна или более поверхностей, отличных от надлежащих поверхностей 2710.

[00171] При операции 3530 модифицирующий материал 2720 может быть наслоен (или, в некоторых вариантах реализации и как проиллюстрировано на фигуре 35, осажден) на надлежащие поверхности 2710 с использованием любых общеизвестных методов наслаивания, поясненных выше. В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может быть осажден на надлежащие поверхности 2710 с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может быть осажден на надлежащие поверхности 2710 с использованием импульсного лазерного осаждения (PLD). В некоторых вариантах реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может быть осажден на надлежащие поверхности 2710 с использованием CVD. В некоторых вариантах реализации изобретения на надлежащих поверхностях 2710 могут быть осаждены приблизительно 40 нм модифицирующего материала 2720, хотя испытаны всего лишь 1,7 нм определенных модифицирующих материалов 2720 (например, кобальта). В различных вариантах реализации изобретения могут быть использованы намного меньшие количества модифицирующих материалов 2450, например, порядка нескольких ангстремов. В некоторой реализации изобретения модифицирующий материал 2720 может быть осажден на надлежащих поверхностях 2710 в камере под вакуумом, которая может иметь давление 5×10^-6 торр или менее. Могут быть использованы различные камеры, включая используемые для обработки полупроводниковых пластин. В некоторых вариантах реализации изобретения CVD-процессы, описанные здесь, могут быть выполнены в CVD-реакторе, таком как реакционная камера, доступная под торговым наименованием 7000 от компании Genus, Inc. (Саннивейл, Калифорния), реакционная камера, доступная под торговым наименованием 5000 от компании Applied Materials, Inc. (Санта-Клара, Калифорния), или реакционная камера, доступная под торговым наименованием Prism от компании Novelus, Inc. (Сан-Хосе, Калифорния). Тем не менее, может быть использована любая реакционная камера, пригодная для выполнения MBE, PLD или CVD.

[00172] Фигура 36 иллюстрирует процесс формирования модифицированного ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения. В частности, фигура 36 иллюстрирует процесс формирования и/или модифицирования a-b-пленки 3100. При необязательной операции 3610 осаждают буферный слой (буфер) на подложку 2420. В некоторых вариантах реализации изобретения буферный слой включает в себя PBCO или другой пригодный буферный материал. В некоторых вариантах реализации изобретения подложка 2420 включает в себя LSGO или другой пригодный материал подложки. При операции 3620 ЧНС-материал 3110 наслаивают на подложку 2420 с надлежащей ориентацией, как описано выше относительно фигуры 31. Как будет понятно, в зависимости от необязательной операции 3610, ЧНС-материал 3110 наслаивают на подложку 2420 или буферный слой. В некоторых вариантах реализации изобретения слой ЧНС-материала 3110 имеет толщину в две или более структурных единицы. В некоторых вариантах реализации изобретения слой ЧНС-материала 3110 имеет толщину в небольшое число структурных единиц. В некоторых вариантах реализации изобретения слой ЧНС-материала 3110 имеет толщину в несколько структурных единиц. В некоторых вариантах реализации изобретения слой ЧНС-материала 3110 имеет толщину во много структурных единиц. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 3110 наслаивают на подложку 2420 с использованием процесса IBAD. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 3110 наслаивают на подложку 2420 при воздействии магнитного поля, чтобы улучшать совмещение кристаллических структур в ЧНС-материале 3110.

[00173] При необязательной операции 3630 надлежащую(ие) поверхность(и) 2710 (которая по отношению к a-b-пленкам 3100 соответствует первичной поверхности 3130) ЧНС-материала 3110 полируют с использованием различных описанных выше методов. В некоторых вариантах реализации изобретения полировку осуществляют без введения примесей на/в надлежащие поверхности 2710 ЧНС-материала 3110. В некоторых вариантах реализации изобретения полировку осуществляют без вскрытия чистой камеры. При операции 3640 модифицирующий материал 2720 наслаивают на надлежащие поверхности 2710. При необязательной операции 3650 по всему модифицирующему материалу 2720 наслаивают покровный материал, такой как, но не ограничиваясь ими, серебро.

[00174] В различных вариантах реализации изобретения модифицированные ЧНС-материалы 1060, независимо от того, используются ли они в массе (ʺмассивноʺ), введены ли в пленки (например, ЧНС-материал 2410 в c-пленке 2400, ЧНС-материал 3110 в a-b-пленке 3100 либо в других пленках или лентах) или используются другими способами (например, провода, фольга, нанопровода и т.д.)., могут быть включены в различные изделия, системы и/или устройства, как описано здесь.

[00175] Хотя различные варианты реализации изобретения описываются ниже с точки зрения ʺмодифицированныхʺ ЧНС-материалов, различные варианты реализации могут включать в себя новые ЧНС-материалы с улучшенными рабочими характеристиками без отступления от объема изобретения, как будет понятно. Кроме того, различные варианты реализации могут включать в себя любые материалы, демонстрирующие некоторые или все улучшенные рабочие характеристики, описанные здесь, без отступления от объема изобретения, как будет понятно. То есть различные варианты реализации могут включать в себя модифицированные ЧНС-материалы, щелевые ЧНС-материалы, нетрадиционные ЧНС-материалы и/или другие материалы, которые демонстрируют некоторые или все улучшенные рабочие характеристики, описанные здесь. В различных вариантах реализации описанные здесь ЧНС-материалы, такие как модифицированные ЧНС-материалы и/или щелевые ЧНС-материалы, могут быть частью или быть сформированы в виде ряда различных токонесущих компонентов, таких как пленки/ленты, провода, нанопровода и т.д., используемых в устройствах, системах и других вариантах реализации изобретения. Ниже приводятся несколько примерных токонесущих компонентов, хотя специалисты в данной области техники поймут, что также могут быть использованы и другие:

[00176] Нанопровода - наноструктуры, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины, используемые для того, чтобы формировать сегменты, контуры, катушки и/или другие структуры, способные переносить ток из одной точки в другую с чрезвычайно низким сопротивлением. Наноструктуры могут быть сформированы во множестве конфигураций нанопроводов, включая дискретные структуры, интегрированные на или в подложке, реализованные на или в несущей структуре, и другие конфигурации нанопроводов;

[00177] Фольга - конфигурирование ЧНС-материала на или в гибкие пленки/ленты, такие как, но не ограничиваясь ими, металлические ленты, и необязательно покрытие металла и/или ЧНС-материала буферными оксидами металлов. Текстура может вводиться в ленту, к примеру, посредством использования процесса обработки двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо текстурированный керамический буферный слой вместо этого может быть осажден с помощью пучка ионов на подложке нетекстурированного сплава, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие технологии осаждения в растворе, чтобы получить ЧНС-ленты;

[00178] Провода - один или более ЧНС-компонентов могут размещаться ʺсэндвичемʺ с образованием макропровода; и другие токонесущие компоненты.

[00179] Таким образом, в некоторых вариантах реализации, формирование и/или интегрирование описанных здесь ЧНС-материалов в различные токонесущие компоненты делает возможной и/или упрощает внедрение ЧНС-материалов в устройства и системы, которые используют, генерируют, преобразуют и/или транспортируют электроэнергию, такую как электрический ток. Эти устройства и системы могут извлечь пользу из улучшенных рабочих характеристик за счет более эффективной работы по сравнению с традиционными устройствами и системами, более экономически эффективной работы по сравнению с традиционными устройствами и системами, менее нерациональной работы по сравнению с традиционными устройствами и системами, а также других улучшенных рабочих характеристик.

Многослойные композиции, которые обладают чрезвычайно низким сопротивлением

[00180] Этот раздел описания относится к фигурам с 1-Z по 7-Z; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00181] Для целей этого описания и согласно различным вариантам реализации изобретения, композиции вещества, в общем, включают в себя ЧНС-материал, такой как, но не ограничиваясь ими, перовскитный материал (например, YBCO и т.д.), и модифицирующий материал или модифицирующий компонент (упоминаются взаимозаменяемо), такой как: один или более слоев модифицирующего компонента, нанесенных снаружи на ЧНС-материал; один или более модифицирующих компонентов, которые способствуют приложению деформации в ЧНС-материале; один или более слоев отличающихся ЧНС-материалов, один или более которых способствуют приложению деформации в ЧНС-материале другого слоя(ев); один или более слоев ЧНС-материала, имеющих различные ориентации кристаллов, один или более из которых способствуют приложению деформации в ЧНС-материале другого слоя(ев); один или более модифицирующих компонентов, которые способствуют деформации в ЧНС-материале; один или более модифицирующих компонентов, таких как описанных выше; и/или другие модифицирующие компоненты.

[00182] В некоторых вариантах реализации композиции вещества могут включать в себя один или более модифицирующих компонентов, нанесенных на или сформированных на ЧНС-материале в определенной близости к плоскости зарядов и/или к резервуару зарядов ЧНС-материала. Например, композиция вещества может включать в себя слой YBCO и слой модифицирующего материала, который нанесен на или сформирован на надлежащей поверхности слоя YBCO. В некоторых вариантах реализации эта поверхность является практически параллельной c-оси YBCO. В некоторых вариантах реализации эта поверхность является практически перпендикулярной a-оси YBCO. В некоторых вариантах реализации эта поверхность является практически перпендикулярной b-оси YBCO. В некоторых вариантах реализации могут быть использованы другие надлежащие поверхности.

[00183] В некоторых вариантах реализации нанесение модифицирующего компонента на ЧНС-материал может заставлять один или более атомов кислорода в кристаллической структуре ЧНС-материала перемещаться в ЧНС-материале, формируя градиент концентрации кислорода, который деформирует кристаллическую структуру ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации модифицирующий компонент, такой как хром, может действовать в качестве ʺгеттераʺ для атомов кислорода в ЧНС-материале, тем самым заставляя атомы кислорода перемещаться к модифицирующему компоненту, что, в свою очередь, деформирует различные области внутри или части кристаллической структуры ЧНС-материала.

[00184] В некоторых вариантах реализации композиция вещества может включать в себя множественные слои различных ЧНС-материалов, причем такие различные ЧНС-материалы включают в себя различные атомы, включая, но не ограничиваясь ими, атомы отличающихся редкоземельных металлов, по отношению друг к другу (например, YBCO против DyBCO, YBCO против NBCO, DyBCO против NBCO и т.д.); различное содержание кислорода в своих кристаллических структурах по отношению друг к другу (например, стехиометрия/доля кислорода в YBCO между O₆ и O₇); и/или различную кристаллическую ориентацию по отношению друг к другу (например, a-осный YBCO против b-осного YBCO и т.д.). Такие композиции могут наслаиваться таким образом, что отличающиеся слои ЧНС-материалов могут деформировать различные области внутри или части композиции.

[00185] В некоторых вариантах реализации изобретения деформации в различных областях или частях композиции оказывают влияние на щели в кристаллических структурах ЧНС-материала настолько, чтобы улучшить рабочие характеристики (например, рабочую температуру, токонесущую способность, т.е. допустимую токовую нагрузку, и т.д.) ЧНС-материала.

[00186] Модификация материала, такого как материал с кристаллической структурой, может приводить к тому, что материал демонстрирует более низкое сопротивление, такое как чрезвычайно низкое сопротивление, току в материале при температурах выше ожидаемых. В некоторых вариантах реализации модификация может включать в себя нанесение или формирование слоя модифицирующего материала на надлежащую поверхность, как пояснено выше. Нанесенный или сформированный слой модифицирующего материала может вызывать деформацию или иным образом прикладывать силу к некоторым или всем атомам и/или связям, которые составляют кристаллическую структуру материала. Эта сила или деформация могут менять материал таким образом, что материал демонстрирует различные характеристики сопротивления, такие как более низкое сопротивление или чрезвычайно низкое сопротивление. То есть вызывание силы или деформации в материале может: вынуждать материал генерировать, проявлять и/или поддерживать определенный градиент диффузии кислорода в определенных местоположениях и/или областях в материале; вынуждать материал генерировать, проявлять и/или поддерживать определенный уровень диффузии кислорода внутри или рядом с резервуаром зарядов в материале; и/или вынуждать кристаллическую структуру материала скручиваться, коробиться, раскрываться, закрываться, делаться жестче либо иным образом поддерживать или изменять ориентацию и/или геометрию, к примеру, поддерживать или изменять геометрию относительно щелей в материале, что может способствовать транспорту электронов из одного местоположения в другое; и т.д.

[00187] Различные варианты реализации изобретения могут способствовать приложению сил или деформаций к ЧНС-материалу или внутри него. В некоторых вариантах реализации эти силы могут прикладываться извне и/или неинвазивно к различным частям ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации эти силы могут приводить к внутренним механическим напряжениям, деформациям или другим силам, прикладываемым в различных частях ЧНС-материала. Например, эти части могут быть частью ЧНС-материала, которая включает в себя атомы кислорода, частью ЧНС-материала, которая включает в себя медно-кислородную плоскость атомов, частью ЧНС-материала, которая включает в себя резервуар зарядов, частью ЧНС-материала, которая включает в себя щель внутри кристаллической структуры ЧНС-материала, частью ЧНС-материала, которая соответствует (т.е. является практически параллельной) a-плоскости материала, частью ЧНС-материала, которая соответствует (т.е. является практически параллельной) b-плоскости материала, частью ЧНС-материала, которая соответствует плоскости, практически параллельной c-оси материал, частью ЧНС-материала, которая находится около или рядом с поверхностью материала, или другой частью ЧНС-материала.

[00188] С использованием различных наблюдений, описанных здесь, различные варианты реализации изобретения могут быть реализованы в виде различных композиций вещества, которые подробно описываются ниже.

[00189] Различные варианты реализации изобретения могут содержать различные композиции, такие как композиции, имеющие ЧНС-материалы и модифицирующие материалы, выполненные с возможностью и/или приспособленные переносить ток из одного местоположения в другое. То есть такие композиции проводят электроны из одного местоположения в другое, помимо прочего.

[00190] В некоторых вариантах реализации различные композиции содержат один или более модифицирующих материалов, нанесенных на или сформированных на надлежащих поверхностях ЧНС-материала. Фигура 1-Z иллюстрирует композицию 100 модифицированного ЧНС-материала (также называемую здесь ʺмодифицированным ЧНС-материалом 100ʺ) с ЧНС-материалом 110 (также называемым здесь ʺнемодифицированным ЧНС-материалом 110ʺ) и нанесенным на поверхность ЧНС-материала 110 модифицирующим материалом 120.

[00191] В некоторых вариантах реализации ЧНС-материал 110 может быть представителем семейства сверхпроводящих материалов, обычно называемых ʺкупратными перовскитами со смешанной валентностьюʺ, как пояснено выше. Такие материалы на основе купратных перовскитов со смешанной валентностью также могут включать, но не ограничиваясь ими, различные замещения катионов материалов. Вышеназванные материалы на основе купратных перовскитов со смешанной валентностью могут относиться к родовым классам материалов, в которых существует множество различных составов, таких класс перовскитных материалов, которые включают в себя редкоземельный металл (Re), барий (Ba), медь (Cu) и кислород (O), или ʺReBCOʺ. Примерные ReBCO-материалы могут включать в себя YBCO, NBCO, HoBCO, GdBCO, DyBCO и другие, к примеру, прочие с подходящей стехиометрией 1-2-3.

[00192] В некоторых вариантах реализации ЧНС-материал 110 может включать в себя ВТСП-материал вне семейства материалов на основе купратных перовскитов со смешанной валентностью (ʺнеперовскитные материалыʺ). Такие неперовскитные материалы могут включать, но не ограничиваясь ими, пниктиды железа, диборид магния (MgB₂) и другие неперовскиты. В некоторых вариантах реализации ЧНС-материал 110 может представлять собой другие сверхпроводящие материалы или несверхпроводящие материалы.

[00193] В некоторых вариантах реализации модифицирующий материал 120 может быть металлом, таким как хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий или бериллий, либо оксидами металлов с такими металлами. В некоторых вариантах реализации модифицирующий материал 120 может быть любым материалом, способным прикладывать деформацию к или в ЧНС-материале 110, таким как металл с высоким сродством к кислороду, материал-ʺгеттерʺ (ʺгазопоглотительʺ), материал (включая другой ЧНС-материал), имеющий одну или более постоянных кристаллической решетки, отличающихся от постоянных кристаллической решетки ЧНС-материала 110, и т.д. Например, в некоторых вариантах реализации, модифицирующий материал 120 может иметь сильное сродство с кислородом, такой как материал, который легко связывается с кислородом, притягивает или ʺпоглощаетʺ кислород либо изменяет содержание кислорода и/или распределение кислорода в ЧНС-материале для того, чтобы вызывать деформацию в ЧНС-материале 110. В некоторых вариантах реализации модифицирующий материал 120 может иметь одну или более постоянных кристаллической решетки, которые рассогласованы с постоянными кристаллической решетки ЧНС-материала 110 с тем, чтобы вызывать деформацию в ЧНС-материале 110.

[00194] Например, один эффект осаждения модифицирующего материала 120 хрома на поверхности ЧНС-материала 110 может заключаться в создании кислородного градиента около поверхности ЧНС-материала 110. В некоторых вариантах реализации модифицирующий слой 120 помещают на поверхности ЧНС-материала, практически перпендикулярные a-оси или b-оси ЧНС-материала, что может приводить к созданию градиента концентрации кислорода, помимо прочего, в ЧНС-материале. В некоторых вариантах реализации модифицирующий слой 120 помещают на поверхности ЧНС-материала, практически параллельные c-оси ЧНС-материала, что может приводить к созданию градиента концентрации кислорода, помимо прочего, в ЧНС-материале.

[00195] В некоторых вариантах реализации ЧНС-материал 110 включает в себя плоскость зарядов, которая включает один или более атомов, которые, отчасти, образуют щель. Например, YBCO образован из различных атомов иттрия («Y»), бария («Ba»), меди («Cu») и кислорода («O»). Щели в YBCO образованы щелевыми атомами, а именно, атомами иттрия, меди и кислорода, а плоскости зарядов в YBCO образованы различными атомами меди («Cu») и кислорода («O»).

[00196] Фигура 2-Z иллюстрирует композицию 200, которая включает в себя подложку 230, два или более модифицирующих компонента 210, 215 и ЧНС-материал 220, расположенный между модифицирующими компонентами 210, 215. В частности, модифицирующие компоненты 210, 215 присоединены к или сформированы на соответственно верхней поверхности и нижней поверхности ЧНС-материала 220. В некоторых вариантах реализации изобретения верхняя и нижняя поверхности ЧНС-материала 220 являются надлежащими поверхностями ЧНС-материала 220 (например, поверхностями, практически перпендикулярными a-оси ЧНС-материала 220, и т.д.). Композиция 200, следовательно, может быть деформирована рядом с верхней поверхностью ЧНС-материала 220 модифицирующим компонентом 210 и деформирована рядом с нижней поверхностью ЧНС-материала 220 модифицирующим компонентом 215, расположенным на подложке 230.

[00197] За счет нанесения модифицирующего(их) материала(ов) на одну или более поверхностей ЧНС-материала различные варианты реализации изобретения позволяют управлять приложением деформации и/или могут деформировать ЧНС-материал в различных местоположениях ЧНС-материала, к примеру, в одном или более местоположениях, имеющих плоскости зарядов, в одной или более элементарных ячейках ЧНС-материала, в одной или более щелях ЧНС-материала, и/или в других местоположениях.

[00198] Некоторые варианты реализации изобретения могут содержать сверхрешетку слоев ЧНС-материала(ов), которая может служить повышению свойств одного или более слоев ЧНС-материала сверхрешетки.

[00199] Фигура 3-Z является блок-схемой композиции 300, которая включает в себя слои различных ЧНС-материалов согласно различным вариантам реализации изобретения. Более конкретно, композиция 300 включает в себя первый слой 310 ЧНС-материала, упоминаемого как ʺЧНС-Xʺ, и второй слой 320 ЧНС-материала, упоминаемого как ʺЧНС-Yʺ. Как проиллюстрировано на фигуре 3-Z, первый слой 310 сформирован на или нанесен на подложку 330, а второй слой 320 сформирован на или нанесен на первый слой 310. Как будет понятно, в некоторых вариантах реализации изобретения подложка 330 является необязательной. Хотя она проиллюстрирована имеющей только первый слой 310 и второй слой 320, композиция 300 может содержать любое число пар из первого слоя 310 и второго слоя 320, сформированных по шаблону с чередованием первого слоя 310 и второго слоя 320. В некоторых вариантах реализации ЧНС-X соответствует первому ЧНС-материалу, а ЧНС-Y соответствует второму ЧНС-материалу, отличающемуся от первого ЧНС-материала. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-X может соответствовать YBCO, а ЧНС-Y может соответствовать NBCO. Могут быть использованы другие ЧНС-материалы, как будет понятно.

[00200] Фигура 4-Z является блок-схемой композиции 400, которая включает в себя слои различных форм одного и того же ЧНС-материала согласно различным вариантам реализации изобретения. Более конкретно, композиция 400 включает в себя первый слой 410 первой формы ЧНС-материала, упоминаемой как ʺФорма 1 ЧНС-Xʺ, и второй слой 420 второй формы того же ЧНС-материала, упоминаемой как ʺФорма 2 ЧНС-Xʺ. В некоторых вариантах реализации идентичный базовый ЧНС-материал имеет различные формы, такие как, но не ограничиваясь ими, различные кристаллические ориентации, различную стехиометрию/доли кислорода (например, O₆ и O₇ в YBCO и т.д.), различные разновидности и другие различные формы. Могут быть использованы другие формы идентичных ЧНС-материалов, что будет понятно. Как проиллюстрировано, первый слой 410 сформирован на или нанесен на подложку 430, а второй слой 420 сформирован на или нанесен на первый слой 410. Как будет понятно, в некоторых вариантах реализации изобретения подложка 430 является необязательной. Хотя она проиллюстрирована имеющей только первый слой 410 и второй слой 420, композиция 400 может содержать любое число пар из первого слоя 410 и второго слоя 420, сформированных по шаблону с чередованием первого слоя 410 и второго слоя 420.

[00201] Как обсуждалось, композиция 400 может включать в себя слои различных форм или разновидностей идентичного ЧНС-материала (например, ReBCO), и эти различные формы идентичного ЧНС-материала могут вызывать деформацию в одном или более слоев ЧНС-материала или внутри них. Например, варьирование содержания кислорода между слоями (например, изменение стехиометрии/доли кислорода в YBCO между O₆ и O₇) может приводить к рассогласованиям кристаллической решетки между слоями, что может деформировать связи кристаллических структур ЧНС-материалов в слоях. Также, например, варьирование ориентации кристаллов ЧНС-материала между слоями (например, один слой ЧНС-материала имеет ориентацию по a-оси, тогда как другой слой ЧНС-материала имеет ориентацию по b-оси) также может приводить к рассогласованию кристаллической решетки между слоями, тем самым приводя к аналогичной деформации.

[00202] Фигура 5-Z иллюстрирует композицию 500, которая включает в себя слои множества различных ЧНС-материалов. Как проиллюстрировано, композиция 500 включает в себя первый слой 510 ЧНС-материала, упоминаемый как ʺЧНС-Xʺ, второй слой 520 ЧНС-материала, упоминаемый как ʺЧНС-Yʺ, и третий слой 530 ЧНС-материала, упоминаемый как ʺЧНС-Zʺ. Как проиллюстрировано, первый слой 530 сформирован на или нанесен на подложку 540, второй слой 510 сформирован на или нанесен на первый слой 530, а третий слой 520 сформирован на или нанесен на второй слой 510. Как будет понятно, в некоторых вариантах реализации изобретения подложка 530 является необязательной. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материалы, включенные в слои композиции 500, могут быть вообще различными ЧНС-материалами (как пояснено выше со ссылкой на фигуру 3-Z) или различными формами идентичного ЧНС-материала (как пояснено выше со ссылкой на фигуру 4-Z).

[00203] Хотя это и не проиллюстрировано на фигурах 3-Z-5-Z, различные другие слои не-ЧНС-материалов могут быть включены в различные композиции 300, 400, 500 (или любую из других композиций, описанных здесь), включая слои, вкрапленные между одним или более слоев, проиллюстрированных на фигуре 5-Z.

[00204] Создание композиций 300, 400, 500, которые формируются из слоев различных ЧНС-материалов или различных форм ЧНС-материалов, позволяет различным вариантам реализации изобретения использовать рассогласования кристаллической решетки между различными ReBCO-материалами (например, YBCO и NBCO, помимо других) или другими материалами, имеющие аналогичными параметры кристаллической решетки (например, BSCCO и другие), с тем чтобы напрягать/деформировать различные слои ЧНС-материалов. В некоторых вариантах реализации привнесенные деформации могут изменять частоту и/или распределение и/или амплитуду фононов вокруг щелей в кристаллической структуре этих ЧНС-материалов, обеспечивая возможность падений сопротивления материалов, улучшенных рабочих характеристик, таких как, но не ограничиваясь ими, работа в ЧНС-состоянии при более высоких температурах, и других преимуществ.

[00205] В некоторых вариантах реализации изобретения слои сверхрешетки композиций 300, 400, 500 формируются таким образом, что надлежащие поверхности ЧНС-материала (например, поверхности, практически перпендикулярные a-оси ЧНС-материала, поверхности, практически перпендикулярные b-оси ЧНС-материала, поверхности, практически параллельные c-оси ЧНС-материала, и т.д.) в слоях соответствуют поверхностям раздела между ЧНС-материалами. Другими словами, поверхность, образующая границу раздела между слоями 520 и 510 по фигуре 5-Z, например, соответствует поверхности, которая является практически перпендикулярной a-оси как ЧНС-Y, так и ЧНС-X, которая является практически перпендикулярной b-оси как ЧНС-Y, так и ЧНС-X, или которая в противном случае является практически параллельной c-оси как ЧНС-X, так и ЧНС-Y.

[00206] Конечно, может быть множество слоев аналогичных и/или различных ЧНС-материалов в композициях различных вариантов реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации композиция 500 может быть сформирована посредством осаждения слоя с первой толщиной первого ReBCO-материала, затем осаждения слоя со второй толщиной второго ReBCO-материала, а затем осаждения слоя с третьей толщиной третьего ReBCO-материала, при этом по меньшей мере ReBCO-материал второго слоя имеет одну или более постоянных кристаллической решетки, отличающихся от постоянных кристаллической решетки материалов первого и третьего слоев. Помимо этого, первая, вторая и третья толщины могут быть идентичными друг другу, полностью отличаться друг от друга, либо идентичными некоторым и отличаться от других, и т.д. Можно осаждать любое число различных слоев ReBCO и/или толщин этих слоев, чтобы улучшать рабочие характеристики композиций, включая, но не ограничиваясь ими, повышение различных допустимых для композиции нагрузок по температуре, сопротивлению и/или току, помимо прочего.

[00207] В некоторых вариантах реализации изобретения композиция может наслаиваться следующим образом (снизу вверх):

ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₁:ЧНС₂: и т.д.

[00208] В некоторых вариантах реализации изобретения композиция может наслаиваться следующим образом (снизу вверх):

ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₃:ЧНС₄:ЧНС₃:ЧНС₂:ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₃: и т.д.

[00209] В некоторых вариантах реализации изобретения композиция может наслаиваться следующим образом (снизу вверх):

ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₃:ЧНС₄:ЧНС₃:ЧНС₄:ЧНС₃:ЧНС₄:ЧНС₃: и т.д.

[00210] В некоторых вариантах реализации изобретения композиция 500 может наслаиваться следующим образом (снизу вверх):

ЧНС₁:ЧНС₂:ЧНС₃:ЧНС₂:ЧНС₃:ЧНС₂:ЧНС₃:ЧНС₂:ЧНС₃: и т.д.

[00211] Таким образом, слои могут выбираться по множеству причин, к примеру, чтобы создавать рассогласование постоянных кристаллической решетки, создавать управляемую деформацию в одном или более слоев, увеличивать допустимую токовую нагрузку композиции, улучшать изготовление композиций, улучшать технологичность наслаивания слоев друг на друга и т.д. Помимо этого, толщина слоев, к примеру, число элементарных ячеек материала в расчете на слой, может выбираться с тем, чтобы регулировать деформацию на слое, увеличивать допустимую токовую нагрузку и т.д.

[00212] В некоторых вариантах реализации изобретения число слоев, тип ЧНС-материала в одном или более слоях, тип другого, не-ЧНС-материала в одном или более слоях, толщина одного или более слоев, ориентация одного или более слоев, последовательность одного или более слоев и/или другие параметры композиции могут модифицироваться, задаваться и/или выбираться с тем, чтобы добиться требуемых характеристик композиции или технологичности композиции, помимо других преимуществ.

[00213] Фигура 6-Z иллюстрирует примерную композицию 600, сформированную из сверхрешетки, содержащей множество слоев различных ЧНС-материалов согласно различным вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 6-Z, композиция 600 содержит подложку 610 из LaSrGaO₄ (LSGO) с верхней поверхностью, практически перпендикулярной a-оси подложки. Могут быть использованы другие подложки, такие как, но не ограничиваясь ими, титанат стронция (STO) или оксид магния (MgO). На подложке 610 сформирован слой 620 YBCO, с последующим чередованием слоя 634 NBCO со слоем 632 YBCO. В качестве примера, композиция 600 может содержать слой 620 YBCO, сформированный с толщиной 200 нм, после которого идут десять (10) пар чередующихся слоев 634, 632 NBCO и YBCO, соответственно, причем каждый из таких чередующихся слоев имеет толщину 10 нм (т.е. 10 нм NBCO, чередующегося с 10 нм YBCO), сформированных на слое 620 YBCO. Хотя это не проиллюстрировано иным образом, композиция 600 может включать в себя другие слои, такие как слои буферного материала, дополнительное или меньшее число пар чередующихся слоев, дополнительные слои других ЧНС-материалов, дополнительные или другие слои подложки, слои других или отличающихся толщин и т.д.

[00214] В некоторых вариантах реализации изобретения барьерный материал может быть использован для того, чтобы практически заключить в оболочку различные композиции, описанные выше. Барьерный материал может быть использован для того, чтобы практически исключить диффундирование кислорода в кристаллических структурах ЧНС-материалов из композиции. В некоторых вариантах реализации на все поверхности композиции может быть осаждено золото, чтобы практически заключить композицию в оболочку. Могут быть использованы другие барьерные материалы, такие как, но не ограничиваясь ими, диоксид кремния или оксид индия-олова (ITO). В некоторых вариантах реализации на все поверхности композиции осаждают 5-10 нм золота, хотя могут быть использованы другие толщины.

[00215] Фигуры 7A-Z-7I-Z иллюстрируют результаты испытаний, полученные при испытаниях образца композиции из LSGO-подложки; после чего идет приблизительно 200 нм YBCO, сформированного с ориентацией по a-оси на LSGO-подложке (например, a-осью YBCO вверх); после чего идут 10 пар чередующихся слоев приблизительно 10 нм NBCO и приблизительно 10 нм YBCO, причем каждый из этих слоев сформирован с ориентацией по a-оси на предшествующем слое; и после них идут приблизительно 8,5 нм золота в качестве барьерного материала, заключающего образец в оболочку.

[00216] Результаты испытаний по фигурам 7A-Z-7I-Z включают в себя релевантные части графиков сопротивления образца как функции температуры (в градусах Кельвина) для различных прогонов и условий, как описано ниже. Более конкретно, графики соответствуют измерениям сопротивления образца по диапазону температур 180K-270K. Перед более подробным описанием результатов испытаний предоставляется краткое описание испытательного оборудования и установки.

[00217] Образец монтировали на PCB-плате с использованием двухсторонней ленты. Покрытые оловом медные провода с диаметром 0,004 дюйма присоединяли к верхней золотой поверхности образца индиевым припоем. Противоположные концы этих проводов присоединяли к контактным площадкам на PCB-плате. Этот узел помещали в криостат. Источник тока Keithley 6221 давал постоянный ток через образец, тогда как вольтметр Keithley 2182a измерял падение напряжения на образце, обеспечивая измерение сопротивления в ʺдельта-режимеʺ (например, R=((V+)-(V-))/2×l). Использовали резистивные тепловые приборы (ʺRTDʺ) для того, чтобы измерять температуру.

[00218] При некоторых тестовых прогонах образец первоначально охлаждали до температуры ниже температуры перехода YBCO и давали ему нагреваться. При других тестовых прогонах (чтобы экономить время и охладитель, а также исключить ненужное термическое напряжение образца), образец охлаждали только до чуть ниже 160 K и давали ему нагреваться. В любом случае, по мере того как образец нагревался, снимали измерения напряжения на образце вместе с измерениями температуры образца. По этим измерениям напряжения определяли и затем отложили на графике сопротивления в дельта-режиме в виде кривых зависимости сопротивления от температуры (или R(T)-кривых) (также иногда называемых ʺR-T-профилямиʺ), соответствующих результатам испытаний, проиллюстрированным на фигурах 7A-Z-7I-Z.

[00219] Фигуры 7A-Z-7H-Z соответствуют отдельным R(T)-кривым восьми тестовых прогонов образца в том порядке, в котором были проведены испытания (т.е. фигура 7A-Z соответствует R(T)-кривой для первого тестового прогона, фигура 7B-Z соответствует R(T)-кривой для второго тестового прогона и т.д.). Фигуры 7A-Z-7D-Z и 7H-Z соответствуют R(T)-кривым для тех тестовых прогонов, где образец возбуждали постоянным током 200 нА. Фигуры 7E-Z-7G-Z соответствуют R(T)-кривым для тех тестовых прогонов, где образец возбуждали постоянным током 100 нА. За исключением определения сопротивления в дельта-режиме по измерениям напряжения, другого сглаживания, усреднения или иной обработки данных не использовали.

[00220] Фигура 7I-Z соответствует R(T)-кривой одного тестового прогона образца на другом испытательном стенде и при других условиях относительно условий по фигурам 7A-Z-7H-Z. В частности, во время этого тестового прогона использовали синхронный усилитель SR830 (LIA), а образец возбуждали переменным током 200 нА при 24 Гц, используя постоянную времени в 1 секунду.

[00221] Как проиллюстрировано, все тестовые прогоны включают в себя одно или более изменений на соответствующей R(T)-кривой примерно в диапазоне 210K-240K. Эти изменения наклона R(T)-кривой представляются согласующимися с частями образца, переходящими в состояние пониженного сопротивления или ЧНС-состояние. Как будет понятно, аналогичные изменения не наблюдаются на R(T)-кривых YBCO или NBCO.

[00222] Некоторые варианты реализации изобретения могут содержать чередующиеся слои, имеющие толщины, большие или меньшие, чем описанные выше относительно фигуры 6-Z. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере один из слоев в сверхрешетке может иметь толщину в одну, две, три или более элементарных ячейки. В некоторых вариантах реализации изобретения каждый из слоев в чередующейся паре слоев в сверхрешетке может иметь толщину в одну, две, три или более элементарных ячейки. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина одного слоя в паре (или в другой группировке) чередующихся слоев отличается от толщины другого слоя в этой паре. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина слоев одной пары чередующихся слоев в сверхрешетке отличается от толщины слоев другой пары чередующихся слоев в сверхрешетке. Как будет понятно, могут быть использованы другие толщины, чтобы достигать различных рабочих характеристик, как пояснено здесь.

[00223] Некоторые варианты реализации изобретения могут содержать атомы нескольких Re в одном слое, к примеру, в слое, имеющем атомы нескольких Re с различными размерами относительно друг друга. Например, слой ReBCO может иметь структуру с кристаллической решеткой, в которой 4 из каждых 5 атомов Re представляют собой атом Y, а каждый 5-ый атом представляет собой атом Dy. Эти типы слоев, которые включают в себя атомы двух или более редкоземельных элементов в своих кристаллических структурах, могут привносить дополнительные силы деформации внутри композиции вследствие эффектов упорядочения, локализованных рассогласований кристаллической решетки, дополнительных констант колебаний и т.д.

[00224] Некоторые варианты реализации изобретения могут содержать атомы Re, которые выбираются на основе их состояний окисления. Например, хотя Y и Nd имеют одно состояние окисления (3⁺), элементы самарий (Sm), европий (Eu), эрбий (Er), тулий (Tm) и иттербий (Yb) могут иметь два состояния окисления 3⁺ и 2⁺, а цезий (Ce) и тербий (Tb) могут иметь два состояния окисления 3⁺ и 4⁺. Могут выбираться другие атомы Re с другими состояниями окисления, как будет понятно. В таких вариантах реализации атомы Re с переменными состояниями окисления в ЧНС-слое композиции могут помогать фиксации позиций кислорода и/или дефектов носителей в кристаллической структуре или щели кристаллической структуры, и/или могут стабилизировать локальное количество кислорода - большее или меньшее - в определенном слое, помимо других преимуществ. Например, слой ЧНС-материала в сверхрешетке может включать в себя главным образом атомы Y в качестве атомов Re, наряду с несколькими атомами Ce 3⁺ и несколькими атомами Ce 4⁺, используемыми при управлении дефектами кислорода/носителей в таком слое, помимо прочего.

[00225] В некоторых вариантах реализации изобретения на самом внешнем слое ЧНС-материала в сверхрешетке сформирован слой материала, имеющего очень низкое сродство с кислородом (например, золота), чтобы уменьшать степень, с которой кислород диффундирует из или в различные из слоев сверхрешетки. В некоторых вариантах реализации изобретения слой материала, имеющего очень низкое сродство с кислородом (например, золота), сформирован на всех самых внешних поверхностях сверхрешетки, чтобы уменьшать степень, с которой кислород диффундирует из или в различные из слоев сверхрешетки.

[00226] В некоторых вариантах реализации изобретения различные процессы изготовления, используемые при создании сверхрешетки слоев ЧНС-материала, могут вводить требуемую деформацию в материал. Например, при осаждении слоев ЧНС-материала на подложке, варьирование температуры подложки и/или парциальных давлений кислорода во время осаждений может позволить материалам осаждаться при их ʺестественнойʺ температуре, и деформация будет вводится по мере того, как материалы охлаждаются ниже температур осаждения, помимо прочего.

[00227] Таким образом, некоторые варианты реализации изобретения могут содержать сверхрешетку, в которой, фактически, каждый слой в сверхрешетке может служить модификации примыкающих слоев, помимо прочего. Другими словами, некий слой может соответствовать как ЧНС-материалу в себе и для себя, так и служить модифицирующим материалом для другого слоя ЧНС-материала, так что слои в сверхрешетке вместе образуют модифицированный ЧНС-материал. Согласно различным вариантам реализации изобретения композиция из различных отличающихся слоев ЧНС-материала, варьирующихся по типу, содержанию кислорода, типу атомов Re, ориентации и т.д., может обеспечить достаточную деформацию одному или более слоев композиции, так что эти слои проявляют более низкое или чрезвычайно низкое сопротивление току, переносимому внутри или между слоями, помимо других преимуществ.

[00228] Согласно различным вариантам реализации изобретения композиции 100, 200, 300, 400, 500 и/или 600 из этого раздела, независимо от того, используются ли они массивно, введены ли в пленки или ленты или же применяются другими способами (например, как провода, фольга, нанопровода и т.д.), могут быть внедрены в различные аппараты, приборы и ассоциированные устройства, как описано здесь. Например, композиции могут быть использованы и/или внедрены в конденсаторы, индукторы, транзисторы, проводники и проводящие элементы, интегральные схемы, антенны, фильтры, датчики, магниты, медицинские устройства, силовые кабели, устройства накопления энергии, преобразователи (трансформаторы), электроприборы, мобильные устройства, вычислительные устройства, устройства хранения информации и другие устройства и системы, которые переносят электроны и/или информацию при их эксплуатации.

[00229] Таким образом, в некоторых вариантах реализации формирование и/или интегрирование модифицированных ЧНС-материалов, описанных здесь, в различные токонесущие компоненты обеспечивает и/или упрощает реализацию модифицированных ЧНС-материалов в устройствах и системах, которые используют, генерируют, преобразуют и/или транспортируют электроэнергию, такую как электрический ток. Эти устройства и системы могут получать пользу от улучшенных рабочих характеристик за счет более эффективной работы по сравнению с традиционными устройствами и системами, более экономически эффективной работы по сравнению с традиционными устройствами и системами, менее нерациональной работы по сравнению с традиционными устройствами и системами и т.д.

[00230] В некоторых вариантах реализации композиция вещества содержит первый слой ЧНС-материала, имеющий кристаллическую структуру; и сформированный на первом слое второй слой материала, который придает деформацию по меньшей мере части кристаллической структуры ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации второй слой материала придает управляемую деформацию по меньшей мере части кристаллической структуры ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации второй слой материала придает деформацию в местоположении кристаллической структуры ЧНС-материала, которое включает в себя плоскость зарядов. В некоторых вариантах реализации второй слой материала придает деформацию в местоположении кристаллической структуры ЧНС-материала, которое включает в себя щель кристаллической структуры.

[00231] В некоторых вариантах реализации композиция, которая проводит ток, содержит первый слой ЧНС-материала, имеющий плоскость зарядов оксида меди; и сформированный на первом слое второй слой материала, который вызывает деформацию в по меньшей мере части первого слоя ЧНС-материала, которая содержит плоскость зарядов оксида меди. В некоторых вариантах реализации второй слой материала вызывает внешнюю деформацию в упомянутой по меньшей мере части первого слоя ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации второй слой материала вызывает внутреннюю деформацию в упомянутой по меньшей мере части первого слоя ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации второй слой материала вызывает диффузию атомов кислорода в первом слое ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации второй слой материала вызывает градиент диффузии атомов кислорода в первом слое ЧНС-материала.

[00232] В некоторых вариантах реализации композиция содержит проводящий материал, имеющий кристаллическую структуру; и сформированный на проводящем материале материал, который вызывает приложение силы к или в части кристаллической структуры проводящего материала. В некоторых вариантах реализации проводящий материал является материалом на основе редкоземельного оксида меди, а материал, который вызывает приложение силы к части кристаллической структуры проводящего материала, является металлом, имеющим высокое сродство с кислородом.

[00233] В некоторых вариантах реализации композиция содержит первый ЧНС-материал, имеющий кристаллическую структуру; и второй ЧНС-материал, сформированный на первом ЧНС-материале, причем этот второй ЧНС-материал вызывает силу в части кристаллической структуры первого ЧНС-материала.

[00234] В некоторых вариантах реализации композиция содержит первый ЧНС-материал; и второй ЧНС-материал, имеющий кристаллическую структуру, причем второй ЧНС-материал сформирован на первом ЧНС-материале, первый ЧНС-материал вызывает силу в части кристаллической структуры второго ЧНС-материала.

[00235] В некоторых вариантах реализации композиция содержит первый ЧНС-материал, имеющий кристаллическую структуру; и второй ЧНС-материал, имеющий кристаллическую структуру, причем второй ЧНС-материал сформирован на первом ЧНС-материале, второй ЧНС-материал вызывает силу в части кристаллической структуры первого ЧНС-материала, а первый ЧНС-материал вызывает силу в части кристаллической структуры второго ЧНС-материала.

[00236] В некоторых вариантах реализации композиция содержит первый слой ЧНС-материала, имеющий первую форму; второй слой этого ЧНС-материала, имеющий вторую форму, при этом второй слой сформирован на первом слое; и третий слой ЧНС-материала, имеющий первую форму, при этом третий слой сформирован на втором слое.

[00237] В некоторых вариантах реализации композиция содержит первый слой YBCO; и множество слоев, сформированных на верхней поверхности из YBCO, причем множество слоев содержит пары чередующихся слоев NBCO и YBCO. В некоторых вариантах реализации толщина первого слоя YBCO составляет приблизительно 200 нанометров, а толщина каждого из слоев во множестве слоев составляет приблизительно 10 нанометров. В некоторых вариантах реализации множество слоев содержит десять пар чередующихся слоев NBCO и YBCO. В некоторых вариантах реализации множество слоев содержит по меньшей мере две пары чередующихся слоев NBCO и YBCO.

[00238] В некоторых вариантах реализации предусмотрена композиция для распространения тока, причем композиция содержит множество слоев, содержащих по меньшей мере одну пару чередующихся слоев NBCO и YBCO. В некоторых вариантах реализации группа слоев содержит по меньшей мере десять пар чередующихся слоев NBCO и YBCO. В некоторых вариантах реализации подложка имеет поверхность, практически перпендикулярную a-оси подложки; слой YBCO, нанесенный на поверхность подложки, причем слой YBCO имеет поверхность, практически перпендикулярную a-оси YBCO; и при этом группа слоев нанесена на поверхность YBCO.

[00239] В некоторых вариантах реализации композиция содержит базовый слой YBCO, причем базовый слой имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; первый слой NBCO, сформированный на поверхности базового слоя YBCO, причем первый слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; первый слой YBCO, сформированный на поверхности первого слоя NBCO, причем первый слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; второй слой NBCO, сформированный на поверхности первого слоя YBCO, причем второй слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; второй слой YBCO, сформированный на поверхности второго слоя NBCO, причем второй слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; третий слой NBCO, сформированный на поверхности второго слоя YBCO, причем третий слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; третий слой YBCO, сформированный на поверхности третьего слоя NBCO, причем третий слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; четвертый слой NBCO, сформированный на поверхности третьего слоя YBCO, причем четвертый слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; четвертый слой YBCO, сформированный на поверхности четвертого слоя NBCO, причем четвертый слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; пятый слой NBCO, сформированный на поверхности четвертого слоя YBCO, причем пятый слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; пятый слой YBCO, сформированный на поверхности пятого слоя NBCO, причем пятый слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; шестой слой NBCO, сформированный на поверхности пятого слоя YBCO, причем шестой слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; шестой слой YBCO, сформированный на поверхности шестого слоя NBCO, причем шестой слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; седьмой слой NBCO, сформированный на поверхности шестого слоя YBCO, причем седьмой слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; седьмой слой YBCO, сформированный на поверхности седьмого слоя NBCO, причем седьмой слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; восьмой слой NBCO, сформированный на поверхности седьмого слоя YBCO, причем восьмой слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; восьмой слой YBCO, сформированный на поверхности восьмого слоя NBCO, причем восьмой слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; девятый слой NBCO, сформированный на поверхности восьмого слоя YBCO, причем девятый слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; девятый слой YBCO, сформированный на поверхности девятого слоя NBCO, причем девятый слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO; десятый слой NBCO, сформированный на поверхности девятого слоя YBCO, причем десятый слой NBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси NBCO; и десятый слой YBCO, сформированный на поверхности десятого слоя NBCO, причем десятый слой YBCO имеет поверхность, практически параллельную c-оси YBCO. В некоторых вариантах реализации композиция дополнительно содержит слой золота, сформированный на поверхности десятого слоя YBCO. В некоторых вариантах реализации композиция дополнительно содержит слой золота, фактически заключающий композицию в оболочку.

Устройства, сформированные из ЧНС-материалов и/или включающие их

[00240] Различные устройства, применения, компоненты, аппараты, приборы и/или системы могут использовать ЧНС-компоненты, описанные здесь. Далее эти устройства, применения, компоненты, аппараты, приборы и/или системы поясняются подробнее в следующих главах.

Глава 1. Нанопровода, сформированные из ЧНС-материалов

[00241] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-A по 45B-A; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00242] В различных вариантах реализации изобретения ЧНС-материалы могут быть использованы для того, чтобы формировать различные нанопровода и нанопроводные компоненты, как подробнее описано ниже. Соответственно, в некоторых вариантах реализации изобретения эти ЧНС-материалы могут быть сформированы в различные нанопроводные компоненты, так что ток главным образом проводится вдоль b-оси ЧНС-материала. В этих вариантах реализации ЧНС-материал может быть сформирован с длиной, приведенной по b-оси, шириной, приведенной по c-оси, и глубиной (или толщиной), приведенной по a-оси, как проиллюстрировано на фигуре 39-A, хотя для ЧНС-материалов могут быть использованы и другие системы координат, ориентации и конфигурации, как станет очевидным из этого описания. Изображенная на фигуре 39-A система координат будет использована для следующего пояснения.

[00243] В некоторых вариантах реализации изобретения различные ЧНС-материалы могут быть использованы для того, чтобы формировать нанопровода. В традиционных терминах, нанопровода (нанопроволоки) являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные модифицированные ЧНС-материалы 1060 могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых вариантах реализации изобретения различные новые ЧНС-материалы, сконструированные так, как описано выше, могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[00244] В некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть уложены поверх друг друга с расположенным в промежутке между ними буферным слоем и/или слоем подложки, чтобы сформировать многослойные нанопровода. Каждый из нанопроводов, расположенных в каждом слое, может быть сформирован из новых ЧНС-материалов или модифицированных ЧНС-материалов 1060, как пояснено выше, и может иметь любую из ширин и/или глубин, изложенных выше.

[00245] В некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть использованы для того, чтобы переносить заряд из первого конца ко второму концу. Каждый из этих концов может быть соединен с электрическим компонентом, включая, но не ограничиваясь ими, другой нанопровод, провод, дорожку, вывод, межсоединение, электронный прибор, электронную схему, полупроводниковый прибор, транзистор, мемристор, резистор, конденсатор, индуктор, микроэлектромеханическое (МЭМ) устройство, контактную площадку, источник напряжения, источник тока, землю или другой электрический компонент. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть подсоединены или могут быть подсоединены непосредственно к одному или более из этих электрических компонентов через ЧНС-материал нанопровода. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть подсоединены опосредованно (не напрямую) к этим электрическим компонентам через другой тип ЧНС-материала (т.е. модифицированный через немодифицированный ЧНС-материал, ЧНС-материал в том же семействе или классе ЧНС-материалов и т.д.). В некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть подсоединены опосредованно к этим электрическим компонентам через проводящий материал, включая, но не ограничиваясь ими, проводящий металл.

[00246] Фигура 37-A иллюстрирует сечение примерного ЧНС-материала 3700, параллельное c-плоскости и проходящее через центры щелей 3710, образовавшихся в ЧНС-материале 3700 в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Для целей следующего пояснения и вариантов реализации изобретения, ЧНС-материал 3700 соответствует традиционным ЧНС-материалам (т.е. немодифицированным сверхпроводящим и/или ВТСП-материалам (например, немодифицированному YBCO и т.д.)), а также различным модифицированным ЧНС-материалам 1060 и новым ЧНС-материалам, различные варианты реализации которых описаны выше. Фигура 37-A иллюстрирует различные щели 3710 через ЧНС-материал 3700, включая a-осевые щели 3710A, b-осевые щели 3710B и ab-осевые щели 3710C. Такие a-осевые щели 3710A соответствуют щелям 3710 через ЧНС-материал 3700, которые являются практически параллельными a-оси; b-осевые щели 3710B соответствуют щелям 3710 через ЧНС-материал 3700, которые являются практически параллельными b-оси; ab-осевые щели 3710C соответствуют щелям 3710 через ЧНС-материал 3700, которые являются практически параллельными различным осям в c-плоскости, смещенным от a-оси (или b-оси) на различные углы, такие как угол 3720. Как будет понятно, не все щели 3710 через ЧНС-материал 3700 проиллюстрированы на фигуре 37-A - многие не проиллюстрированы для целей понятности и простоты иллюстрации.

[00247] Как будет также понятно, щели 3710 зависят от кристаллической структуры ЧНС-материала 3700. Например, как проиллюстрировано на фигуре 37-A, существуют ab-осевые щели 3710C ЧНС-материала 3700 (который в этом примере соответствует YBCO) под углом ±45 градусов относительно a-оси. В качестве дополнительного примера фигура 38-A иллюстрирует b-осевую щель 3710B в ЧНС-материале 3700 относительно ab-осевой щели 3710C в примерном ЧНС-материале 3700. В других ЧНС-материалах могут существовать другие ab-осевые щели 3710C, в том числе дополнительные ab-осевые щели 3710C под другими углами (например, ±30 градусов, ±60 градусов и т.д.), как будет понятно. Аналогично, хотя a-осевые щели 3710A и b-осевые щели 3710B проиллюстрированы на фигуре 37-A как ортогональные друг другу в ЧНС-материале 3700, могут существовать другие ориентации таких щелей 3700 в зависимости от кристаллической структуры других ЧНС-материалов, как будет понятно.

[00248] Традиционные сверхпроводящие материалы, включая ВТСП-материалы, демонстрируют различные явления, типично связанные с такими сверхпроводящими материалами. В дополнение к чрезвычайно низкому сопротивлению, эти сверхпроводящие материалы демонстрируют эффект Мейснера, который проявляется как наблюдаемое отсутствие или вытеснение электромагнитных полей изнутри сверхпроводящих материалов, что будет понятно. Эффект Мейснера считается результатом вихрей или петлевых токов, образовавшихся внутри сверхпроводящего материала. Эти вихри считаются образующими магнитные поля внутри сверхпроводящего материала, которые, в совокупности, имеют тенденцию уравновешивать друг друга, тем самым создавая наблюдаемое отсутствие или вытеснение электромагнитных полей внутри него. Управление (или исключение) этих вихрей позволяет управлять (или исключать) эффект Мейснера, демонстрируемый сверхпроводящим материалом. Другими словами, управление (или исключение) этих вихрей может предотвращать полное подавление магнитных полей внутри сверхпроводящего материала.

[00249] Вихри считаются образующимися в ЧНС-материале 3700 тогда, когда ток ʺзамыкаетсяʺ на себя в ЧНС-материале 3700. Это описывается далее в отношении пути 3730 тока (проиллюстрирован на фигуре 37-A как путь 3730A тока, путь 3730B тока, путь 3730C тока, путь 3730D тока и путь 3730E тока). Как проиллюстрировано, по мере того, как протекает ток через ЧНС-материал 3700, ток может идти вдоль пути 3730A тока через щель 3710A. Ток идет через щель 3710A до достижения пересечения между различными щелями 3710 в ЧНС-материале 3700, а именно, пересечения 3740A.

[00250] Считается, что на пересечениях 3740, в общем, ток способен отклоняться от своего ʺпрямолинейногоʺ пути тока в одной щели 3710 на другой путь через иную щель 3710. Например, при достижении пересечения 3740A ток может продолжать идти вдоль пути 3730A тока через щель 3710A или отклоняться некоторым образом от пути 3730A тока, к примеру, вдоль пути 3730B тока через щель 3710B. Как проиллюстрировано, ток отклоняется на 45 градусов от своего первоначального пути на пути 3730A тока на путь 3730B тока.

[00251] После того, как ток отклоняется от пути 3730A тока на путь 3730B тока, ток идет вдоль пути 3730B тока через щель 3710C до достижения пересечения 3740B. Опять же, ток может продолжать идти вдоль пути 3730B тока через щель 3710C или отклоняться некоторым образом от пути 3730B тока, к примеру, вдоль пути 3730C тока через щель 3710B. Как проиллюстрировано, ток отклоняется в сумме на 90 градусов от своего первоначального пути (посредством двух отклонений на 45 градусов). Этот процесс может продолжаться по мере того, как ток достигает других пересечений, таких как пересечение 3740C и пересечение 3740D. На пересечении 3740C ток может отклоняться от пути 3730C тока через щель 3710B на путь 3730D тока через щель 3710C, а на пересечении 3740D ток может отклоняться от пути 3730D тока через щель 3710C на путь 3730E тока через щель 3710A. Как проиллюстрировано, на пути 3730E тока ток отклоняется в сумме на 180 градусов от своего первоначального пути (посредством четырех отклонений на 45 градусов). Хотя это не проиллюстрировано иным образом, этот процесс может продолжаться до тех пор, пока ток не замкнется сам на себя вдоль пути 3730A тока, как будет понятно.

[00252] Фигура 37-A иллюстрирует, что может быть пороговая глубина ЧНС-материала 3700 (причем эта глубина, как проиллюстрировано на фигуре 39-A, приведена по a-оси), необходимая для формирования токовых петель в ЧНС-материале 3700. Более конкретно, как проиллюстрировано на фигуре 37-A, глубина ЧНС-материала 3700, достаточная для задействования пяти смежных щелей 3710B, может быть необходимой для формирования токовых петель в ЧНС-материале 3700. Другими словами, меньшее, чем это, число щелей 3710B может не обеспечить достаточное число отклонений (или поворотов) и последующих путей для замыкания тока самого на себя в пределах этой пороговой глубины ЧНС-материала 3700. Если глубина ЧНС-материала 3700 меньше этой пороговой глубины, то петлевые токи могут не образоваться в ЧНС-материале 3700, тем самым предотвращая возникновение эффекта Мейснера. Аналогично, фигура 37-A иллюстрирует, что может иметь место пороговая длина (причем эта длина, как проиллюстрировано на фигуре 39-A, приведена по b-оси) ЧНС-материала 3700, необходимая для формирования токовых петель в ЧНС-материале 3700. Более конкретно, как экстраполируется из фигуры 37A, длина ЧНС-материала 3700, достаточная для задействования пяти смежных щелей 3710B, может быть необходимой для формирования токовых петель в ЧНС-материале 3700. Если длина ЧНС-материала 3700 меньше этой пороговой длины, то петлевые токи могут не образоваться в ЧНС-материале 3700, тем самым предотвращая возникновение эффекта Мейснера. Эти пороговые глубины и/или длины могут отличаться для других ЧНС-материалов с наличием кристаллических структур, отличных от изображенной на фигуре 37-A большим или меньшим числом щелей, щелями с различными направлениями, щелями под различными углами отклонения и т.д., что будет понятно.

[00253] Кроме того, эти пороговые глубины и/или длины предполагают, что ток может отклоняться на один поворот на каждом пересечении 3740. Другими словами, в проиллюстрированном примере предполагается, что ток отклоняется только приращениями ±45 градусов (в противоположность 90 градусам или более) на каждом пересечении 3740. Если могут возникать отклонения с большими приращениями или если отклонения возникают в местоположениях, отличных от пересечений 3740, то пороговая глубина и/или пороговая длина ЧНС-материала 3700, при которой не возникает эффекта Мейснера (или другого явления сверхпроводимости), может быть меньше, как будет понятно. Аналогично, если отклонения могут возникать только на определенных пересечениях 3740 (а не на всех пересечениях 3740), то пороговая глубина и/или пороговая длина ЧНС-материала 3700, при которой не возникает эффекта Мейснера (или другого явления сверхпроводимости), может быть больше, как будет понятно. Тем не менее, согласно различным вариантам реализации изобретения ЧНС-материал 3700 имеет пороговую глубину и/или пороговую длину, необходимую для формирования петлевых токов.

[00254] Согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровод может быть сформирован с использованием ЧНС-материала, при этом нанопровод демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление, но не демонстрирует определенное другое явление сверхпроводимости (например, эффект Мейснера) за счет управления одним или более размерными параметрами нанопровода. Например, согласно различным вариантам реализации изобретения глубина нанопровода выбирается так, что она меньше пороговой глубины ЧНС-материала, необходимой для формирования петлевых токов в ЧНС-материале. Согласно различным вариантам реализации изобретения длина нанопровода выбирается так, что она меньше пороговой длины ЧНС-материала, необходимой для формирования петлевых токов в ЧНС-материале. Согласно различным вариантам реализации изобретения глубина и длина нанопровода могут быть меньше этих пороговых значений, необходимых для формирования петлевых токов в ЧНС-материале. В таком случае эти нанопровода могут выглядеть как идеальные проводники вдоль своей глубины и/или длины без демонстрации другого явления сверхпроводимости. Другими словами, согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровода имеют пороговую глубину или пороговую длину (а в некоторых вариантах реализации и/или с некоторыми ЧНС-материалами - потенциально пороговую ширину), при которой нанопровода работают как идеальные проводники и за пределами которой нанопровода работают как сверхпроводники. Хотя это обсуждается выше с точки зрения пороговой глубины и/или пороговой длины ЧНС-материала 3700, из фигуры 37-A будет понятно, что в некоторых случаях петлевые токи могут фактически требовать формирования пороговой площади ЧНС-материала 3700.

[00255] Для целей этого описания, эти пороговые значения могут выражаться с точки зрения числа смежных щелей 3710 вдоль данного размера, числа единичных кристаллов вдоль данного размера или другого числа единиц измерения, связанных с кристаллической структурой ЧНС-материала 3700, как будет понятно. Как будет также понятно, эти пороговые значения могут выражаться в единицах измерения (нанометры, ангстремы и т.д.).

[00256] Согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровода, которые работают в качестве идеальных проводников, могут быть сформированы из ЧНС-материала 3700 любой длины при условии, что их глубина не превышает пороговую глубину, как пояснено выше. Аналогично, согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровода, которые работают в качестве идеальных проводников, могут быть сформированы из ЧНС-материала 3700 любой глубины при условии, что их длина не превышает пороговую длину, как пояснено выше. Более конкретно, согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровода, которые работают в качестве идеальных проводников и которые не демонстрируют эффекта Мейснера, могут быть сформированы из ЧНС-материала 3700A любой длины при условии, что их глубина не превышает пороговую глубину, как пояснено выше. Аналогично, согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровода, которые работают в качестве идеальных проводников и которые не демонстрируют эффекта Мейснера, могут быть сформированы из ЧНС-материала 3700 любой глубины при условии, что их длина не превышает пороговую длину, как пояснено выше.

[00257] Как будет понятно, изменение ориентации ЧНС-материала на фигуре 39A изменяло бы релевантные пороговые размеры, необходимые для возникновения эффекта Мейснера. Например, если ЧНС-материал ориентирован так, что a-ось и c-ось меняются местами (т.е. глубина приведена по c-оси, а ширина приведена по a-оси), то ширина и/или длина будут теми размерными параметрами, которые служат для управления с тем, чтобы избежать эффекта Мейснера, как будет понятно.

[00258] Как упомянуто выше, нанопровода могут быть сформированы из ЧНС-материала 3700, который может включать в себя традиционные ЧНС-материалы (например, немодифицированный YBCO и т.д.), модифицированные ЧНС-материалы (например, ЧНС-материал 1060, модифицированный хромом YBCO и т.д.), новые ЧНС-материалы или другие ЧНС-материалы. Дополнительно, в некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть сформированы посредством осаждения ЧНС-материала 3700 на подложке или буферном материале, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопровода могут быть сформированы посредством прикрепления ЧНС-материала 3700 к подложке, такой как схемная плата, как будет понятно.

[00259] В некоторых вариантах реализации изобретения, к примеру, тех, которые используют модифицированные ЧНС-материалы (например, модифицированный ЧНС-материал 1060), нанопровода могут формироваться и эксплуатироваться выше определенных температур, при которых только часть модифицированного ЧНС-материала 1060 имеет щели 310, сохраняющиеся при этой определенной температуре, и эта часть модифицированного ЧНС-материала 1060 имеет глубину меньше пороговой глубины, выше которой могут формироваться петлевые токи. Например, со ссылкой на фигуру 23, модифицированный ЧНС-материал 1060 может эксплуатироваться при определенной температуре, при которой сохраняются только щели 310A и 310B. В этом примере щели 310A и 310B могут не соответствовать достаточной глубине модифицированного ЧНС-материала 1060, чтобы формировать петлевые токи в модифицированном ЧНС-материале 1060, и эффект Мейснера может не возникать.

[00260] Согласно различным вариантам реализации изобретения нанопровода могут быть использованы для того, чтобы формировать различные электрические компоненты, включая, но не ограничиваясь ими, нанопроводной соединитель, нанопроводной контур, нанопроводную катушку и нанопроводной преобразователь. Фигура 40-A иллюстрирует примеры нанопроводного соединителя 4000 согласно различным вариантам реализации изобретения. Более конкретно, фигура 40A-A иллюстрирует нанопроводной соединитель 4000A, сформированный из нанопровода, включающего в себя ЧНС-материал, ориентированный аналогичным показанному на фигуре 39-A образом и описанный выше, при этом глубина нанопровода меньше пороговой глубины, необходимой для формирования петлевых токов в ЧНС-материале. Фигура 40B-A иллюстрирует нанопроводной соединитель 4000B, сформированный из нанопровода, включающего в себя ЧНС-материал, ориентированный таким образом, что a-ось и c-ось меняются местами по сравнению с фигурой 39-A, при этом ширина нанопровода меньше пороговой ширины, необходимой для формирования петлевых токов в ЧНС-материале. Другие нанопроводные соединители 4000 могут быть сформированы из нанопроводов, которые включают в себя ЧНС-материалы в различных ориентациях, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной соединитель 4000 включает в себя нанопровод, который является идеальным проводником, но который не демонстрирует все характеристики сверхпроводника. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной соединитель 4000 включает в себя нанопровод, который является идеальным проводником, который не демонстрирует эффекта Мейснера. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной соединитель 4000 включает в себя нанопровод, который сформирован из традиционного ВТСП-материала с размерным параметром, управляемым так, что нанопровод работает в качестве идеального проводника, но не демонстрирует эффекта Мейснера. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной соединитель 4000 включает в себя нанопровод, который сформирован из модифицированного ЧНС-материала 1060 с размерным параметром, управляемым так, что нанопровод работает в качестве идеального проводника, но не демонстрирует эффекта Мейснера. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной соединитель 4000 включает в себя нанопровод, который сформирован из нового ЧНС-материала с размерным параметром, управляемым так, что нанопровод работает в качестве идеального проводника, но не демонстрирует эффекта Мейснера. Как будет понятно, что нанопроводные соединители 4000 могут быть использованы для того, чтобы соединять один электрический компонент с другим электрическим компонентом (не проиллюстрировано иным образом).

[00261] Фигура 41-A иллюстрирует различные однонанопроводные контуры 4100, которые могут быть сформированы из отдельных нанопроводов или нанопроводных сегментов согласно различным вариантам реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной контур 4100A включает в себя три нанопроводных сегмента 4110, а именно, нанопроводной сегмент 4110A, нанопроводной сегмент 4110B и нанопроводной сегмент 4110C. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной контур 4100B включает в себя четыре нанопроводных сегмента 4110, а именно, нанопроводной сегмент 4110A, нанопроводной сегмент 4110B, нанопроводной сегмент 4110C и нанопроводной сегмент 4110D. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной контур 4100C включает в себя пять сегментов 4110, а именно, нанопроводной сегмент 4110A, нанопроводной сегмент 4110B, нанопроводной сегмент 4110C, нанопроводной сегмент 4110D и нанопроводной сегмент 4110E. Нанопроводной контур 4100C отличается от нанопроводного контура 4100B местоположением пары контактных выводов контура. Другие местоположения для контактных выводов контура могут быть использованы в этих или других нанопроводных контурах 4100, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводной контур 4100D включает в себя N нанопроводных сегментов 4110, а именно, нанопроводной сегмент 4110A, нанопроводной сегмент 4110B, нанопроводной сегмент 4110C, и нанопроводной сегмент 4110N. В некоторых вариантах реализации изобретения отдельные нанопроводные сегменты 4110 нанопроводных контуров 4100 могут соединяться непосредственно друг с другом через ЧНС-материал нанопровода. В некоторых вариантах реализации изобретения отдельные нанопроводные сегменты 4110 могут опосредованно соединяться друг с другом через проводящий материал, включая, но не ограничиваясь ими, проводящий металл. Выводы в нанопроводной контур 4100 (не проиллюстрировано иным образом) могут быть или не быть сформированы из нанопроводов. Нанопроводные контуры 4100 могут использоваться для множества вариантов применения, как будет понятно, и могут быть сформированы во множестве геометрических форм и размеров, например, в зависимости от таких вариантов применения. Например, нанопроводной контур 4100 может быть использован для того, чтобы формировать так называемую ʺтоковую петлюʺ, которая имеет различные варианты применения, включая восприятие и/или создание электрических полей, как будет понятно.

[00262] Фигура 42-A иллюстрирует примерную нанопроводную катушку 4200, которая может быть сформирована из одного или более отдельных нанопроводных контуров 4100 согласно различным вариантам реализации изобретения. Отдельные нанопроводные контуры 4100 могут быть отделены друг от друга подложкой или буферным материалом и соединены друг с другом, например, соединителем 4210. Как проиллюстрировано, нанопроводная катушка 4200 образована из нанопроводного контура 4100V, нанопроводного контура 4100W, нанопроводного контура 4100X, нанопроводного контура 4100Y и нанопроводного контура 4100Z. Хотя она проиллюстрирована на фигуре 42-A как включающая в себя пять нанопроводных контуров 4100, нанопроводная катушка 4200 может включать в себя любое число нанопроводных контуров 4100, что будет понятно. Как также проиллюстрировано на фигуре 42-A, нанопроводная катушка 4200 выполнена с возможностью проведения тока через каждый нанопроводной контур 4100 в идентичном общем направлении (например, по часовой стрелке или против часовой стрелки). Нанопроводная катушка 4200 может использоваться для множества вариантов применения, как будет понятно, и может быть сформирована во множестве геометрических форм и размеров, например, в зависимости от таких вариантов применения.

[00263] Фигура 43-A иллюстрирует дифференциальную нанопроводную катушку 4300, которая может быть сформирована из одной или более пар нанопроводных контуров 4100 согласно различным вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 43-A, нанопроводная катушка 4300 образована из двух пар нанопроводных контуров: первой пары, включающей в себя нанопроводной контур 4100P и нанопроводной контур 4100Q; и второй пары, включающей в себя нанопроводной контур 4100R и нанопроводной контур 4100S. Хотя она проиллюстрирована на фигуре 43-A как включающая в себя две пары нанопроводных контуров 4100, в различных вариантах реализации изобретения может быть использовано любое число пар. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения нанопроводная катушка 4300 может включать в себя один нанопроводной контур 4100 в дополнение к одной или более пар нанопроводных контуров 4100, как будет понятно. Нанопроводные контуры 4100 в каждой паре нанопроводных контуров 4100 соединяются друг с другом, (например, соединителем 4210) таким образом, что они проводят ток в отличающемся друг от друга направлении. Например, как проиллюстрировано на фигуре 43-A, нанопроводной контур 4100P проводит ток в направлении, отличающемся от направления нанопроводного контура 4100Q (т.е. один может проводить ток по часовой стрелке, в то время как другой проводит ток против часовой стрелки). То же самое справедливо для нанопроводного контура 4100R и нанопроводного контура 4100S. Нанопроводная катушка 4300 может использоваться для множества вариантов применения, как будет понятно, и может быть сформирована во множестве геометрических форм и размеров, например, в зависимости от таких вариантов применения.

[00264] Фигура 44-A иллюстрирует нанопроводную катушку 4400, которая может быть сформирована из одного или более концентрических нанопроводных контуров 4100 согласно различным вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 44-A, нанопроводная катушка 4400 образована из пяти нанопроводных контуров 4100, включающих в себя нанопроводной контур 4100J, нанопроводной контур 4100K, нанопроводной контур 4100-L, нанопроводной контур 4100M и нанопроводной контур N. Хотя она проиллюстрирована на фигуре 44-A как включающая в себя пять нанопроводных контуров 4100, в различных вариантах реализации изобретения может быть использовано любое число нанопроводных контуров 4100. Как проиллюстрировано на фигуре 44-A, нанопроводные контуры 4100 являются концентрическими друг другу, и последовательные нанопроводные контуры 4100 уменьшаются в размере. Например, нанопроводной контур 4100K входит в нанопроводной контур 4100J и меньше него. Аналогично, нанопроводной контур 4100L входит в нанопроводной контур 4100K и меньше него; нанопроводной контур 4100M входит в нанопроводной контур 4100L и меньше него; и нанопроводной контур 4100N входит в нанопроводной контур 4100M и меньше него. Как проиллюстрировано на фигуре 44-A, нанопроводные контуры 4100 соединяются друг с другом с образованием, например, ʺспиральнойʺ нанопроводной катушки 4400. Нанопроводная катушка 4400 может использоваться для множества вариантов применения, как будет понятно, и может быть сформирована во множестве геометрических форм и размеров. В то время как нанопроводная катушка 4200 и нанопроводная катушка 4300 могут рассматриваться как трехмерные по своему характеру (т.е. нанопроводные контуры 4100 в каждой из них ʺукладываются стопкойʺ друг на друге), нанопроводная катушка 4400 может рассматриваться как двумерная по своему характеру (т.е. без укладки стопкой нанопроводных контуров 4100).

[00265] Фигуры 45A-A и 45B-A иллюстрируют различные нанопроводные преобразователи 4500, согласно различным вариантам реализации изобретения, которые могут быть использованы для того, чтобы преобразовывать энергию из одной формы энергии в другую форму энергии. Например, нанопроводной преобразователь 4500A, включающий в себя по меньшей мере два нанопроводных сегмента 4110, выполненные в виде диполя, может быть использован для того, чтобы преобразовывать электромагнитное излучение в переменное напряжение (например, V_rms), возникающее на его контактных выводах. В этом режиме нанопроводной преобразователь 4500A может рассматриваться как приемник (т.е. принимающий электромагнитное излучение или иным образом откликающийся или реагирующий на него). Наоборот, нанопроводной преобразователь 4500A может быть использован для того, чтобы преобразовывать переменное напряжение, возникающее на его контактных выводах, в электромагнитное излучение. В этом режиме нанопроводной преобразователь 4500A может рассматриваться как передатчик (т.е. передающий или иным образом распространяющий электромагнитное излучение).

[00266] В качестве другого примера, нанопроводной преобразователь 4500B, включающий в себя нанопроводной контур 4100 (и который также может считаться нанопроводной катушкой 4100), может быть использован для того, чтобы воспринимать изменяющийся ток, переносимый в проводнике 4510. Более конкретно, переносимый проводником 4510 ток генерирует электромагнитное поле, которое, в свою очередь, дает ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500B согласно известным принципам физики. Наоборот, изменяющийся ток, приложенный к контактным выводам нанопроводного преобразователя 4500B, может быть использован для того, чтобы наводить ток в проводнике 4510. Изменяющийся ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500B наводит электромагнитное поле, которое, в свою очередь, наводит ток в проводнике 4510.

[00267] В качестве еще одного дополнительного примера, нанопроводной преобразователь 4500C, включающий в себя нанопроводную катушку 4200, может быть использован для того, чтобы воспринимать изменяющийся ток, переносимый в проводнике 4510. Более конкретно, переносимый проводником 4510 ток генерирует электромагнитное поле, которое, в свою очередь, дает ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500C согласно известным принципам физики. Наоборот, изменяющийся ток, приложенный к контактным выводам нанопроводного преобразователя 4500C, может быть использован для того, чтобы наводить ток в проводнике 4510. С другой стороны, изменяющийся ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500C наводит электромагнитное поле в петлях нанопроводного преобразователя 4500C, которое, в свою очередь, наводит ток в проводнике 4510.

[00268] В качестве еще одного дополнительного примера, нанопроводной преобразователь 4500D, включающий в себя нанопроводную катушку 4400, может быть использован для того, чтобы воспринимать изменяющийся ток, переносимый в проводнике 4510. Более конкретно, переносимый проводником 4510 ток генерирует электромагнитное поле, которое, в свою очередь, дает ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500D согласно известным принципам физики. Наоборот, изменяющийся ток, приложенный к контактным выводам нанопроводного преобразователя 4500D, может быть использован для того, чтобы наводить ток в проводнике 4510. С другой стороны, изменяющийся ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500D наводит электромагнитное поле в петлях нанопроводного преобразователя 4500C, которое, в свою очередь, наводит ток в проводнике 4510.

[00269] Как будет понятно, проводник 4510 не является обязательным в различных вариантах реализации изобретения, поясненных выше со ссылкой на фигуру 45-A. Фактически, любое изменяющееся электромагнитное поле, присутствующее в ʺпетле(ях)ʺ нанопроводного преобразователя 4500, будь то из проводника 4510 или из другого места, создает ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500. Аналогично, изменяющийся ток через контактные выводы нанопроводного преобразователя 4500 создает электромагнитное поле в петлях нанопроводного преобразователя 4500. Как будет также понятно, вышеназванное ʺизменяющееся электромагнитное полеʺ может возникать в результате изменения поля в петле(ях) нанопроводного преобразователя 4500, изменения положения нанопроводного преобразователя 4500 относительно поля, изменения положения нанопроводного преобразователя 4500 относительно проводника 4510 и/или изменения переносимого проводником 4510 тока, что также следует принимать во внимание.

[00270] В некоторых вариантах реализации нанопровод, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00271] Нанопровод, содержащий модифицированный ЧНС-материал.

[00272] Нанопровод, содержащий множество слоев модифицированного ЧНС-материала, причем каждый из множества слоев ЧНС-материала отделен от другого из множества слоев буфером или материалом подложки.

[00273] Электрическая система, содержащая: первый нанопровод, содержащий модифицированный ЧНС-материал; и второй нанопровод, содержащий не-ЧНС-материал, при этом первый нанопровод электрически связан со вторым нанопроводом.

[00274] ЧНС-нанопровод, содержащий: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что ЧНС-нанопровод не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00275] ЧНС-нанопровод, содержащий: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину; и модифицирующий материал, расположенный на надлежащей поверхности ЧНС-материала, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что ЧНС-нанопровод не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00276] ЧНС-нанопроводной контур, содержащий: по меньшей мере один сегмент ЧНС-нанопровода, причем каждый сегмент ЧНС-нанопровода содержит: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что сегмент ЧНС-нанопровода не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00277] ЧНС-нанопроводной контур, содержащий: множество сегментов ЧНС-нанопровода, причем каждый из множества сегментов ЧНС-нанопровода содержит ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, модифицирующий материал, расположенный на надлежащей поверхности ЧНС-материала, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что сегмент ЧНС-нанопровода не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00278] ЧНС-нанопроводная катушка, содержащая: по меньшей мере один ЧНС-нанопроводной контур, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного ЧНС-нанопроводного контура содержит множество сегментов ЧНС-нанопровода, причем каждый из множества сегментов ЧНС-нанопровода соединен с по меньшей мере одним другим из множества сегментов ЧНС-нанопровода, практически образуя многоугольник, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного сегмента ЧНС-нанопровода содержит: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что сегмент ЧНС-нанопровода не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00279] ЧНС-нанопроводная катушка, содержащая: множество ЧНС-нанопроводных контуров, причем каждый из множества ЧНС-нанопроводных контуров содержит множество сегментов ЧНС-нанопровода, причем каждый из множества сегментов ЧНС-нанопровода соединен с по меньшей мере одним другим из множества сегментов ЧНС-нанопровода, практически образуя многоугольник, причем каждый из множества сегментов ЧНС-нанопровода содержит: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, модифицирующий материал, расположенный на надлежащей поверхности ЧНС-материала, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что сегмент ЧНС-нанопровода не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00280] Нанопроводной преобразователь, содержащий: по меньшей мере один нанопроводной сегмент, при этом нанопроводной преобразователь либо воспринимает электромагнитное поле, либо наводит электромагнитное поле.

[00281] Нанопроводной преобразователь, содержащий: по меньшей мере один нанопроводной сегмент, расположенный в электромагнитном поле, при этом нанопроводной преобразователь воспринимает электромагнитное поле и преобразует его в переменное напряжение.

[00282] Нанопроводной преобразователь, содержащий: по меньшей мере один нанопроводной сегмент, электрически соединенный с источником переменного напряжения, при этом нанопроводной преобразователь наводит электромагнитное поле в ответ на источник переменного напряжения.

Глава 2. Переходы Джозефсона, сформированные из ЧНС-материалов

[00283] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-A по 46J; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00284] Фигуры 46A-A-46H-A иллюстрируют различные переходы 4600 Джозефсона (проиллюстрированы на фигурах как переход 4600A Джозефсона на фигуре 46A-A, переход 4600B Джозефсона на фигуре 46B-A, переход 4600C Джозефсона на фигуре 46C-A, переход 4600D Джозефсона на фигуре 46D-A, переход 4600E Джозефсона на фигуре 46E-A, переход 4600F Джозефсона на фигуре 46F-A, переход 4600G Джозефсона на фигуре 46G-A и переход 4600H Джозефсона на фигуре 46H-A) согласно одному или более вариантам реализации изобретения. Фигура 46A-A иллюстрирует переход 4600A Джозефсона, который включает в себя два ЧНС-проводника 4620, отделенные барьером 4610. В некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 содержит ЧНС-материалы, которые работают с улучшенными рабочими характеристиками в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 содержит модифицированный ЧНС-материал 1060; и в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 содержит новые ЧНС-материалы с улучшенными рабочими характеристиками. В некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 содержит нанопроводной сегмент 4110 в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00285] В некоторых вариантах реализации изобретения барьер 4610 содержит изоляционный материал, расположенный между и электрически соединенный с ЧНС-проводниками 4620. В этих вариантах реализации барьер 4610 является очень тонким, типично 30 ангстремов или меньше, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения барьер 4610 содержит проводящий материал, такой как проводящий металл, расположенный между ЧНС-проводниками 4620. В некоторых вариантах реализации изобретения барьер 4610 содержит проводящий материал, такой как ферромагнитный металл, расположенный между ЧНС-проводниками 4620. В этих вариантах реализации барьер 4610 может быть толще, чем с изолирующими материалами, типично толщиной в несколько микронов, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения барьер 4610 содержит полупроводящий материал, такой как проводящий металл, расположенный между ЧНС-проводниками 4620. В некоторых вариантах реализации изобретения барьер 4610 содержит другие материалы, такие как, но не ограничиваясь ими, ЧНС-материал, отличающийся от материала ЧНС-проводников 4620 (т.е. отличающийся в том смысле, что он может иметь другой химический состав, другую кристаллическую структуру, другую ориентацию кристаллической структуры, другую фазу, другую границу зерна, другой критический ток, другую критическую температуру или иное отличие). В некоторых вариантах реализации изобретения барьер 4610 содержит ЧНС-материал, идентичный ЧНС-материалу ЧНС-проводников 4620, но отличающийся в смысле одного или более механических аспектов (т.е. толщины ЧНС-материала, отличающейся от толщины ЧНС-проводников 4620, ширины ЧНС-материала, отличающейся от ширины ЧНС-проводников 4620, или другого механического отличия). В некоторых вариантах реализации барьер 4610 содержит частичный или полный зазор, сформированный между ЧНС-проводниками 4620. В этих вариантах реализации барьер 4610 может содержать зазор, заполненный воздухом или другим газом. В некоторых вариантах реализации изобретения, где ЧНС-проводники 4620 содержат модифицированный ЧНС-материал 1020, барьер 4610 может содержать немодифицированный ЧНС-материал 360.

[00286] Общие типы традиционных переходов Джозефсона включают в себя: переход ʺсверхпроводник-изолятор-сверхпроводникʺ (ʺSISʺ); переход ʺсверхпроводник-нормальный проводник-сверхпроводникʺ (ʺSNSʺ); переход ʺсверхпроводник-ферромагнитный металл-сверхпроводникʺ (ʺSFSʺ); переход ʺсверхпроводник-изолятор-нормальный проводник-изолятор-сверхпроводникʺ (ʺSINISʺ); переход ʺсверхпроводник-изолятор-нормальный проводник-сверхпроводникʺ (ʺSINSʺ); переход ʺсверхпроводник-сужение-сверхпроводникʺ (ʺSCSʺ); и другие. Фигура 46I-A иллюстрирует различные примеры этих переходов Джозефсона, включая, но не ограничиваясь ими (слева направо, сверху вниз): туннельный переход (SIS); точечный контакт; мостик Дайема (SCS); слоеный переход; мостик переменной толщины; и ионно-имплантированный мостик. Фигура 46J-A иллюстрирует различные другие примеры переходов Джозефсона, включая, но не ограничиваясь ими (слева направо, сверху вниз): ступенчато-краевой SNS-переход; ступенчато-краевой зернограничный переход; пилообразно-краевой переход; и бикристаллический зернограничный переход. Согласно различным вариантам реализации изобретения любой из этих вышеуказанных типов переходов Джозефсона может быть выполнен с использованием улучшенных ЧНС-материалов, таких как ЧНС-материалы, поясненные выше, вместо сверхпроводящего материала традиционных переходов Джозефсона.

[00287] Вообще говоря, переходы 4600 Джозефсона демонстрируют так называемый эффект Джозефсона, при котором ток, протекающий в ЧНС-состоянии через ЧНС-проводники 4620, также имеет возможность протекать через переход между ЧНС-проводниками 4620 в состоянии с чрезвычайно низким сопротивлением, при этом переход может содержать, например, барьер 4610. Ток, который протекает через барьер 4610, называется током Джозефсона. До тех пор, пока он не достигнет критического тока, ток Джозефсона может протекать через барьер 4610 с чрезвычайно низким сопротивлением. Тем не менее, когда критический ток барьера 4610 превышается, возникает напряжение на барьере 4610, которое, в свою очередь, далее уменьшает критический ток, тем самым создавая большее напряжение на барьере 4610. Эффект Джозефсона может быть использован с переходами 4600 Джозефсона в различных цепях, как будет понятно.

[00288] Фигура 46A-A иллюстрирует различные варианты реализации переходов 4600A Джозефсона в ʺконфигурации проводʺ, которые включают, но не ограничиваясь ими, проводники из массивного материала, провода, нанопровода, дорожки и другие конфигурации, как будет понятно.

[00289] Фигура 46B-A иллюстрирует переход 4600B Джозефсона в ʺконфигурации фольгаʺ или ʺконфигурации пластинаʺ, которые включают, но не ограничиваясь ими, пластины из массивного материала, фольг или другие слоистые конфигурации, как будет понятно, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Переход 4600B Джозефсона может быть использован, например, чтобы детектировать фотоны, падающие на один из ЧНС-проводников 4620. Существуют другие варианты использования перехода 4600B Джозефсона, как будет понятно.

[00290] Фигура 46C-A и фигура 46D-A иллюстрируют переходы 4600 Джозефсона в так называемой ʺконфигурации проводаʺ. Фигура 46C-A иллюстрирует переход 4600C Джозефсона, который содержит ЧНС-проводники 4620, которые включают в себя модифицированный ЧНС-материал, который имеет улучшенные рабочие характеристики в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 46C-A, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 перехода 4600C Джозефсона включает в себя модифицированный ЧНС-материал, содержащий модифицирующий материал 2720, наслоенный на ЧНС-материал 3110. В некоторой реализации изобретения модифицированный ЧНС-материал может наслаиваться на подложку 2420 (т.е. ЧНС-материал наслаивается на подложку 2420). ЧНС-проводники 4620 могут содержать другие формы модифицированного ЧНС-материала, как будет понятно. Как проиллюстрировано, барьер 4610 располагается между и электрически соединяется с ЧНС-проводниками 4620.

[00291] Фигура 46D-A иллюстрирует переход 4600D Джозефсона, который содержит ЧНС-проводники 4620, которые включают в себя модифицированный ЧНС-материал, который имеет улучшенные рабочие характеристики в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 46D-A, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 перехода 4600D Джозефсона включает в себя модифицированный ЧНС-материал, содержащий модифицирующий материал 2720, наслоенный на ЧНС-материал 3110. В некоторой реализации изобретения модифицированный ЧНС-материал может наслаиваться на подложку 2420 (т.е. ЧНС-материал наслаивается на подложку 2420). ЧНС-проводники 4620 могут содержать другие формы модифицированного ЧНС-материала, как будет понятно. Как проиллюстрировано, барьер 4610 располагается между и электрически соединяется с ЧНС-проводниками 4620, а более конкретно, барьер 4610 располагается между слоями ЧНС-материала 3110 и под сплошным слоем модифицирующего материала 2720. Переход 4600D Джозефсона может быть желателен, например, с точки зрения изготовления по сравнению с переходом 4600C Джозефсона, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения, таких как, но не ограничиваясь ими, варианты реализации, проиллюстрированные на фигуре 46C-A и фигуре 46D-A, барьер 4610 может содержать модифицирующий материал 2720.

[00292] Фигура 46E-A иллюстрирует переход 4600E Джозефсона, который содержит ЧНС-проводники 4620, которые включают в себя модифицированный ЧНС-материал, который имеет улучшенные рабочие характеристики в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 46E-A, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 перехода 4600E Джозефсона включает в себя модифицированный ЧНС-материал, содержащий модифицирующий материал 2720, наслоенный на ЧНС-материал 3110. Как проиллюстрировано на фигуре 46E-A, барьер 4610 образован разрывом (например, зазором) в слое модифицирующего материала 2720 поверх сплошного слоя ЧНС-материала 3110. Такой зазор в слое модифицирующего материала 2720 может быть сформирован посредством множества методов обработки, включая травление, фрезерование, теневое маскирование или другие методы обработки, как будет понятно. Переход 4600E Джозефсона затем формируют из двух ЧНС-проводников 4620, содержащих модифицированный ЧНС-материал (например, слой модифицирующего материала 2720 поверх слоя ЧНС-материала 3110), разделенных барьером 4610, содержащим слой ЧНС-материала 3110 без модифицирующего материала 2720 (т.е. слой немодифицированного ЧНС-материала 3110). Переход 4600E Джозефсона может быть желателен, например, с точки зрения изготовления по сравнению с другими переходами Джозефсона, как будет понятно.

[00293] Фигура 46F-A иллюстрирует переход 4600F Джозефсона, который содержит ЧНС-проводники 4620, которые включают в себя модифицированный ЧНС-материал, который имеет улучшенные рабочие характеристики в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 46F-A, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 перехода 4600F Джозефсона включает в себя модифицированный ЧНС-материал, содержащий модифицирующий материал 2720, наслоенный на ЧНС-материал 3110. Аналогично переходу 4600E Джозефсона, барьер 4610 перехода 4600F Джозефсона образован зазором в слое модифицирующего материала 2720 поверх сплошного слоя ЧНС-материала 3110. Как результат, переход 4600F Джозефсона также сформирован из двух ЧНС-проводников 4620, содержащих модифицированный ЧНС-материал, разделенных барьером 4610, содержащим немодифицированный ЧНС-материал 3110. В некоторых вариантах реализации изобретения слой изолирующего или буферного материала 4630 может наслаиваться поверх модифицирующего материала 2720, и как проиллюстрировано на фигуре 46F-A, такой материал 4630 может заполнять зазор в слое модифицирующего материала 2720, тем самым обеспечивая дополнительный аспект барьеру 4610.

[00294] Фигура 46G-A иллюстрирует переход 4600G Джозефсона, который содержит ЧНС-проводники 4620, которые включают в себя модифицированный ЧНС-материал, который имеет улучшенные рабочие характеристики в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 46G-A, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 перехода 4600G Джозефсона включает в себя модифицированный ЧНС-материал, содержащий модифицирующий материал 2720, наслоенный на ЧНС-материал 3110. Аналогично переходам 4600E и 4600F Джозефсона, барьер 4610 перехода 4600G Джозефсона образован зазором в слое модифицирующего материала 2720 поверх слоя ЧНС-материала 3110. Помимо этого, барьер 4610 перехода 4600G Джозефсона также включает в себя частичный зазор (т.е. механическое сужение по глубине или толщине) в слое ЧНС-материала 3110. Например, методы обработки, используемые для того, чтобы создавать зазор в слое модифицирующего материала 2720, могут, преднамеренно или непреднамеренно, создавать частичный зазор в базовом слое ЧНС-материала 3110. Как результат, переход 4600G Джозефсона сформирован из двух ЧНС-проводников 4620, содержащих модифицированный ЧНС-материал, разделенных барьером 4610, содержащим немодифицированный ЧНС-материал 3110, с дополнительным механическим сужением. В некоторых вариантах реализации изобретения слой изолирующего или буферного материала 4630 может наслаиваться поверх модифицирующего материала 2720, и как проиллюстрировано на фигуре 46G-A, такой материал 4630 может заполнять зазор в слое модифицирующего материала 2720, а также частичный зазор в слое ЧНС-материала 3110, тем самым обеспечивая дополнительный аспект барьеру 4610.

[00295] Фигура 46H-A иллюстрирует переход 4600H Джозефсона, который содержит ЧНС-проводники 4620, которые включают в себя модифицированный ЧНС-материал, который имеет улучшенные рабочие характеристики в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фигуре 46H-A, в некоторых вариантах реализации изобретения каждый ЧНС-проводник 4620 перехода 4600H Джозефсона включает в себя модифицированный ЧНС-материал, содержащий модифицирующий материал 2720, наслоенный на ЧНС-материал 3110. Как описано выше, барьер 4610 перехода 4600H Джозефсона образован зазором как в слое модифицирующего материала 2720, так и в слое ЧНС-материала 3110. Как результат, переход 4600H Джозефсона сформирован из двух ЧНС-проводников 4620, содержащих модифицированный ЧНС-материал, разделенных зазором. В некоторых вариантах реализации изобретения слой изолирующего или буферного материала 4630A может наслаиваться поверх модифицирующего материала 2720, и как проиллюстрировано на фигуре 46H-A, такой материал 4630 может заполнять зазор как в слое модифицирующего материала 2720, так и в слое ЧНС-материала 3110.

[00296] В некоторых вариантах реализации изобретения множество переходов 4600 Джозефсона может быть организовано в одномерный массив последовательно соединенных переходов 4600 Джозефсона, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения множество переходов 4600 Джозефсона может быть организовано в двумерный массив переходов Джозефсона, включающий в себя множество соединенных параллельно друг с другом одномерных массивов последовательно соединенных переходов 4600 Джозефсона, как будет понятно.

[00297] В некоторых вариантах реализации переход Джозефсона, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00298] Переход Джозефсона, содержащий: первый ЧНС-проводник, содержащий ЧНС-материал, имеющий улучшенные рабочие характеристики; второй ЧНС-проводник, содержащий ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводником и вторым ЧНС-проводником.

[00299] Переход Джозефсона, содержащий: первый ЧНС-проводник, содержащий ЧНС-материал, имеющий критическую температуру, большую 150 K; второй ЧНС-проводник, содержащий ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводником и вторым ЧНС-проводником.

[00300] Цепь, содержащая: множество переходов Джозефсона, при этом каждый из множества переходов Джозефсона содержит: первый ЧНС-проводник, содержащий ЧНС-материал, имеющий критическую температуру, большую 150 K, второй ЧНС-проводник, содержащий ЧНС-материал, и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводником и вторым ЧНС-проводником.

[00301] Переход Джозефсона, содержащий: первый ЧНС-проводник, содержащий модифицированный ЧНС-материал; второй ЧНС-проводник, содержащий модифицированный ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводником и вторым ЧНС-проводником, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет улучшенные рабочие характеристики по сравнению с рабочими характеристиками только ЧНС-материала.

[00302] Переход Джозефсона, содержащий: первый ЧНС-проводник, содержащий модифицированный ЧНС-материал; второй ЧНС-проводник, содержащий модифицированный ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводником и вторым ЧНС-проводником, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет критическую температуру, большую 150 K.

[00303] Цепь, содержащая множество переходов Джозефсона, при этом каждый из множества переходов Джозефсона содержит первый ЧНС-проводник, содержащий модифицированный ЧНС-материал; второй ЧНС-проводник, содержащий модифицированный ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводником и вторым ЧНС-проводником, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет критическую температуру, большую 150 K.

[00304] Переход Джозефсона, содержащий: первый слой ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала, связанный с первым слоем ЧНС-материала, причем второй слой имеет первую часть и вторую часть с зазором, сформированным между первой частью и второй частью и поверх первого слоя ЧНС-материала, при этом первая часть второго слоя модифицирующих материалов, связанного с первым слоем ЧНС-материала, образует первую часть модифицированного ЧНС-материала, при этом вторая часть второго слоя модифицирующих материалов, связанного с первым слоем ЧНС-материала, образует вторую часть модифицированного ЧНС-материала, и при этом зазор во втором слое модифицирующего материала обеспечивает немодифицированную часть ЧНС-материала, при этом немодифицированная часть ЧНС-материала образует барьер перехода Джозефсона, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет улучшенные рабочие характеристики по сравнению с рабочими характеристиками только ЧНС-материала.

[00305] Переход Джозефсона, содержащий: первый слой ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала, связанный с первым слоем ЧНС-материала, причем второй слой имеет первую часть и вторую часть с зазором, сформированным между первой частью и второй частью и поверх первого слоя ЧНС-материала, при этом первая часть второго слоя модифицирующих материалов, связанного с первым слоем ЧНС-материала, образует первую часть модифицированного ЧНС-материала, при этом вторая часть второго слоя модифицирующих материалов, связанного с первым слоем ЧНС-материала, образует вторую часть модифицированного ЧНС-материала, и при этом зазор во втором слое модифицирующего материала обеспечивает немодифицированную часть ЧНС-материала, при этом немодифицированная часть ЧНС-материала образует барьер перехода Джозефсона, при этом модифицированный ЧНС-материал работает в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K.

[00306] Цепь, содержащая: первый слой ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала, связанный с первым слоем ЧНС-материала, причем второй слой имеет множество частей модифицирующего материала с зазором, сформированным между каждой парой смежных из множества частей модифицирующего материала, при этом каждая из множества частей модифицирующего материала связана с первым слоем ЧНС-материала, образуя часть модифицированного ЧНС-материала, и при этом зазор, сформированный между каждой парой смежных из множества частей модифицирующего материала, обеспечивает немодифицированную часть ЧНС-материала, при этом немодифицированная часть ЧНС-материала образует барьер перехода Джозефсона, при этом модифицированный ЧНС-материал работает в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K.

[00307] Переход Джозефсона, содержащий: первый ЧНС-провод, содержащий ЧНС-материал, имеющий критическую температуру, большую 150 K; второй ЧНС-провод, содержащий ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первым ЧНС-проводом и вторым ЧНС-проводом.

[00308] Переход Джозефсона, содержащий: первую ЧНС-фольгу, содержащую ЧНС-материал, имеющий критическую температуру, большую 150 K; вторую ЧНС-фольгу, содержащую ЧНС-материал; и барьерный материал, расположенный между первой ЧНС-фольгой и второй ЧНС-фольгой.

Глава 3. КВИД, сформированные из ЧНС-материалов

[00309] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-A по 53-A; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00310] Фигура 47-A иллюстрирует ЧНС-КВИД 4700 (т.е. квантовый интерференционный датчик с ЧНС), который включает в себя ЧНС-петлю 4710 с одним ЧНС-переходом 4600 Джозефсона согласно различным вариантам реализации изобретения. Более конкретно, ЧНС-петля 4710 включает в себя ЧНС-проводник 4620, сформированный в петлю с одним барьером 4610, расположенным в ветви петли с образованием ЧНС-перехода 4600 Джозефсона. ЧНС-КВИД 4700, в общем, работает способом, аналогичным другим квантовым интерференционным датчикам, включая сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики или ʺСКВИДыʺ. Работа и применение СКВИДов, в общем, известны. Как будет понятно, ЧНС-КВИД 4700 иногда может называться ʺКВИДом с одним переходомʺ, ʺоднопереходным КВИДомʺ или ʺРЧ-КВИДомʺ. ЧНС-КВИД 4700 образован из ЧНС-материалов, которые работают с улучшенными рабочими характеристиками в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4700A содержит модифицированный ЧНС-материал 1060; в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4700 содержит щелевой ЧНС-материал с улучшенными рабочими характеристиками; и в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4700 содержит новые ЧНС-материалы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00311] Вообще говоря, ЧНС-КВИД 4700 может быть использован для того, чтобы детектировать магнитные поля, которые протекают через ЧНС-петлю 4710 (т.е. перпендикулярно внутренней области, образованной ЧНС-петлей 4710, и сквозь нее), как будет понятно. Более конкретно, ЧНС-КВИД 4700 может быть соединен с РЧ-генератором, который наводит ток в ЧНС-петле 4710. Такой РЧ-генератор, иногда также называемый схемой 5000 смещения переменным током, проиллюстрирован на фигуре 50-A. Схема 5000 смещения переменным током использует переменный ток 5020 через индуктор 5010, чтобы генерировать РЧ-поле, которое, в свою очередь, наводит ток в ЧНС-петле 4710 ЧНС-КВИДа 4700. В различных вариантах реализации изобретения ток в ЧНС-петле 4710 (которым можно управлять посредством тока 5020 через индуктор 5010) поддерживается на уровне или чуть ниже критического тока барьера 4610 перехода 4600 Джозефсона в ЧНС-КВИДе 4700. Магнитное поле, протекающее через внутреннюю область ЧНС-петли 4710, приводит к тому, что ток в ЧНС-петле 4710 превышает критический ток барьера 4610, тем самым создавая напряжение на барьере 4610, которое может детектироваться и/или измеряться, как будет понятно.

[00312] Фигура 48A-A иллюстрирует ЧНС-КВИД 4800 с двойным питанием, в общем, а более конкретно - ЧНС-КВИД 4800A с двойным питанием. ЧНС-КВИД 4800A включает в себя ЧНС-петлю 4710 с одним ЧНС-переходом 4600 Джозефсона и двумя линиями 4810 питания (иногда называемыми входной линией 4810A питания и выходной линией 4810 питания в зависимости от протекания тока через ЧНС-КВИД 4800A) согласно различным вариантам реализации изобретения. Линии 4810 питания симметрично помещены в ЧНС-петле 4710, гарантируя, что ток через каждую ветвь ЧНС-петли 4710 одинаков. По сути, ЧНС-петля 4710 иногда называется симметричной ЧНС-петлей.

[00313] ЧНС-петля 4710 ЧНС-КВИДа 4800A включает в себя ЧНС-проводник 4620, сформированный в петлю с одним барьером 4610, расположенным в ветви петли с образованием ЧНС-перехода 4600 Джозефсона. ЧНС-КВИДы 4800 могут быть сформированы из ЧНС-материалов, которые работают с улучшенными рабочими характеристиками в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4800 содержит модифицированный ЧНС-материал 1060; в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4800 содержит щелевой ЧНС-материал с улучшенными рабочими характеристиками; и в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4800 содержит новые ЧНС-материалы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00314] Фигура 48B-A иллюстрирует ЧНС-КВИД 4800B с двойным питанием согласно различным вариантам реализации изобретения. ЧНС-КВИД 4800B отличается от ЧНС-КВИДа 4800A тем, что линии 4810 питания смещены от центральной оси ЧНС-петли 4710, так что линии 4810 питания располагаются ближе к ветви 4830 (которая включает в себя барьер 4610) ЧНС-петли 4710 и дальше от ветви 4820 ЧНС-петли 4710. Таким образом, как описано выше, линии 4810 питания асимметрично помещены в ЧНС-петле 4710. Хотя это не проиллюстрировано иным образом, в различных вариантах реализации изобретения линии 4810 питания могут быть смещены от центральной оси ЧНС-петли 4710, так что линии 4810 питания располагаются ближе к ветви 4820 и дальше от ветви 4830. Аналогично, в различных вариантах реализации изобретения (не проиллюстрировано иным образом) одна линия питания может быть расположена ближе к ветви 4820, в то время как другая линия питания может быть расположена ближе к ветви 4830. Местоположение линий 4810 питания в ЧНС-петле 4710 может изменять соответствующее течение тока через каждую из ветвей 4820, 4830, и, следовательно, изменять общую работу и/или чувствительность ЧНС-КВИДа 4800B, как будет понятно. По сути, ЧНС-петля 4710 ЧНС-КВИДа 4800B иногда называется асимметричной ЧНС-петлей.

[00315] Фигура 48C иллюстрирует ЧНС-КВИД 4800C с двойным питанием согласно различным вариантам реализации изобретения. ЧНС-КВИД 4800C отличается от ЧНС-КВИДа 4800A тем, что ветвь 4840 может быть более широкой, чем ветвь 4850 (которая включает в себя барьер 4610) ЧНС-петли 4710. Таким образом, как описано выше, ветви 4840, 4850 представляют другую асимметрию, которая может быть использована в ЧНС-петле 4710. Хотя это не проиллюстрировано иным образом, в различных вариантах реализации изобретения ветвь 4850 может быть более широкой, чем ветвь 4840. Ширины ветвей 4840, 4850 в ЧНС-петле 4710 могут изменять соответствующее течение тока через каждую из ветвей 4840, 4850 и, следовательно, изменять общую работу и/или чувствительность ЧНС-КВИДа 4800C, как будет понятно. По сути, ЧНС-петля 4710 ЧНС-КВИД 4800C также иногда называется асимметричной ЧНС-петлей.

[00316] Вообще говоря, ЧНС-КВИД 4800 может быть использован в качестве логики на одиночных быстрых квантах магнитного потока (от англ. ʺrapid single quantum flux (RSQF) logicʺ), которая может быть использована для того, чтобы генерировать одиночный импульс при изменении состояния потока ЧНС-КВИДа 4800A. Другими словами, ЧНС-КВИД 4800 генерирует одиночный импульс, когда изменяется поле через внутреннюю область, образованную ЧНС-петлей 4710. Импульс, сгенерированный ЧНС-КВИДом 4800, типично имеет относительно короткую ширину (длительность) импульса, как будет понятно.

[00317] Фигура 49A-A иллюстрирует ЧНС-КВИД 4900 с двойным питанием и с двумя переходами Джозефсона, в общем, а более конкретно, ЧНС-КВИД 4900A с двойным питанием и с двумя переходами Джозефсона. ЧНС-КВИД 4900A включает в себя ЧНС-петлю 4710 с двумя ЧНС-переходами 4600 Джозефсона и двумя линиями 4810 питания согласно различным вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано, ЧНС-КВИД 4900 включает в себя симметричную петлю 4710. ЧНС-петля 4710 ЧНС-КВИДа 4900A включает в себя ЧНС-проводник 4620, сформированный в петлю с двумя барьерами 4610, каждый из которых расположен в ветви петли с образованием ЧНС-перехода 4600 Джозефсона. ЧНС-КВИДы 4900 могут быть сформированы из ЧНС-материалов, которые работают с улучшенными рабочими характеристиками в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 содержит модифицированный ЧНС-материал 1060; в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 содержит щелевой ЧНС-материал с улучшенными рабочими характеристиками; и в некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900A содержит новые ЧНС-материалы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00318] Фигура 49B-A иллюстрирует ЧНС-КВИД 4900B с двойным питанием и с двумя переходами Джозефсона согласно различным вариантам реализации изобретения. ЧНС-КВИД 4900B включает в себя асимметричную ЧНС-петлю 4710, в которой линии 4810 питания смещены от центральной оси ЧНС-петли 4710, как пояснено выше со ссылкой на фигуру 48B-A. Хотя это не проиллюстрировано иным образом, в различных вариантах реализации изобретения линии 4810 питания могут быть смещены от центральной оси ЧНС-петли 4710, так что линии 4810 питания располагаются ближе к ветви 4820 и дальше от ветви 4830. Аналогично, в различных вариантах реализации изобретения (не проиллюстрировано иным образом) одна линия питания может быть расположена ближе к ветви 4820, в то время как другая линия питания может быть расположена ближе к ветви 4830. Местоположение линий 4810 питания в ЧНС-петле 4710 может изменять соответствующее течение тока через каждую из ветвей 4820, 4830 и, следовательно, изменять общую работу и/или чувствительность ЧНС-КВИДа 4900B, как будет понятно.

[00319] Фигура 49C-A иллюстрирует ЧНС-КВИД 4900C с двойным питанием и с двумя переходами Джозефсона согласно различным вариантам реализации изобретения. ЧНС-КВИД 4900C включает в себя асимметричную ЧНС-петлю 4710, в которой ветви 4840, 4850 выполнены с отличающимся друг от друга размером, как пояснено выше со ссылкой на фигуру 48C-A. Хотя это не проиллюстрировано иным образом, в различных вариантах реализации изобретения ветвь 4850 может быть более широкой, чем ветвь 4840. Ширины ветвей 4840, 4850 в ЧНС-петле 4710 могут изменять соответствующее течение тока через каждую из ветвей 4840, 4850 и, следовательно, изменять общую работу и/или чувствительность ЧНС-КВИДа 4900C, как будет понятно.

[00320] Хотя ЧНС-КВИДы 4900A на фигурах 49A-A-49C-A проиллюстрированы как имеющие два перехода 4600 Джозефсона, ЧНС-КВИДы 4900A могут содержать три или более перехода 4600 Джозефсона, как будет понятно. Вообще говоря, такие ЧНС-КВИДы 4900 могут рассматриваться как параллельные массивы переходов 4600 Джозефсона, взаимно соединенные с ЧНС-сегментами 5320 (как будет подробнее описано ниже со ссылкой на фигуру 53-A).

[00321] Вообще говоря, ЧНС-КВИД 4900 может быть использован для того, чтобы детектировать магнитные поля, которые протекают через внутреннюю область, образованную ЧНС-петлей 4710, как будет понятно. Более конкретно, ЧНС-КВИД 4900 может быть использован в схеме 5100A смещения постоянным током, как проиллюстрировано на фигуре 51-A. Схема 5100 смещения постоянным током использует постоянный ток 5120, обеспечивая ток смещения через каждую из ветвей ЧНС-петли 4710 ЧНС-КВИДа 4900. В этой конфигурации ЧНС-КВИД 4900 иногда называется постояннотоковым КВИДом 4900. В различных вариантах реализации изобретения токи смещения через ветви в ЧНС-петле 4710 поддерживаются на уровне или чуть ниже критического тока барьеров 4610A переходов 4600 Джозефсона в ЧНС-КВИДе 4900. Магнитное поле, протекающее через внутреннюю область, образованную ЧНС-петлей 4710, приводит к тому, что ток в ЧНС-петле 4710 превышает критический ток барьера 4610A, тем самым создавая напряжение на барьерах 4610, которое может детектироваться и/или измеряться, как будет понятно. ЧНС-КВИДы 4900 являются в целом более чувствительными к магнитным полям, чем, например, ЧНС-КВИДы 4700, как будет понятно.

[00322] Далее описывается конструкция ЧНС-КВИДа 4900 в соответствии с различными вариантами реализации изобретения со ссылкой на фигуру 53-A. Как будет понятно, нижеприведенное описание может применяться к различным вариантам реализации ЧНС-КВИДов 4700, 4800. Как проиллюстрировано на фигуре 53-A, ЧНС-КВИД 4900 может состоять из множества ЧНС-сегментов 5320. Каждый ЧНС-сегмент 5320 может иметь структуру, аналогичную структуре нанопроводного сегмента 4110. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-сегменты 5320 могут иметь размеры большие, а во многих случаях - значительно большие, чем размеры нанопроводных сегментов 4110. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-сегменты 5320 содержат нанопроводные сегменты 4110. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-сегменты 5320 содержат ЧНС-материал, такой как описанные выше.

[00323] В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 может содержать линии 4810 питания, сформированные из ЧНС-материала, такого как описанные выше. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 может содержать линии 4810 питания, сформированные из материала, отличающегося от ЧНС-материала. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 может содержать линии 4810 питания, сформированные из проводящего материала. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 может содержать линии 4810 питания, сформированные из проводящего металла. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД 4900 может содержать одну линию 4810 питания, сформированную из одного материала, и другую линию 4810A питания, сформированную из другого материала.

[00324] В некоторых вариантах реализации изобретения различные поверхности 5310 раздела (проиллюстрированы в виде поверхности 5310A раздела, поверхности 5310B раздела и поверхности 5310C раздела) между ЧНС-сегментами 5320 могут быть использованы с тем, чтобы формировать ЧНС-петлю 4710, как будет понятно. (Как будет понятно, не все поверхности 5310 раздела в ЧНС-петле 4710 проиллюстрированы для удобства). Согласно различным вариантам реализации изобретения поверхности 5310 раздела представляют собой переход между ориентацией кристаллической структуры одного ЧНС-сегмента 5320 и ориентацией другого ЧНС-сегмента 5320.

[00325] ЧНС-КВИДы 4700, 4800, 4900 (далее упоминаются взаимозаменяемо как ЧНС-КВИДы) зачастую находят свое применение во множестве схем (цепей) и/или приложений. Например, как ЧНС-КВИДы 4700, так и ЧНС-КВИДы 4900 могут быть использованы для того, чтобы формировать очень чувствительные магнитометры (такие как проиллюстрированные на фигуре 52A-A и поясненные ниже). В зависимости от сложности используемых схем смещения, усиления и обратной связи (не проиллюстрированы иным образом), как будет понятно, могут быть сформированы магнитометры, которые детектируют магнитные поля, способные детектировать порядка одной десятимиллионной (10^-10) от магнитного поля Земли.

[00326] Фигуры 52A-A-52C-A иллюстрируют различные градиентометры 5200 согласно различным вариантам реализации изобретения. Вообще говоря, градиентометры 5200 являются измерительными приборами, способными измерять изменения или градиенты в магнитных полях. Фигура 52A-A иллюстрирует градиентометр 5200A (также называемый магнитометром 5200A), который использует ЧНС-КВИД 4700, 4900, чтобы измерять магнитное поле через петлю петлевой схемы 5210A, как будет понятно. Как будет понятно, ЧНС-КВИД 4700, 4900 может быть магнитно экранирован.

[00327] Фигура 52B-A иллюстрирует градиентометр 5200B, который использует ЧНС-КВИД 4700, чтобы измерять первую производную магнитного поля через петли петлевой схемы 5210B, как будет понятно. Более конкретно, две петли петлевой схемы 5210B выполнены равными по размеру, параллельными друг другу и навитых в противоположных направлениях, так что токи, наведенные в каждой петле, гасят друг друга в присутствии однородного поля. При такой конфигурации петли петлевой схемы 5210B улавливают различие между петлями, которое будет присутствовать в изменяющемся поле.

[00328] Фигура 52C-A иллюстрирует градиентометр 5200C, который использует ЧНС-КВИД 4700, чтобы измерять вторую производную магнитного поля через петли петлевой схемы 5210C, как будет понятно. Более конкретно, четыре петли петлевой схемы 5210C выполнены равными по размеру, параллельными друг другу и навитыми так, как проиллюстрировано, так что токи, наведенные в каждой петле, гасят друг друга в присутствии равномерно изменяющегося поля. При такой конфигурации петли петлевой схемы 5210B улавливают скорость изменения поля через петли.

[00329] Фигура 53-A подробнее иллюстрирует примерный ЧНС-КВИД 5300 согласно различным вариантам реализации изобретения. Как проиллюстрировано, ЧНС-КВИД 5300 может состоять из множества ЧНС-сегментов 5320, соединенных вместе на примерных пересечениях 5310 (проиллюстрированы на фигуре 53-A в виде потенциального пересечения 5310A, потенциального пересечения 5310B или потенциального пересечения 5310C). Например, два ЧНС-сегмента 5320 могут образовывать пересечение 5310 через одно из потенциальных пересечений 5310A, 5310B или 5310C. В некоторых вариантах реализации изобретения потенциальные пересечения 5310A и 5310C образуют перпендикулярные пересечения между двумя ЧНС-сегментами 5320; тогда как потенциальное пересечение 5310B образует 45%-ые пересечения между двумя ЧНС-сегментами 5320; возможны и другие потенциальные пересечения, как будет понятно. Как проиллюстрировано, один или более барьеров 4610 (на фигуре 53-A проиллюстрированы два) расположены между двумя ЧНС-сегментами 5320 с образованием переходов 4600 Джозефсона. Как также проиллюстрировано, множество ЧНС-сегментов 5320 образуют петлю 4710, причем петля имеет по меньшей мере один барьер 4610, расположенный между двумя из множества ЧНС-сегментов 5320.

[00330] В некоторых вариантах реализации изобретения два или более ЧНС-КВИДа могут быть соединены между собой параллельно. В некоторых вариантах реализации изобретения два или более ЧНС-КВИДа могут быть соединены между собой последовательно. В некоторых вариантах реализации изобретения два или более ЧНС-КВИД могут быть соединены между собой последовательно, а также соединены параллельно с по меньшей мере одним другим ЧНС-КВИДом. В некоторых вариантах реализации изобретения может быть сформирована матрица N на M ЧНС-КВИДов на поверхности (плоской или иной) в качестве матрицы датчиков, способной осуществлять восприятие, измерение и/или определение местонахождения различных полей в матрице N на M. В некоторых вариантах реализации изобретения может быть сформирована решетка N на M на L ЧНС-КВИДов в качестве решетки датчиков, способной осуществлять восприятие, измерение и/или определение местонахождения различных полей в объеме решетки N на M на L. Могут быть сформированы различные другие конфигурации ЧНС-КВИДов, как будет понятно.

[00331] Вследствие их чувствительности ЧНС-КВИДы могут быть использованы для того, чтобы измерять реактивную проводимость материалов, неразрушающе оценивать дефекты в металлах, для проведения геофизических исследований, для микроскопических магнитных наблюдений и для биологических измерений. Улучшенные рабочие характеристики ЧНС-материалов, используемых ЧНС-КВИДами различных вариантов реализации изобретения, открывают широкое применение таких ЧНС-КВИДов в области медицинской и психической диагностики и других приложениях, где измеренный образец должен поддерживаться значительно выше криогенных температур.

[00332] В некоторых вариантах реализации КВИД, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00333] ЧНС-КВИД, содержащий: ЧНС-петлю, содержащую ЧНС-материал, имеющий улучшенные рабочие характеристики, и переход Джозефсона.

[00334] ЧНС-КВИД, содержащий: ЧНС-петлю, содержащую ЧНС-материал, имеющий критическую температуру, большую 150 K, и барьерный материал, при этом ЧНС-материал и барьерный материал образуют по меньшей мере один переход Джозефсона в ЧНС-петле.

[00335] ЧНС-КВИД, содержащий: множество ЧНС-сегментов, размещенных с образованием ЧНС-петли, причем ЧНС-сегменты сформированы из ЧНС-материала, имеющего критическую температуру, большую 150 K; и барьер, расположенный между двумя из ЧНС-сегментов с образованием перехода Джозефсона в ЧНС-петле.

[00336] ЧНС-КВИД, содержащий: ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет улучшенные рабочие характеристики по сравнению с рабочими характеристиками только ЧНС-материала.

[00337] ЧНС-КВИД, содержащий: ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал, имеющий критическую температуру, большую 150 K, и барьерный материал, при этом ЧНС-материал и барьерный материал образуют по меньшей мере один переход Джозефсона в ЧНС-петле, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя.

[00338] ЧНС-КВИД, содержащий: множество ЧНС-сегментов, размещенных с образованием ЧНС-петли, причем ЧНС-сегменты сформированы из модифицированного ЧНС-материала, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет улучшенные рабочие характеристики по сравнению с рабочими характеристиками только ЧНС-материала; и барьер, расположенный между двумя из ЧНС-сегментов с образованием перехода Джозефсона в ЧНС-петле.

[00339] Асимметричный ЧНС-КВИД, содержащий: ЧНС-петлю, содержащую ЧНС-материал и переход Джозефсона, при этом ЧНС-материал имеет улучшенные рабочие характеристики, в котором ЧНС-петля имеет первую ветвь и вторую ветвь, при этом первая ветвь переносит больший ток, чем вторая ветвь.

[00340] Цепь, содержащая: ЧНС-КВИД, содержащий ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона; и индуктор, соединенный с ЧНС-КВИДом, при этом переменный ток, протекающий через индуктор, наводит ток в ЧНС-петле ЧНС-КВИДа.

[00341] Цепь, содержащая: ЧНС-КВИД, содержащий ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона, причем ЧНС-КВИД имеет по меньшей мере одну линию питания для введения тока в ЧНС-петлю; источник для подачи тока в ЧНС-КВИД через линию питания; и входную катушку, которая воспринимает воспринимаемый ток и которая наводит индуцированный ток в ЧНС-КВИДе.

[00342] Магнитометр, содержащий: ЧНС-КВИД, содержащий ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона; индуктор; и воспринимающую петлю, соединенную с индуктором, при этом поле, протекающее через воспринимающую петлю, обеспечивает ток в индуктор, и при этом ток через индуктор наводит второй ток в ЧНС-петле ЧНС-КВИДа.

[00343] Градиентометр, содержащий: ЧНС-КВИД, содержащий ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона; и воспринимающую цепь, содержащую: индуктор, первую петлю, соединенную с индуктором, и вторую петлю, соединенную с первой петлей и индуктором, при этом первая петля имеет размер, практически идентичный размеру второй петли, при этом первая петля является параллельной и расположенной вдоль концентрической оси второй петли, и при этом первая петля навита вокруг концентрической оси в противоположном второй петле направлении, при этом первая петля и вторая петля обеспечивают ток в индуктор, причем этот ток соответствует разности между полем, протекающим через первую петлю, и полем, протекающим через вторую петлю, и при этом ток через индуктор наводит второй ток в ЧНС-петле ЧНС-КВИДа.

[00344] Градиентометр, содержащий: ЧНС-КВИД, содержащий ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона; и воспринимающую цепь, содержащую: индуктор, первую петлю, соединенную с индуктором, и вторую петлю, соединенную с первой петлей, третью петлю, соединенную со второй петлей, четвертую петлю, соединенную с третьей петлей и индуктором, при этом первая петля, вторая петля, третья петля и четвертая петля имеют практически идентичный размер, при этом первая петля, вторая петля, третья петля и четвертая петля являются практически параллельными друг другу, при этом первая петля, вторая петля, третья петля и четвертая петля имеют общую концентрическую ось, при этом первая петля навита вокруг концентрической оси в противоположном второй петле направлении, при этом третья петля навита вокруг концентрической оси в противоположном четвертой петле направлении, при этом первая петля, вторая петля, третья петля и четвертая петля обеспечивают ток в индуктор, причем этот ток соответствует разности между первой разностью и второй разностью, причем первая разность соответствует разности между полем, протекающим через первую петлю, и полем, протекающим через вторую петлю, и вторая разность соответствует разности между полем, протекающим через третью петлю, и полем, протекающим через четвертую петлю, и при этом ток через индуктор наводит второй ток в ЧНС-петле ЧНС-КВИДа.

[00345] Цепь, содержащая: множество ЧНС-КВИДов, соединенных последовательно друг с другом, причем каждый из множества ЧНС-КВИДов содержит ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона.

[00346] Цепь, содержащая: множество ЧНС-КВИДов, соединенных параллельно друг с другом, причем каждый из множества ЧНС-КВИДов содержит ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона.

[00347] Цепь, содержащая: множество последовательных массивов ЧНС-КВИДов, соединенных параллельно друг с другом, причем каждый из множества последовательных массивов ЧНС-КВИДов содержит множество ЧНС-КВИДов, соединенных последовательно друг с другом, причем каждый из множества ЧНС-КВИДов содержит ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона.

[00348] Цепь, содержащая: множество параллельных массивов ЧНС-КВИДов, соединенных последовательно друг с другом, причем каждый из множества параллельных массивов ЧНС-КВИДов содержит множество ЧНС-КВИДов, соединенных параллельно друг с другом, причем каждый из множества ЧНС-КВИДов содержит ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона.

[00349] Цепь, содержащая: матрицу ЧНС-КВИДов, состоящую из N строк и M столбцов ЧНС-КВИДов, причем каждый из множества ЧНС-КВИДов содержит ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона.

[00350] Цепь, содержащая: решетку ЧНС-КВИДов, расположенную в объеме, состоящую из L матриц, состоящих из N строк и M столбцов ЧНС-КВИДов, расположенных с интервалами в каждой матрице, причем каждый из множества ЧНС-КВИДов содержит ЧНС-петлю, содержащую модифицированный ЧНС-материал и переход Джозефсона, при этом модифицированный ЧНС-материал содержит первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанный с ЧНС-материалом первого слоя, при этом модифицированный ЧНС-материал имеет улучшенные рабочие характеристики по сравнению с рабочими характеристиками только ЧНС-материала.

Глава 4. Медицинские устройства, сформированные из ЧНС-материалов

[00351] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-A по 59-A; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00352] Вследствие своей чувствительности, ЧНС-КВИДы могут быть использованы для того, чтобы измерять реактивную проводимость материалов, неразрушающе оценивать дефекты в металлах, для проведения геофизических исследований, для микроскопических магнитных наблюдений и для биологических измерений. Улучшенные рабочие характеристики ЧНС-материалов, используемых ЧНС-КВИДами различных вариантов реализации изобретения, открывают широкое применение таких ЧНС-КВИДов в области медицинской и психической диагностики и других приложениях, где измеренный образец должен поддерживаться значительно выше криогенных температур.

[00353] Фигура 54-A иллюстрирует примерную МРТ-систему 5410 согласно различным вариантам реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения МРТ-система 5410 может управляться с пульта 5412 оператора, который может включать в себя, без ограничения, устройство 5413 ввода, панель 5414 управления и экран 5416 отображения. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство 5413 ввода может включать в себя, без ограничения, мышь, джойстик, клавиатуру, шаровой манипулятор, сенсорный экран, световую указку, средство речевого управления либо любое аналогичное или эквивалентное устройство ввода и может использоваться для интерактивных геометрических инструкций.

[00354] В некоторых вариантах реализации изобретения пульт 5412 оператора обменивается данными через линию 5418 связи с отдельной компьютерной системой 5420, которая дает возможность оператору управлять получением и отображением изображений на экране 5416 отображения. В некоторых вариантах реализации изобретения компьютерная система 5420 включает в себя ряд модулей, которые обмениваются данными друг с другом через монтажную плату 5420A. Эти модули могут включать в себя, без ограничения, модуль 5422 процессора изображений, CPU-модуль 5424 и запоминающий модуль 5426, известный в данной области техники в качестве буфера кадров для сохранения массивов данных изображений. В некоторых вариантах реализации изобретения компьютерная система 5420 связана с устройством 5428 хранения данных на дисках и накопителем 5430 на ленте для хранения данных изображений и программ.

[00355] В некоторых вариантах реализации изобретения компьютерная система 5420 обменивается данными с отдельным системным контроллером 5432 через высокоскоростную линию 5434 последовательной передачи данных. В некоторых вариантах реализации изобретения системный контроллер 5432 включает в себя набор модулей, соединенных вместе посредством монтажной платы 5432a. Эти модули могут включать в себя, без ограничения, CPU-модуль 5436A и модуль 5438A импульсного генератора, который соединяется с пультом 5412 оператора через линию 5440 последовательной передачи данных, через которую системный контроллер 5432 может принимать команды от оператора, чтобы указывать последовательность сканирования, которая должна быть выполнена. В некоторых вариантах реализации изобретения модуль 5438 импульсного генератора управляет системными компонентами, чтобы выполнять требуемую последовательность сканирования, и получает данные, которые указывают синхронизацию, интенсивность и форму полученных РЧ-импульсов, а также синхронизацию и длину окна сбора данных. Модуль 5438 импульсного генератора соединяется с набором градиентных усилителей 5442, чтобы указывать синхронизацию и форму градиентных импульсов, которые получаются во время сканирования. В некоторых вариантах реализации изобретения модуль 5438 импульсного генератора также может принимать данные о пациенте из контроллера 5444 сбора физиологических данных, который принимает сигналы от ряда различных датчиков, подключенных к пациенту, к примеру, ECG-сигналы от присоединенных к пациенту электродов. В некоторых вариантах реализации изобретения модуль 5438 импульсного генератора соединяется с схемой 5446 интерфейса помещения для сканирования, которая принимает сигналы от различных датчиков, связанные с состоянием пациента и системы магнитов. В некоторых вариантах реализации изобретения через схему 5446 интерфейса помещения для сканирования система 5448 позиционирования пациента может принимать команды, чтобы перемещать пациента в требуемое для сканирования положение. В некоторых вариантах реализации изобретения система 5448 позиционирования пациентов может управлять положением пациента таким образом, что пациент непрерывно или инкрементно поступательно перемещается во время сбора данных.

[00356] В некоторых вариантах реализации изобретения градиентные сигналы, созданные модулем 5438 импульсного генератора, подаются на градиентные усилители 5442, имеющие усилители G_x, G_y и G_z. Каждый градиентный усилитель 5442 возбуждает соответствующую физическую градиентную катушку в узле градиентных катушек, в общем обозначенном 5450, чтобы создать градиенты магнитного поля, используемые для пространственного кодирования полученных сигналов. В некоторых вариантах реализации изобретения узел 5450 градиентных катушек может являться частью узла 5452 магнитов, который включает в себя поляризационный магнит 5454 и РЧ-катушку 5456 для всего тела. В некоторых вариантах реализации изобретения модуль 5458 приемопередатчика в системном контроллере 5432 формирует импульсы, которые усиливаются РЧ-усилителем 5460, который соединен с РЧ-катушкой 5456 для всего тела посредством переключателя 5462 приема-передачи. Результирующие сигналы, испускаемые возбужденными ядрами в пациенте, могут восприниматься той же РЧ-катушкой 5456 для всего тела и передаваться через переключатель 5462 приема-передачи на предусилитель 5464. Усиленные МР-сигналы демодулируются, фильтруются и оцифровываются в секции приемника модуля 5458 приемопередатчика. Переключатель 5462 приема-передачи управляется по сигналу из модуля 5438 импульсного генератора, чтобы электрически соединять РЧ-усилитель 5460 с РЧ-катушкой 5456 для всего тела в ходе режима передачи и соединять предусилитель 5464 с РЧ-катушкой 5456 для всего тела в ходе режима приема. В некоторых вариантах реализации изобретения переключатель 5462 приема-передачи также может позволять использовать отдельную РЧ-катушку (например, поверхностную катушку) в режиме передачи или приема.

[00357] МР-сигналы, снимаемые РЧ-катушкой 5456 для всего тела, оцифровываются модулем 5458 приемопередатчика и передаются в запоминающий модуль 5466 в системном контроллере 5432. Сканирование завершается, когда получен массив необработанных данных k-пространства в запоминающем модуле 5466. Эти необработанные данные k-пространства перекомпонуются в отдельные массивы данных k-пространства для каждого подлежащего реконструированию изображения, и каждый из них вводится в процессор 5468 обработки массивов данных (ʺпроцессор массивовʺ), который выполняет преобразование Фурье этих данных в массив данных изображений. Эти данные изображений передаются через линию 5434 последовательной передачи данных в компьютерную систему 5420, где они сохраняются в запоминающем устройстве, к примеру, в устройстве 5428A хранения данных на дисках. В ответ на команды, принятые от пульта 5412 оператора, эти данные изображений могут быть заархивированы в долговременном хранилище, таком как накопитель 5430 на ленте, или они могут далее обрабатываться процессором 5422 изображений, передаваться на пульт 5412 оператора и представляться через дисплей 5416.

[00358] Различные варианты реализации изобретения включают в себя способы и системы, подходящие для использования с МРТ-системой 5410 или любой аналогичной или эквивалентной системой для получения магнитно-резонансных изображений.

[00359] Фигура 55A-A иллюстрируют примерные МРТ-магниты 5500A и 5500B, использующие различные ЧНС-материалы, включая модифицированные ЧНС-материалы, щелевые ЧНС-материалы и/или новые ЧНС-материалы, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Магниты 5500A и 5500B генерируют магнитное поле B₀. Во время процедуры МРТ магнитное поле B₀ выстраивает определенные атомы объекта (например, человеческого тела и т.д.), которые распределены во внутренних тканях тела объекта. В некоторых вариантах реализации объект может быть помещен вдоль пути, практически параллельного магнитному полю B₀, так что объект помещается сквозь магниты 5500 (к примеру, в применениях МРТ с ʺзакрытымʺ туннелем). В некоторых вариантах реализации объект может быть помещен вдоль пути, практически перпендикулярного магнитному полю B₀, так что объект помещается между магнитами 5500 (к примеру, в применениях МРТ с ʺоткрытымʺ туннелем).

[00360] Хотя на фигурах 55A-A, 55B-A и 55C-A проиллюстрирована пара МРТ-магнитов 5500, может быть использовано любое число магнитов, как будет понятно. Кроме того, хотя МРТ-магнит 5500 проиллюстрирован на фигуре 5500 как тороидальный, могут быть использованы другие конфигурации, как будет понятно.

[00361] Фигура 55B-A иллюстрирует поперечное сечение МРТ-магнитов 5500A и 5500B и магнитного поля B₀, которое они генерируют, согласно различным вариантам реализации изобретения.

[00362] Фигура 55C-A иллюстрирует поперечное сечение части магнита 5500A согласно различным вариантам реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения магнит 5500A может включать в себя, без ограничения, корпус 5520, ЧНС-материал 5510 и переключатель 5530, соединенный с источником питания (не проиллюстрирован на фигуре 55C-A).

[00363] В некоторых вариантах реализации изобретения обмотки ЧНС-материала 5510 выполнены вокруг корпуса 5520. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 5520 может включать в себя резонатор, который включает в себя обмотки ЧНС-материала 5510. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 5520 может вмещать или иным образом включать в себя обмотки ЧНС-материала 5510.

[00364] В некоторых вариантах реализации изобретения переключатель 5530 может быть соединен с источником питания, который подает ток в ЧНС-материал 5510, тем самым генерируя магнитное поле B₀. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5510 может быть выполнен в виде ленты или провода (проволоки). В некоторых вариантах реализации ЧНС-материал может быть выполнен в виде множества нанопроводных сегментов, таких как нанопроводной сегмент 4110. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5510 может быть выполнен в виде нанопроводных катушек, таких как, но не ограничиваясь ими, нанопроводные катушки 4200, 4300 и/или 4400. В различных вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5510 может содержать модифицированные ЧНС-материалы 1060, щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[00365] В некоторых вариантах реализации изобретения магнит 5500 работает с улучшенными рабочими характеристиками, к примеру, работает при температурах выше криогенных температур. В некоторых вариантах реализации изобретения магнит 5500 работает с улучшенными рабочими характеристиками, к примеру, работает при температурах выше 150 K. В некоторых вариантах реализации, магнит 5500 может генерировать магнитное поле B₀ с плотностями магнитного потока выше по меньшей мере 1,0 Тл, 1,5 Тл, 3,0 Тл, 4,5 Тл или 6,0 Тл без криогенных охладителей.

[00366] Фигура 56-A иллюстрирует вид в поперечном сечении узла 5000 МРТ-магнитов согласно различным вариантам реализации изобретения. Хотя узел 5000 МРТ-магнитов проиллюстрирован на фигуре 50-A в виде узла магнитов с тороидальным туннелем, могут быть использованы другие конфигурации, такие как спиральная, овальная или другая форма, как будет понятно. Например, могут быть использованы открытые или портативные конфигурации МРТ с использованием магнита с ЧНС-материалами.

[00367] Согласно различным вариантам реализации изобретения узел 5600 МРТ-магнитов может включать в себя, без ограничения, ЧНС-материал 5610, корпус 5620, изолирующий слой 5630, резонатор 5640, охлаждающую головку 5650 и туннель 5660A. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5610A может содержать модифицированный ЧНС-материал 1060, щелевой ЧНС-материал и/или новый ЧНС-материал в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5610 может быть выполнен в виде ленты или провода. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5610 может быть выполнен в виде нанопровода, такого как множество нанопроводных сегментов 4110. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5610 может быть выполнен в виде нанопроводных катушек, таких как нанопроводные катушки 4200, 4300 и/или 4400.

[00368] В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5610 расположен в резонаторе 5640 корпуса 5620. В некоторых вариантах реализации изобретения резонатор 5640 заполнен охладителем, так что магнит 5610 погружен в охладитель. В некоторых вариантах реализации изобретения охладитель может включать в себя криогенный охладитель или некриогенный охладитель. В этих вариантах реализации охлаждающая головка 5650 включает в себя конструкцию для поддержания охладителя, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения резонатор 5640 может быть заполнен охладителем, таким как газ (например, окружающий воздух или другие газы) или жидкость (например, вода, углекислый газ, аммиак, фреон™, водно-гликолевая смесь, водно-бетаиновая смесь или другие жидкости) или другие охладители.

[00369] В некоторых вариантах реализации изобретения (не проиллюстрированы на фигуре 56-A), магнит 5610 может быть расположен в или на твердом материале.

[00370] Согласно различным вариантам реализации изобретения ЧНС-материал 5610 работает с улучшенными рабочими характеристиками, к примеру, работает при температурах выше криогенных температур. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-материал 5610 работает с улучшенными рабочими характеристиками, к примеру, работает при температурах выше 150 K. Таким образом, без криогенного охладителя, узел 5100 МРТ-магнитов может создавать магнитное поле B₀, практически сравнимое или лучшее, чем у традиционных сверхпроводящих магнитов, которые работают с использованием криогенных охладителей (например, жидкого гелия, жидкого азота или других криогенных охладителей). В некоторых вариантах реализации изобретения узел 5100 МРТ-магнитов генерирует магнитное поле B₀, практически сравнимое с традиционными сверхпроводящими магнитами, которые работают с использованием криогенных охладителей, таких как жидкий гелий или жидкий азот.

[00371] Фигура 57-A является блок-схемой, иллюстрирующей примерную МРТ-цепь 5700, согласно различным вариантам реализации изобретения. Согласно различным вариантам реализации изобретения МРТ-цепь 5700 может включать в себя, без ограничения, преобразователь 4500, фильтр 5702, аналого-цифровой преобразователь 5704 (АЦП), цифровой повышающий преобразователь (ЦПвП) 5706, фильтр 5708, процессор/детектор 5710, фильтр 5712, цифровой понижающий преобразователь (ЦПнП) 5714, цифровой частотный корректор 5716, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 5718 и усилитель 5720 высокой мощности (УВМ).

[00372] В некоторых вариантах реализации изобретения фильтры 5702 и 5708, АЦП 5704 и цифровой повышающий преобразователь 5706 могут быть выполнены в виде цепи приемника, как будет понятно. Аналогично, в некоторых вариантах реализации изобретения фильтр 5712, цифровой понижающий преобразователь 5714, цифровой частотный корректор 5716, ЦАП 5718 и УВМ 5720 могут быть выполнены в виде цепи передатчика, как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения вышеприведенные цепь приемника и цепь передатчика могут быть выполнены в виде цепи приемопередатчика, как будет понятно.

[00373] В некоторых вариантах реализации изобретения один или более компонентов, или же один или более элементов (например, в виде межсоединений и т.д.) этих одного или более компонентов, цепи приемника, цепи передатчика или цепи приемопередатчика могут содержать (т.е. быть построены из них) улучшенный ЧНС-материал, такой как модифицированный ЧНС-материал 1060, щелевой ЧНС-материал и/или новый ЧНС-материал в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения улучшенный ЧНС-материал может быть выполнен в виде ЧНС-нанопровода и может включать в себя множество нанопроводных сегментов 4110. В некоторых вариантах реализации изобретения АЦП 5704 может включать в себя малошумящий внешний интерфейс цифрователя с высокой чувствительностью, к примеру, ЧНС-КВИД-детектор, который использует один или более ЧНС-КВИДов (например, ЧНС-КВИД 4700, ЧНС-КВИД 4800, ЧНС-КВИД 4900). В некоторых вариантах реализации использование ЧНС-КВИД-детектора в МРТ увеличивает разрешение РЧ-обнаружения. В некоторых вариантах реализации использование высокодобротных ЧНС-фильтров уменьшает вносимые потери и полосу пропускания и повышает отношение сигнал/шум (ОСШ). В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД-детектор является достаточно чувствительным, чтобы исключить необходимость в малошумящем усилителе.

[00374] В некоторых вариантах реализации изобретения процессор 5710 может быть выполнен с возможностью принимать напряжение, наведенное преобразователем 4500. Процессор 5710 может быть выполнен с возможностью обрабатывать информацию на основе различных компонентов (которые могут быть сформированы из улучшенного ЧНС-материала) цепи приемника и/или цепи передатчика, работающих в ЧНС-состоянии. Это позволяет повышать скорость обработки сигналов, тем самым уменьшая времена сканирования. В некоторых вариантах реализации изобретения процессор 5710 может быть выполнен с возможностью управлять напряжением, выдаваемым на преобразователь 4500, чтобы формировать РЧ-импульс.

[00375] Фигура 58-A иллюстрирует вид в поперечном сечении МРТ-аппарата 5800 согласно различным вариантам реализации изобретения. Согласно различным вариантам реализации изобретения МРТ-аппарат 5800 может включать в себя, без ограничения, корпус 5802, магнит 5810, градиентную катушку 5820, РЧ-катушку 5830, магнитный туннель 5860, электронные схемы 5870, контроллер 5875 РЧ-катушки, контроллер 5880 градиентной катушки и вычислительное устройство 5890. В некоторых вариантах реализации изобретения электронные схемы 5870 могут включать в себя один или более компонентов и/или один или более элементов схемы 5700, проиллюстрированной на фигуре 57-A. В некоторых вариантах реализации изобретения вычислительное устройство 5890 может быть соединено с контроллером 5875 РЧ-катушки, контроллером 5880A градиентной катушки и электронными схемами 5870. Вычислительное устройство 5890 может управлять через контроллер 5875 РЧ-катушки и контроллер 5880 градиентной катушки электромагнитными полями, испускаемыми градиентной катушкой 5820 и/или РЧ-катушкой 5830. В некоторых вариантах реализации изобретения вычислительное устройство 5890 управляет электронными схемами 5870.

[00376] В некоторых вариантах реализации изобретения различные компоненты МРТ-аппарата 5800 могут использовать улучшенные ЧНС-материалы, описанные здесь. Например, магнит 5810, градиентная катушка 5820, РЧ-катушка 5830 и/или электронные схемы 5870 могут использовать улучшенные ЧНС-материалы, раскрытые здесь.

[00377] Имея в своем составе различные компоненты, которые используют такие улучшенные ЧНС-материалы, раскрытые здесь, МРТ-аппарат 5800 может достигать лучших эксплуатационных характеристик, чем традиционные МРТ-сканеры, в которых не используются такие улучшенные ЧНС-материалы. Например, МРТ-аппарат 5800 может достигать улучшенного ОСШ, более высокого разрешения, упрощенного и надежного охлаждения, уменьшенного размера, большего проема (магнитного туннеля 5860) для объекта и более высокой энергоэффективности.

[00378] В некоторых вариантах реализации изобретения магнит 5810 может содержать улучшенный ЧНС-материал, такой как модифицированный ЧНС-материал 1060, щелевой ЧНС-материал и/или новый ЧНС-материал в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения магнит 5810 может включать в себя магнит 5500A, проиллюстрированный на фигуре 55C-A.

[00379] За счет использования различных улучшенных ЧНС-материалов, раскрытых здесь, магнит 5810 демонстрирует улучшенные рабочие характеристики по сравнению с традиционными МРТ-магнитами. Как отмечено выше, такие улучшенные рабочие характеристики включают в себя более высокие температуры эксплуатации при обеспечении напряженностей магнитного поля от 0,5 Тл до 3,0 Тл и больше. Работая при более высоких температурах, магнит 5810 требует более компактных или вообще не требует систем охлаждения, за счет этого способствуя, помимо других преимуществ, более компактной конструкции МРТ-аппарата 5800 и меньшим эксплуатационным затратам. Например, меньшее пространство, отводимое на системы охлаждения, обеспечивает большие проемы туннеля, через которые может быть помещен объект. Таким образом, могут сканироваться более открытые системы, и, следовательно, более крупные пациенты или пациенты на каталках. Например, каталка или другая конструкция, на которой лежит объект, может вкатываться или иным образом размещаться внутри МРТ-аппарата 5800 для сканирования объекта, или же МРТ-аппарат 5800 может сам вкатываться или размещаться вокруг каталки. Вследствие большего проема, которому способствовало использование магнита 5810, МРТ-аппарат 5800 не ограничен стационарным столом традиционных МРТ-сканеров.

[00380] В некоторых вариантах реализации изобретения градиентная катушка 5820 может содержать улучшенный ЧНС-материал, такой как модифицированный ЧНС-материал 1060, щелевой ЧНС-материал и/или новый ЧНС-материал в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Используя различные улучшенные ЧНС-материалы, раскрытые здесь, градиентная катушка 5820 демонстрирует улучшенные рабочие характеристики по сравнению с традиционными градиентными катушками. В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-катушка 5830 может содержать улучшенный ЧНС-материал, такой как модифицированный ЧНС-материал 1060, щелевой ЧНС-материал и/или новый ЧНС-материал в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Используя различные улучшенные ЧНС-материалы, раскрытые здесь, РЧ-катушка 5830 демонстрирует улучшенные рабочие характеристики по сравнению с традиционными РЧ-катушками. Например, используя улучшенные ЧНС-материалы, градиентная катушка 5820 и/или РЧ-катушка 5830 могут уменьшать или исключать потери на сопротивление и увеличивать избирательность и разрешение по сравнению с традиционными катушками.

[00381] В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-катушка 5830 может включать в себя различные преобразователи, раскрытые здесь, такие как преобразователь 4500.

[00382] В некоторых вариантах реализации изобретения электронные схемы 5870 могут включать в себя ЧНС-КВИД-детектор, который использует один или более ЧНС-КВИДов (например, ЧНС-КВИД 4700, ЧНС-КВИД 4800, ЧНС-КВИД 4900). В некоторых вариантах реализации использование ЧНС-КВИД-детектора в МРТ увеличивает разрешение и чувствительность РЧ-обнаружения. В некоторых вариантах реализации использование высокодобротных ЧНС-фильтров уменьшает вносимые потери и полосу пропускания и повышает ОСШ.

[00383] В некоторых вариантах реализации усовершенствованные возможности пропускания и обнаружения, являющиеся результатом использования улучшенных ЧНС-материалов (к примеру, описанных выше), способствуют использованию МРТ со слабым полем (например, меньше 0,5 Тл) при достижении более высокого разрешения, чем традиционная МРТ со слабым полем. В этих вариантах реализации МРТ со слабым полем обеспечивает портативность, большее, менее ограничивающее поле измерения, уменьшение химического сдвига и существенно более низкую стоимость системы. Химический сдвиг означает изменения резонансной частоты, возникающие в результате внутреннего магнитного экранирования анатомических структур. Молекулярная структура и характеристики электронных орбиталей создают поля, которые экранируют основное магнитное поле и приводят к разным пикам в магнитно-резонансном спектре. В случае протонных спектров пики соответствуют воде и жиру, а в случае формирования изображений груди - силиконовому материалу. Возникают более низкие частоты в примерно 3,5 миллионных доли (ʺppmʺ) для протонов в жире и 5,0 ppm для протонов в силиконе по сравнению с резонансной частотой протонов в воде. Поскольку резонансная частота увеличивается линейно с напряженностью поля, абсолютная разность между резонансом жира и воды также увеличивается, что делает магниты с высокой напряженностью поля более подверженными артефакту химического сдвига. Таким образом, использование слабопольной МРТ при сохранении высокого разрешения позволяет уменьшать или исключать эффекты химического сдвига.

[00384] В некоторых вариантах реализации изобретения слабопольное МРТ ослабляет потребность в тесно связанной компоновке градиентной катушки 5820 и/или РЧ-катушки 5830, тем самым ʺраздвигаяʺ камеру, в которой сканируется объект. В этих вариантах реализации МРТ-аппарат 5800 может быть более портативным, к примеру, вкатываемым/размещаемым так, что он вмещает каталку или другую конструкцию, переносящую объект. Как будет понятно, каталка или другая конструкция может быть изготовлена из инертного к МРТ материала.

[00385] Фигура 59-A иллюстрирует систему 5900 портативного МРТ-аппарата согласно различным вариантам реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения система 5900 портативного МРТ-аппарата может включать в себя, без ограничения, портативный МРТ-аппарат 5910, датчик 5920, ЧНС-КВИД-детектор 5930, магнит 5950, градиентную катушку 5960, РЧ-катушку 5970 и вычислительное устройство 5940. В некоторых вариантах реализации изобретения ЧНС-КВИД-детектор 5930 (например, ЧНС-КВИД 4700, 4800, 4900 и т.д.) использует улучшенные ЧНС-материалы, тем самым обладая улучшенными рабочими характеристиками, как описано выше. В некоторых вариантах реализации вычислительное устройство 5940 управляет магнитным полем от магнита 5950. В некоторых вариантах реализации вычислительное устройство 5940 управляет градиентным полем от градиентной катушки 5960. В некоторых вариантах реализации вычислительное устройство 5940 управляет импульсами возбуждения от РЧ-катушки 5970.

[00386] В некоторых вариантах реализации изобретения вычислительное устройство 5940 может быть соединено с магнитом 5950 и ЧНС-КВИД-детектором 5930. В некоторых вариантах реализации изобретения вычислительное устройство 5940 вынуждает магнит 5950 генерировать магнитное поле для слабопольного МРТ-сканирования. В некоторых вариантах реализации изобретения магнит 5950 может включать в себя магнит низкой напряженности, который создает поле низкой напряженности менее приблизительно 0,5 тесла, чем способствует чувствительность ЧНС-КВИД-детектора 5930. В некоторых вариантах реализации изобретения градиентная катушка 5960 может создавать градиентное поле, которое позволяет определять местоположение определенных атомов объекта. В некоторых вариантах реализации изобретения РЧ-катушка 5970 может генерировать импульс возбуждения, который вызывает резонансный сигнал от атомов объекта.

[00387] Согласно различным вариантам реализации изобретения датчик 5920 может включать в себя, без ограничения, магнитометр, градиентометр, трансформатор потока или другой чувствительный компонент, который воспринимает резонансный сигнал, вызываемый магнитным полем низкой напряженности, созданным магнитом 5950. ЧНС-КВИД-детектор 5930 может принимать и обрабатывать воспринимаемый сигнал, как будет понятно.

[00388] В отличие от традиционных устройств, которые используют СКВИД-детекторы, портативный МРТ-аппарат 5910 не требует использования криогенного охладителя/охладителя для охлаждения ЧНС-КВИД-детектора 5930. Соответственно, помимо других преимуществ, таких как более высокое качество изображений, меньшая стоимость и более простое техническое обслуживание, портативный МРТ-аппарат 5910 может быть легко подвижным без необходимости в криогенном охладителе.

[00389] Как проиллюстрировано на фигуре 59-A, например, портативный МРТ-аппарат 5910 может быть размещен рядом с конструкцией 5902, такой как, без ограничения, каталка, диагностический стол или стена/пол/потолок. В некоторых вариантах реализации изобретения портативный МРТ-аппарат 5910 жестко связан с конструкцией 5902. В других вариантах реализации портативный МРТ-аппарат 5910 может перемещаться вокруг конструкции 5902. Например, конструкция 5902 может быть съемно помещена внутри МРТ-аппарата 5910, и/или МРТ-аппарат 5910 может быть съемно помещен вокруг конструкции 5902. В этих вариантах реализации магнит 5950 сам может быть портативным, может быть жестко связан с корпусом портативного МРТ-аппарата 5910 (не проиллюстрировано на фигуре 59-A) или может быть жестко связан с конструкцией 5902 или другой конструкцией.

[00390] В некоторых вариантах реализации изобретения конструкция 5902 может иметь противоположные поверхности 5901 и 5903. Поверхность 5901 и/или поверхность 5903 может иметь практически плоскую, искривленную или другую форму, исходя из места или других технических требований. В некоторых вариантах реализации изобретения объект, такой как пациент, может сканироваться при нахождении на или около поверхности 5901. Например, пациент может стоять рядом, лежать на или под поверхностью 5901 либо помещать часть тела, к примеру, руку, голову или другую конечность, на или под поверхностью 5901. В некоторых вариантах реализации изобретения портативный МРТ-аппарат 5910 может быть помещен рядом с поверхностью 5903 (т.е. на стороне конструкции 5902, противоположной сканируемому объекту). Таким образом, можно добиться открытой процедуры МРТ, при которой объект стоит рядом, лежит на или лежит под конструкцией 5902 без сканирующего прибора или компонентов портативного МРТ-аппарата 5910 рядом с противоположной портативному МРТ-аппарату 5910 стороной объекта. В этих вариантах реализации медицинским процедурам, таким как хирургическая операция или исследования, могут помогать изображения, полученные портативным МРТ-аппаратом 5910.

[00391] Согласно различным вариантам реализации изобретения магнит 5950, градиентная катушка 5960 и/или РЧ-катушка 5970 используют улучшенные ЧНС-материалы, тем самым обладая улучшенными рабочими характеристиками, как описано здесь. В этих вариантах реализации использование улучшенных ЧНС-материалов способствует различным компоновкам магнита 5950, градиентной катушки 5960 и/или РЧ-катушки 5970. Например, сильная связь между традиционными магнитами, градиентными катушками и РЧ-катушками, требуемая для традиционных МРТ-сканеров, ослабляется при использовании магнита 5950, градиентной катушки 5960 и/или РЧ-катушки 5970. Эти ослабленные компоновки могут приводить к большему проему туннеля, чем у традиционных сканеров, которые используют традиционные магниты, градиентные катушки и РЧ-катушки и которые не используют улучшенные ЧНС-материалы, раскрытые здесь. Больший проем туннеля способствует портативности портативного МРТ-аппарата 5910 (к примеру, являющегося передвижным вокруг конструкции 5902 или наоборот), а также размещению более крупных объектов.

[00392] В некоторых вариантах реализации изобретения портативный МРТ-аппарат 5910 может включать в себя активное и/или пассивное электромагнитное экранирование (не проиллюстрировано), как будет понятно. В некоторых вариантах реализации изобретения портативный МРТ-аппарат 5910 может быть использован в ʺчистомʺ или иным образом экранированном помещении. В некоторых вариантах реализации изобретения (не проиллюстрированы) конструкция 5902 может включать в себя один или более экранирующих элементов.

[00393] Хотя он проиллюстрирован размещенным на противоположной объекту стороне конструкции 5902, портативный МРТ-аппарат 5910 может быть помещен в различных местоположениях относительно объекта вследствие портативности портативного МРТ-аппарата 5910. Кроме того, любое сочетание датчика 5920, ЧНС-КВИД-детектора 5930, вычислительного устройства 5940, магнита 5950, градиентной катушки 5960 и РЧ-катушки 5970 может быть заключено в одном корпусе (как проиллюстрировано, например, на фигуре 54-A) или в нескольких корпусах. Например, магнит 5950 также может быть портативным, входить в состав портативного МРТ-аппарата 5910 или может быть соединен с конструкцией 5902.

[00394] Как будет понятно, вычислительное устройство 5940 может включать в себя запоминающее устройство, которое сохраняет инструкции, которые конфигурируют один или более процессоров (не проиллюстрированы на фигуре 59-A), которые управляют магнитом 5950, и формирует МРТ-изображение на основе обработки ЧНС-КВИД-детектором 5930.

[00395] В некоторых вариантах реализации медицинское устройство, которое включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описано следующим образом:

[00396] Магнит для магнитно-резонансной томографии (МРТ-магнит), содержащий: ЧНС-материал, причем ЧНС-материал имеет улучшенную рабочую характеристику; при этом ЧНС-материал распространяет ток, который создает магнитное поле во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00397] Узел магнита для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: корпус; и МРТ-магнит, соединенный с корпусом, причем МРТ-магнит содержит: ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом ЧНС-материал генерирует магнитное поле во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00398] Магнит для магнитно-резонансной томографии (МРТ-магнит), содержащий: провод, содержащий ЧНС-материал, причем ЧНС-материал имеет улучшенную рабочую характеристику; при этом провод распространяет ток, который создает магнитное поле во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00399] Узел магнита для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: корпус; и МРТ-магнит, соединенный с корпусом, причем МРТ-магнит содержит ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом ЧНС-материал генерирует магнитное поле во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00400] Магнит для магнитно-резонансной томографии (МРТ-магнит), содержащий: ЧНС-нанопровод, причем ЧНС-нанопровод выполнен с возможностью проводить электрический ток для создания магнитного поля во время процедуры МРТ, при этом ЧНС-нанопровод содержит: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что ЧНС-нанопровод не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00401] Узел магнита для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: корпус; и МРТ-магнит, соединенный с корпусом, причем МРТ-магнит содержит: ЧНС-нанопровод, причем ЧНС-нанопровод выполнен с возможностью проводить электрический ток для создания магнитного поля во время процедуры МРТ, при этом ЧНС-нанопровод содержит: ЧНС-материал, имеющий три размерных параметра, включая длину, ширину и глубину, при этом по меньшей мере один из размерных параметров меньше порогового значения, так что ЧНС-нанопровод не демонстрирует по меньшей мере одно явление сверхпроводимости при работе с чрезвычайно низким сопротивлением.

[00402] Магнит для магнитно-резонансной томографии (МРТ-магнит), содержащий: нанопровод, содержащий ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом нанопровод распространяет ток, который создает магнитное поле во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00403] Узел магнита для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: корпус; и МРТ-магнит, соединенный с корпусом, причем МРТ-магнит содержит: нанопровод, содержащий ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом нанопровод генерирует магнитное поле во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00404] Магнит для магнитно-резонансной томографии (МРТ-магнит), содержащий: нанопроводной ЧНС-контур, причем нанопроводной ЧНС-контур выполнен с возможностью проводить электрический ток для создания магнитного поля во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, при этом нанопроводной ЧНС-контур содержит: по меньшей мере один нанопроводной ЧНС-сегмент, причем каждый нанопроводной ЧНС-сегмент содержит ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику.

[00405] Узел магнита для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: корпус; и МРТ-магнит, соединенный с корпусом, причем МРТ-магнит содержит: нанопроводной ЧНС-контур, причем нанопроводной ЧНС-контур выполнен с возможностью проводить электрический ток для создания магнитного поля во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, при этом нанопроводной ЧНС-контур содержит: по меньшей мере один нанопроводной ЧНС-сегмент, причем каждый нанопроводной ЧНС-сегмент содержит ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику.

[00406] Магнит для магнитно-резонансной томографии (МРТ-магнит), содержащий: нанопроводную ЧНС-катушку, причем нанопроводная ЧНС-катушка выполнена с возможностью проводить электрический ток для создания магнитного поля во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, при этом нанопроводная ЧНС-катушка содержит: по меньшей мере один нанопроводной ЧНС-контур, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного нанопроводного ЧНС-контура содержит множество нанопроводных ЧНС-сегментов, причем каждый из множества нанопроводных ЧНС-сегментов соединен с по меньшей мере одним другим из множества нанопроводных ЧНС-сегментов, практически образуя многоугольник, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного нанопроводного ЧНС-сегмента содержит ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику.

[00407] Узел магнита для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: корпус; и МРТ-магнит, соединенный с корпусом, причем МРТ-магнит содержит: нанопроводную ЧНС-катушку, причем нанопроводная ЧНС-катушка выполнена с возможностью проводить электрический ток для создания магнитного поля во время процедуры МРТ, при этом магнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, при этом нанопроводная ЧНС-катушка содержит: по меньшей мере один нанопроводной ЧНС-контур, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного нанопроводного ЧНС-контура содержит множество нанопроводных ЧНС-сегментов, причем каждый из множества нанопроводных ЧНС-сегментов соединен с по меньшей мере одним другим из множества нанопроводных ЧНС-сегментов, практически образуя многоугольник, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного нанопроводного ЧНС-сегмента содержит ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику.

[00408] Нанопроводной преобразователь для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: по меньшей мере один нанопроводной сегмент, состоящий из улучшенного ЧНС-материала, при этом нанопроводной МРТ-преобразователь либо: наводит магнитное поле, когда к упомянутому по меньшей мере одному нанопроводному сегменту подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, либо воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами в теле объекта по мере того, как определенные выстроенные атомы становятся невыстроенными во время процедуры МРТ.

[00409] Нанопроводной преобразователь для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: по меньшей мере один нанопроводной сегмент, состоящий из улучшенного ЧНС-материала, при этом при воздействии резонансного сигнала во время процедуры МРТ нанопроводной МРТ-преобразователь воспринимает резонансный сигнал посредством упомянутого по меньшей мере одного нанопроводного сегмента и преобразует воспринимаемый резонансный сигнал в переменный ток, который может измеряться и использоваться для визуализации.

[00410] Нанопроводной преобразователь для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: по меньшей мере один нанопроводной сегмент, состоящий из улучшенного ЧНС-материала, при этом нанопроводной МРТ-преобразователь электрически соединен с источником переменного тока, при этом нанопроводной МРТ-преобразователь наводит электромагнитное поле во время процедуры МРТ в ответ на источник переменного тока, наведенное электромагнитное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта выстраиваться и затем испускать резонансный сигнал по мере того, как определенные атомы становятся невыстроенными, при этом резонансный сигнал может быть обнаружен и использован для визуализации.

[00411] Нанопроводной преобразователь для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом нанопроводной МРТ-преобразователь либо: наводит магнитное поле, когда к нанопроводному МРТ-преобразователю подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, либо воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами в теле объекта по мере того, как определенные выстроенные атомы становятся невыстроенными во время процедуры МРТ.

[00412] Нанопроводной преобразователь для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом при воздействии резонансного сигнала во время процедуры МРТ нанопроводной МРТ-преобразователь воспринимает резонансный сигнал и преобразует воспринимаемый резонансный сигнал в переменный ток, который может измеряться и использоваться для визуализации.

[00413] Нанопроводной преобразователь для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: ЧНС-материал, имеющий улучшенную рабочую характеристику, при этом нанопроводной МРТ-преобразователь электрически соединен с источником переменного тока, при этом нанопроводной МРТ-преобразователь наводит электромагнитное поле во время процедуры МРТ в ответ на источник переменного тока, наведенное электромагнитное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта выстраиваться и затем испускать резонансный сигнал по мере того, как определенные атомы становятся невыстроенными, при этом резонансный сигнал может быть обнаружен и использован для визуализации.

[00414] Цепь передатчика для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который генерирует аналоговый сигнал на основе цифрового вывода МРТ-системы; и преобразователь, электрически соединенный с ЦАП, причем преобразователь содержит: улучшенный ЧНС-материал, при этом преобразователь наводит магнитное поле, когда аналоговый сигнал подается на улучшенный ЧНС-материал, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта.

[00415] Цепь приемника для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: преобразователь, содержащий: улучшенный ЧНС-материал, при этом преобразователь воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами в теле объекта по мере того, как определенные выстроенные атомы становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), электрически соединенный с преобразователем, при этом АЦП оцифровывает резонансный сигнал, при этом оцифрованный резонансный сигнал используется для того, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00416] Цепь приемопередатчика для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: преобразователь, содержащий: улучшенный ЧНС-материал, при этом во время процедуры МРТ преобразователь: воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами в теле объекта по мере того, как определенные выстроенные атомы становятся невыстроенными во время процедуры МРТ, или наводит магнитное поле, когда на улучшенный ЧНС-материал подается аналоговый сигнал, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта; и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), электрически соединенный с преобразователем, при этом АЦП оцифровывает резонансный сигнал, при этом оцифрованный резонансный сигнал используется для того, чтобы формировать МРТ-изображение; и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который генерирует аналоговый сигнал на основе цифрового вывода МРТ-системы.

[00417] Сканер для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: МРТ-магнит, содержащий улучшенный ЧНС-материал; МРТ-РЧ-преобразователь, выполненный с возможностью: наводить магнитное поле, когда к МРТ-РЧ-преобразователю подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, и воспринимать резонансный сигнал, испускаемый этими определенными атомами по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; и МРТ-детектор, который детектирует воспринимаемый резонансный сигнал из МРТ-РЧ-преобразователя, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00418] МРТ-детектор, содержащий: ЧНС-КВИД, содержащий улучшенный ЧНС-материал, при этом ЧНС-КВИД детектирует резонансный сигнал, испускаемый определенными выстроенными атомами в теле объекта по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ.

[00419] МРТ-детектор, содержащий: ЧНС-КВИД, содержащий ЧНС-материал, имеющий по меньшей мере одну улучшенную рабочую характеристику, при этом ЧНС-КВИД детектирует резонансный сигнал, испускаемый определенными выстроенными атомами в теле объекта по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ.

[00420] МРТ-детектор, содержащий: ЧНС-КВИД, содержащий модифицированный ЧНС-материал, причем модифицированный ЧНС-материал содержит ЧНС-материал, связанный с модифицирующим материалом, причем модифицированный ЧНС-материал имеет улучшенную рабочую характеристику по сравнению с рабочей характеристикой только ЧНС-материала, при этом ЧНС-КВИД детектирует резонансный сигнал, испускаемый определенными выстроенными атомами в теле объекта по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ.

[00421] Портативный МРТ-сканер, содержащий: МРТ-магнит, содержащий улучшенный ЧНС-материал, при этом улучшенный ЧНС-материал работает в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K, так что МРТ-магнит не требует криогенного охлаждения во время процедуры МРТ, при этом туннель МРТ-магнита укрупнен так, что портативный МРТ-сканер является передвижным вокруг конструкции, на которой сканируется объект во время процедуры МРТ; МРТ-РЧ-преобразователь, выполненный с возможностью: наводить магнитное поле, когда к МРТ-РЧ-преобразователю подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, и воспринимать резонансный сигнал, испускаемый этими определенными атомами по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; и МРТ-детектор, который детектирует воспринимаемый резонансный сигнал из МРТ-РЧ-преобразователя, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00422] Портативный МРТ-сканер, содержащий: МРТ-магнит, содержащий улучшенный ЧНС-материал, при этом улучшенный ЧНС-материал работает в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K, так что МРТ-магнит не требует криогенного охлаждения во время процедуры МРТ, при этом туннель МРТ-магнита укрупнен так, что конструкция, на которой сканируется объект во время процедуры МРТ, является выдвижной из портативного МРТ-сканера; МРТ-РЧ-преобразователь, выполненный с возможностью: наводить магнитное поле, когда к МРТ-РЧ-преобразователю подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, и воспринимать резонансный сигнал, испускаемый этими определенными атомами по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; и МРТ-детектор, который детектирует воспринимаемый резонансный сигнал из МРТ-РЧ-преобразователя, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00423] Портативный МРТ-сканер, содержащий: магнит низкой напряженности, который создает магнитное поле низкой напряженности; МРТ-РЧ-преобразователь, выполненный с возможностью: наводить магнитное поле, когда к МРТ-РЧ-преобразователю подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, и воспринимать резонансный сигнал, испускаемый этими определенными атомами по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; и ЧНС-КВИД-детектор, который детектирует резонансный сигнал.

[00424] Портативный МРТ-сканер, содержащий: МРТ-магнит; градиентную МРТ-катушку, содержащую: улучшенный ЧНС-материал, при этом градиентная МРТ-катушка проводит электрический ток для создания градиентного поля во время процедуры МРТ, при этом градиентное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта вращаться с различными скоростями на основании местоположения в теле определенных атомов, при этом улучшенный ЧНС-материал обеспечивает возможность конкретной конфигурации градиентной МРТ-катушки, которая позволяет укрупнить туннель МРТ-магнита; и МРТ-детектор, который детектирует резонансный сигнал во время процедуры МРТ, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00425] Портативный МРТ-сканер, содержащий: МРТ-магнит; МРТ-РЧ-катушку, содержащую: улучшенный ЧНС-материал, при этом МРТ-РЧ-катушка: наводит магнитное поле, когда к МРТ-РЧ-катушке подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, либо воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ, при этом улучшенный ЧНС-материал обеспечивает возможность конкретной конфигурации МРТ-РЧ-катушки, которая позволяет укрупнить туннель МРТ-магнита; и МРТ-детектор, который детектирует резонансный сигнал во время процедуры МРТ, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00426] Градиентная катушка для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: улучшенный ЧНС-материал, при этом градиентная МРТ-катушка проводит электрический ток для создания градиентного поля во время процедуры МРТ, при этом градиентное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта вращаться с различными скоростями на основании местоположения в теле определенных атомов.

[00427] Градиентная катушка для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: нанопровод, содержащий улучшенный ЧНС-материал, при этом нанопровод проводит электрический ток для создания градиентного поля во время процедуры МРТ, при этом градиентное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта вращаться с различными скоростями на основании местоположения в теле определенных атомов.

[00428] Аппарат магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий МРТ-магнит; МРТ-РЧ-катушку, которая либо: наводит магнитное поле, когда к МРТ-РЧ-катушке подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, либо воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами по мере того, как они становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; и градиентную катушку, содержащую: улучшенный ЧНС-материал, при этом градиентная МРТ-катушка проводит электрический ток для создания градиентного поля во время процедуры МРТ, при этом градиентное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта вращаться с различными скоростями на основании местоположения в теле определенных атомов; и МРТ-детектор, который детектирует воспринимаемый резонансный сигнал из МРТ-РЧ-катушки, чтобы формировать МРТ-изображение.

[00429] Радиочастотная (РЧ) катушка для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: улучшенный ЧНС-материал, при этом во время процедуры МРТ РЧ-катушка: наводит магнитное поле, когда к по меньшей мере одному нанопроводному сегменту подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, либо воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами в теле объекта по мере того, как определенные выстроенные атомы становятся невыстроенными во время процедуры МРТ.

[00430] Радиочастотная (РЧ) катушка для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: улучшенный ЧНС-материал, при этом при воздействии резонансного сигнала во время процедуры МРТ РЧ-катушка воспринимает резонансный сигнал, преобразует воспринимаемый резонансный сигнал в переменный ток, который может измеряться и использоваться для визуализации.

[00431] Радиочастотная (РЧ) катушка для магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащая: улучшенный ЧНС-материал, при этом РЧ-катушка электрически соединена с источником переменного тока, при этом РЧ-катушка наводит электромагнитное поле во время процедуры МРТ в ответ на источник переменного тока, наведенное электромагнитное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта выстраиваться и затем испускать резонансный сигнал по мере того, как эти определенные атомы становятся невыстроенными, при этом резонансный сигнал может быть обнаружен и использован для визуализации.

[00432] Аппарат магнитно-резонансной томографии (МРТ), содержащий: МРТ-магнит; МРТ-РЧ-катушку, содержащую: улучшенный ЧНС-материал, при этом во время процедуры МРТ РЧ-катушка: наводит магнитное поле, когда к по меньшей мере одному нанопроводному сегменту подается ток во время процедуры МРТ, при этом электромагнитное поле вынуждает выстраиваться определенные атомы в теле объекта, либо воспринимает резонансный сигнал, испускаемый определенными атомами в теле объекта по мере того, как определенные выстроенные атомы становятся невыстроенными во время процедуры МРТ; градиентную катушку, при этом градиентная МРТ-катушка проводит электрический ток для создания градиентного поля во время процедуры МРТ, при этом градиентное поле вынуждает определенные атомы в теле объекта вращаться с различными скоростями на основании местоположения в теле определенных атомов; и МРТ-детектор, который детектирует воспринимаемый резонансный сигнал из МРТ-РЧ-катушки, чтобы формировать МРТ-изображение.

Глава 5. Конденсаторы, сформированные из ЧНС-материалов

[00433] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37A-B по 43-B; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00434] Описываются конденсаторы, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных, щелевых и/или других новых материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В некоторых примерах конденсаторы включают в себя одну или более обкладок, сформированных из ЧНС-материалов. В некоторых примерах конденсаторы включают в себя две обкладки или два элемента, сформированные из ЧНС-материалов, и диэлектрик, помещенный между этими обкладками или элементами. В некоторых примерах конденсаторы сформированы с использованием тонкопленочных ЧНС-материалов. ЧНС-материалы обеспечивают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), повышая рабочие характеристики конденсаторов при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[00435] В некоторых примерах ЧНС-материалы изготавливают, исходя из типа материалов, применения ЧНС-материалов, размера компонента, использующего ЧНС-материалы, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующим ЧНС-материалы, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления конденсатора материал, используемый в качестве базового слоя ЧНС-материала, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНС-материала, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00436] Различные устройства, применения и/или системы могут использовать ЧНС-конденсаторы, описанные здесь. В некоторых примерах настраиваемые и другие резонансные контуры используют ЧНС-конденсаторы. В некоторых примерах устройства хранения используют ЧНС-конденсаторы. В некоторых примерах элементы связи используют ЧНС-конденсаторы. В некоторых примерах системы импульсной мощности используют ЧНС-конденсаторы. В некоторых примерах синхронизирующие элементы используют ЧНС-конденсаторы. В некоторых примерах фильтрующие элементы используют ЧНС-конденсаторы.

[00437] Как описано здесь, некоторые или все модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы могут быть использованы конденсаторами и связанными с ним устройствами и системами. Фигура 37A-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей конденсатор 3700, использующий ЧНС-материал. Конденсатор включает в себя первую обкладку 3710 или первый проводящий элемент, вторую обкладку 3712 или второй проводящий элемент и промежуток или зазор 3715, который отделяет первую обкладку 3710 от второй обкладки 3712.

[00438] Приложение напряжения или разности потенциалов к первой обкладке 3710 и второй обкладке 3712 вызывает развитие статического электрического поля в промежутке 3715 между двумя обкладками. Статическое электрическое поле накапливает энергию и создает силу между обкладками. ʺЕмкостьʺ конденсатора, измеряемая в Фарадах, является отношением заряда на каждой обкладке к приложенной разности потенциалов, или C=Q/V. Емкость зависит от расстояния между обкладками и увеличивается по мере того, как расстояние между обкладками снижается.

[00439] Хотя конденсатор 3700 не включает в себя слоя диэлектрика, множество конденсаторов используют слои диэлектрика, чтобы увеличивать свою емкость. Фигура 37B-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей конденсатор 3720, использующий модифицированную ЧНС-пленку. Конденсатор 3720 включает в себя первую обкладку 3730, вторую обкладку 3732 и диэлектрический, или непроводящий, слой 3735, расположенный между первой обкладкой 3730 и второй обкладкой 3732. В некоторых примерах диэлектрический слой 3735 сформирован из материала, имеющего высокую диэлектрическую проницаемость и/или высокое напряжение пробоя для того, чтобы увеличивать количество заряда, накапливаемое конденсатором.

[00440] В некоторых примерах диэлектрический слой 3735 является изолятором. Примерные диэлектрические материалы для использования в качестве диэлектрического слоя 3735 включают в себя бумаги, пластмассы, стекло, слюду, керамику, электролиты, оксиды и/или другие диэлектрики класса 1 или класса 2. Следующий перечень представляет различные типы конденсаторов/диэлектриков, которые могут использовать модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы, описанные здесь, хотя другие, конечно, возможны:

[00441] ʺс воздушным зазоромʺ - конденсаторы без диэлектрического слоя, они обычно имеют низкие диэлектрические потери. Конденсаторы с воздушным зазором могут использоваться в качестве настраиваемых конденсаторов для резонирования ВЧ-антенн, помимо других вариантов реализации;

[00442] ʺкерамическиеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой керамики, с варьирующимися значениями диэлектрической проницаемости и диэлектрическими потерями. Примеры включают в себя конденсаторы C0G, NP0, X7R, X8R, Z5U и 2E6. Керамические конденсаторы могут использоваться в фильтрах, синхронизирующих элементах и кварцевых осцилляторах, помимо других вариантов реализации;

[00443] ʺстеклянныеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой стекла, они являются обычно очень стабильными и надежными;

[00444] ʺбумажныеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой бумаги. Бумажные конденсаторы могут использоваться в радиооборудовании, источниках питания, электродвигателях и других вариантах реализации;

[00445] ʺполикарбонатныеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой поликарбоната, они обычно имеют низкий температурный коэффициент и медленно изнашиваются. Поликарбонатные конденсаторы могут использоваться в фильтрах, помимо других вариантов реализации;

[00446] ʺполиэфирныеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой из пленки PET. Полиэфирные конденсаторы могут использоваться в сигнальных конденсаторах и интеграторах, помимо других вариантов реализации;

[00447] ʺполистироловыеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой полистирола. Полистироловые конденсаторы могут использоваться в качестве сигнальных конденсаторов, помимо других вариантов реализации;

[00448] ʺполипропиленовыеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой полипропилена, они обычно демонстрируют низкие диэлектрические потери и высокие напряжения пробоя. Полипропиленовые конденсаторы могут использоваться в качестве сигнальных конденсаторов, помимо других вариантов реализации;

[00449] ʺпластиковыеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой пластика, они включают в себя диэлектрики ПТФЭ или Teflon, помимо прочих;

[00450] ʺслюдяныеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой слюды, к примеру, посеребренной слюды. Слюдяные конденсаторы могут использоваться в ВЧ- и ОВЧ РЧ-схемах, помимо других вариантов реализации;

[00451] ʺЭлектролитическиеʺ - конденсаторы, имеющие диэлектрический слой оксида, окруженный диэлектрическим раствором, они обычно имеют большую емкость на единицу объема, чем другие типы. Электролитические конденсаторы, которые могут быть ультраконденсаторами и/или суперконденсаторами, могут использоваться в электрических цепях, в качестве фильтров питания, конденсаторов связи, устройств накопления энергии, и других вариантах реализации;

[00452] ʺПеременныеʺ - конденсаторы, имеющие механическую конструкцию, которая изменяет расстояние между обкладками или величину площади поверхности обкладок, которая перекрывается, и/или диоды переменной емкости (варикапы), которые изменяют свою емкость как функцию приложенного напряжения обратного смещения. Они могут использоваться в датчиках, таких как микрофоны, помимо других вариантов реализации;

[00453] ʺВакуумныеʺ - конденсаторы с вакуумом между проводящими обкладками, они не имеют диэлектрических потерь, самовосстанавливаются и являются переменными и/или регулируемыми. Они могут использоваться в РЧ-передатчиках высокой мощности, помимо других вариантов реализации; и другие типы диэлектриков/конденсаторов, конкретно не описанные здесь.

[00454] В дополнение к конденсаторам, образованным из двух обкладок, разделенных диэлектрическим слоем, существуют другие способы, которыми можно формировать конденсаторы. Например, металлические проводящие области в различных слоях многослойной печатной платы или подложки могут действовать в качестве очень стабильного конденсатора. Дополнительно, конденсатор может быть сформирован с различными рисунками металлизации на подложке. Фигура 37C-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей основанный на подложке конденсатор 3740, использующий ЧНС-материалы.

[00455] Конденсатор 3740 сформирован на подложке 3745 и включает в себя первый проводящий элемент 3750, имеющий различные первые проводящие части 3755, и второй проводящий элемент 3760, имеющий различные вторые проводящие части 3765. Как показано на фигуре, конденсатор 3740 может накапливать заряд во многих электрических полях, создаваемых между одной из первых проводящих частей 3755 и одной из вторых проводящих частей 3765.

[00456] Фигура 37D-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей конденсатор 3770 МЭМС-типа, использующий ЧНС-материалы. Конденсатор 3770 сформирован на или присоединен к подложке (не показана) и включает в себя первый проводящий элемент 3780, имеющий несколько первых проводящих частей 3782, и второй проводящий элемент 3790, имеющий несколько вторых проводящих частей 3792, разнесенных от нескольких первых проводящих частей 3782. Как показано на фигуре, второй проводящий элемент 3790 может поступательно перемещаться к и/или от первого проводящего элемента 3780, увеличивая и/или уменьшая емкость между элементами по мере того, как площадь между соответствующими проводящими частями увеличивается и/или уменьшается вследствие перемещения. Дополнительно, второй проводящий элемент 3790 может вращаться относительно первого проводящего элемента 3780, увеличивая и/или уменьшая емкость между элементами по мере того, как площадь между соответствующими проводящими частями увеличивается и/или уменьшается вследствие вращения.

[00457] В некоторых примерах ЧНС-материалы, описанные здесь, переносят и/или распространяют заряд через щели в материалах. Таким образом, в этих примерах использование ЧНС-материалов в качестве проводящих элементов может приводить к сбору зарядов в проводящем элементе, или обкладке, в дискретных рядах или секциях, в общем соответствующих щелям в материалах.

[00458] Фигура 38A-B является видом в поперечном сечении конденсатора по фигуре 37B-B вдоль линии BA. Конденсатор 3800 включает в себя первый проводящий элемент 3810a, имеющий щелевой ЧНС-материал 3814a и модифицирующий слой 3812a, связанный со щелевым ЧНС-материалом 3814a, и второй проводящий элемент 3810b, имеющий щелевой ЧНС-материал 3814b и модифицирующий слой 3812b, связанный со щелевым ЧНС-материалом 3814b. Первый проводящий элемент 3810a отделен от второго проводящего элемента 3810b диэлектрическим слоем 3820.

[00459] После приложения разности потенциалов между первым проводящим элементом 3810a и вторым проводящим элементом 3810b создается электрическое поле между элементами и в диэлектрическом слое 3820 по мере того, как заряды 3830 перемещаются к диэлектрическому слою 3820. Тем не менее, поскольку заряды содержатся в щелях, они собираются в группы зарядов 3830, в общем изолированные друг от друга стенками 3835 щелей в ЧНС-материале 3814a.

[00460] Фигура 38B-B является видом в поперечном сечении конденсатора по фигуре 37B-B вдоль линии BB. Групповые заряды могут образовывать полосы зарядов 3842 на или около поверхности модифицирующего слоя 3840 или стенки щели, разделенные стенками 3844 щелей материала. Таким образом, заряды в ЧНС-материале могут, в ответ на электрическое поле в конденсаторе, образовывать полосы и/или группировки зарядов в проводящих элементах конденсатора.

[00461] В некоторых примерах ЧНС-материалы, образующие проводящие элементы конденсатора, могут демонстрировать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, при ~80-135 K) и комнатными температурами (например, при ~275-313 K). В этих примерах конденсатор на основе ЧНС и/или устройство на основе ЧНС, использующее конденсатор, может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как криоохладитель или криостат, используемый для охлаждения конденсатора до критической температуры используемого конденсатором типа модифицированного ЧНС-материала. Например, система охлаждения может быть системой, способной охлаждать конденсатор до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре льда, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материалов, используемых в конденсаторе на основе ЧНС и/или устройстве на основе ЧНС.

[00462] Как описано здесь, в некоторых примерах проводящие элементы (например, обкладки) конденсатора демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления переносимому току, поскольку они образованы из модифицированных ЧНС-материалов. Проводящие элементы могут быть сформированы из нанопровода, ленты или фольги и/или провода.

[00463] При формировании ЧНС-провода множественные ЧНС-ленты или фольги могут размещаться в форме сэндвича так, что они образуют макропровод. Например, катушка может включать в себя несущую конструкцию и одну или более ЧНС-лент или фольг, поддерживаемых несущей конструкцией.

[00464] В дополнение к ЧНС-проводам, конденсаторы могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[00465] В дополнение к нанопроводам, ЧНС-ленты или фольга также могут быть использованы конденсаторами и устройствами, описанными здесь. Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого может быть осажден текстурированный керамический буферный слой с помощью пучка ионов на подложке из нетекстурированного сплава, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие технологии осаждения из раствора для того, чтобы получить ЧНС-материалы.

[00466] Таким образом, модифицированные ЧНС-пленки могут быть сформированы в ленты, фольгу, стержни, полосы, нанопровода, тонкие пленки, другие формы или структуры и/или другие геометрии, способные на накопление заряда в проводящих элементах, таких как обкладки. То есть хотя некоторые подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых конденсаторов, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине, в дополнение к отличиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур.

[00467] В некоторых примерах тип материалов, используемых в качестве ЧНС-материалов, может определяться типом применения, использующего ЧНС-материалы. Например, некоторые варианты применения могут использовать ЧНС-материалы, имеющие ЧНС-слой BSCCO, тогда как некоторые варианты применения могут использовать слой YBCO. То есть ЧНС-материалы, описанные здесь, могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или нанопровода) и быть образованы из определенных ЧНС-материалов, помимо прочих факторов.

[00468] Различные процессы изготовления могут использоваться при формировании конденсаторов на основе ЧНС, описанных здесь. В некоторых примерах нанопроводной проводящий ЧНС-элемент осаждают на размещенную подложку. В некоторых примерах ЧНС-ленту помещают или закрепляют на подложке, непроводящем элементе и/или проводящем элементе. Специалисты в данной области техники поймут, что и другие производственные процессы могут быть использованы при изготовлении и/или формировании конденсаторов, описанных здесь.

[00469] Как пояснено здесь, многие устройства и системы могут использовать, применять и/или включать конденсаторы, такие как модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-конденсаторы, которые демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при высоких температурах или температурах окружающей среды. Следующий раздел описывает несколько примерных устройств, систем и/или применений. Специалисты в данной области техники поймут, что и другие устройства, системы и/или применения также могут использовать модифицированные ЧНС-конденсаторы.

[00470] В некоторых примерах настроенная или резонансная схема может использовать ЧНС-конденсаторы, описанные здесь. В общем, настроенная схема включает в себя и конденсатор и индуктор, чтобы выбирать информацию в конкретных полосах частот. Например, радиоприемник основывается на переменных конденсаторах, чтобы настраивать радио на частоту станции.

[00471] Фигура 39-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей настроенную или резонансную схему (цепь) 3900, имеющую ЧНС-конденсатор 3910 и другой компонент, такой как индуктор 3920. Аналоговые схемы, такие как схемы, используемые в вариантах применения с обработкой сигналов, могут использовать конденсаторы, описанные здесь. Эти схемы могут включать в себя конденсатор вместе с другими компонентами (например, LC-схемами, RLC-схемами и т.д.). В некоторых примерах схема 3900 может быть настроенной или резонансной схемой, которая вводит предыскажения или отфильтровывает частоты сигнала. В некоторых примерах схема 3900 может удалять остаточный фоновый шум в крупномасштабных силовых применениях. В некоторых примерах схема 3900 может быть настроенной схемой, используемой при радиоприеме и широковещательной передаче. Специалисты в данной области техники поймут, что схема 3900 может быть реализована во многих других применениях, не описанных здесь.

[00472] В некоторых примерах энергоаккумулирующий компонент может использовать конденсаторы на основе ЧНС, описанные здесь. Например, конденсатор хранит электроэнергию, когда отсоединен от зарядной цепи, демонстрируя характеристики, аналогичные характеристикам аккумуляторных батарей, и зачастую используется в электронных приборах, чтобы поддерживать работоспособными источники питания в то время, пока заменяются аккумуляторные батареи, помимо прочего.

[00473] Фигура 40-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей накопительный элемент 4000, имеющий ЧНС-конденсатор. Накопительный элемент 4000 представляет суперконденсатор и включает в себя первый электрод 4010, второй электрод 4020 и разделительный слой. Разделительный слой 4030 отделяет первый электролитический раствор 4045, который содержит заряды 4040, и второй электролитический раствор 4055, содержащий заряды 4050. Такой суперконденсатор, использующий материалы на основе ЧНС, описанные здесь, может накапливать энергию для множества вариантов применения, таких как электромобили и электросети, помимо прочего.

[00474] В некоторых примерах компонент связи может использовать конденсаторы на основе ЧНС, описанные здесь. Например, конденсатор на основе ЧНС может способствовать емкостной связи в цепи, посредством чего конденсатор пропускает сигналы переменного тока, но блокирует сигналы постоянного тока. В качестве другого примера, конденсатор на основе ЧНС может действовать в качестве развязывающего конденсатора, который подавляет шумовые или переходные сигналы между элементами цепи.

[00475] Фигура 41-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей элемент 4100 связи, имеющий ЧНС-конденсатор 4130 и резистор 4140. Элемент 4100 связи принимает входной сигнал 4110, регулирует ввод на основе, отчасти, времени заряда конденсатора в сравнении с постоянной времени сигнала и выводит отрегулированный сигнал 4120. Такая цепь связи, использующая конденсаторы на основе ЧНС, описанные здесь, может пропускать аудиосигналы в системе радиосвязи, помимо прочего.

[00476] В некоторых примерах система импульсной мощности может использовать конденсаторы на основе ЧНС, описанные здесь. Например, группы крупных, специально сконструированных конденсаторов высокого напряжения с низкой индуктивностью могут быть использованы для того, чтобы выдавать большие импульсы тока для применений в импульсной энергетике, таких как электромагнитная формовка, генераторы Маркса, импульсные лазеры, сети формирования импульсов, радар, оплавление, ускорители частиц, рельсовые пушки, катушечные пушки и другие варианты применения.

[00477] Фигура 42-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей систему 4200 импульсной мощности, имеющую ЧНС-конденсатор. Система 4200 импульсной мощности включает в себя батарею 4100 конденсаторов, образованную из ряда конденсаторов 4220, которые, будучи разряженными, подают импульсы мощности на различные выходы 4230 приборов. Например, система 4200 может быть батареей Маркса, в которой конденсаторы, такие как конденсаторы на основе ЧНС, заряжаются параллельно умеренным напряжением и разряжаются последовательно посредством инициирования искровых промежутков, которые выдают высокое напряжение на нагрузку. В некоторых примерах синхронизирующий элемент может использовать конденсаторы на основе ЧНС, описанные здесь.

[00478] Фигура 43-B является принципиальной схемой, иллюстрирующей синхронизирующий элемент 4310, такой как элемент, выполненный в виде нестабильного мультивибратора 4310, выдающего последовательность импульсов через конденсатор 4330 на основе ЧНС в громкоговоритель 4320. Синхронизирующий элемент 4300 включает в себя таймер 555, конденсатор 4330 на основе ЧНС и громкоговоритель 4320. Конденсатор 4330 обеспечивает постоянную сигнализацию на переменном токе в громкоговоритель при блокировании сигналов постоянного тока, помимо прочего.

[00479] Конечно, и другие системы и устройства могут использовать конденсаторы на основе ЧНС, описанные здесь. Например, системы регулирования мощности, системы коррекции коэффициента мощности, фильтры шумов, демпферы, пускатели электродвигателя, процессоры сигналов, датчики, измерительные устройства, устройства сенсорного ввода, элементы интерфейса ʺчеловек - машинаʺ, нейронные сети и т.д.

[00480] В некоторых вариантах реализации конденсатор, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00481] Конденсатор, содержащий: первую обкладку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; и вторую обкладку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00482] Способ формирования конденсатора, включающий: формирование первой обкладки из модифицированного ЧНС-материала; формирование второй обкладки из модифицированного ЧНС-материала; и размещение первой обкладки на определенном расстоянии от второй обкладки.

[00483] Конденсатор, содержащий: первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и второй модифицированный ЧНС-элемент, отстоящий на определенное расстояние от первого модифицированного ЧНС-элемента.

[00484] Конденсатор, содержащий: первую обкладку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; вторую обкладку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; и диэлектрик, размещенный между первой обкладкой и второй обкладкой; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00485] Способ формирования конденсатора, включающий: формирование первой обкладки из модифицированного ЧНС-материала; формирование второй обкладки из модифицированного ЧНС-материала; размещение первой обкладки на определенном расстоянии от второй обкладки; и помещение диэлектрика между первой обкладкой и второй обкладкой.

[00486] Конденсатор, содержащий: первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); второй модифицированный ЧНС-элемент, отстоящий на определенное расстояние от первого модифицированного ЧНС-элемента; и диэлектрический материал, размещенный между первым модифицированным ЧНС-элементом и вторым модифицированным ЧНС-элементом.

[00487] Конденсатор, содержащий: подложку; первый проводящий элемент, осажденный на подложке и сформированный из модифицированного ЧНС-материала; второй проводящий элемент, осажденный на подложке рядом с первым проводящим элементом и сформированный из модифицированного ЧНС-материала; и при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00488] Способ формирования конденсатора, включающий: осаждение первого проводящего элемента, сформированного из модифицированного ЧНС-материала, на подложке; и осаждение второго проводящего элемента, сформированного из модифицированного ЧНС-материала, рядом с первым проводящим элементом на подложке.

[00489] Конденсатор, содержащий: первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), осажденный на подложке; и второй модифицированный ЧНС-элемент, осажденный на подложке рядом с первым модифицированным ЧНС-элементом и отстоящий на определенное расстояние от первого модифицированного ЧНС-элемента.

[00490] Конденсатор, содержащий: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала и выполненный с возможностью перемещаться относительно первого проводящего элемента; и при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00491] Конденсатор, содержащий: первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); второй модифицированный ЧНС-элемент; и позиционирующий компонент, при этом позиционирующий компонент выполнен с возможностью перемещать второй модифицированный ЧНС-элемент относительно первого модифицированного ЧНС-элемента.

[00492] Проводящий элемент для использования в конденсаторе на основе МЭМС, содержащий: первый слой ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала, который модифицирует фононные характеристики ЧНС-материала.

[00493] Цепь, содержащая: индуктор; и конденсатор, при этом конденсатор включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала.

[00494] Конденсатор для использования в устройстве обработки сигналов, содержащий: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00495] Конденсатор, выполненный с возможностью обмениваться энергией с индуктором в цепи, содержащий: первый проводящий элемент, сформированный на подложке; и второй проводящий элемент, сформированный на подложке и размещенный рядом с первым проводящим элементом; при этом первый проводящий элемент и второй проводящий элемент демонстрируют чрезвычайно низкое сопротивление электрическому заряду при температурах выше 150 K при стандартном давлении.

[00496] Ультраконденсатор, содержащий: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; разделительный слой, помещенный между первым проводящим элементом и вторым проводящим элементом.

[00497] Ультраконденсатор, содержащий: первый проводящий элемент, сформированный из щелевого ЧНС-материала; второй проводящий элемент, сформированный из щелевого ЧНС-материала; разделительный слой, помещенный между первым проводящим элементом и вторым проводящим элементом.

[00498] Цепь связи, содержащая: резистор; и конденсатор, при этом конденсатор включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00499] Цепь связи, содержащая: резистор; и конденсатор, при этом конденсатор включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из щелевого ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из щелевого ЧНС-материала; при этом щелевой ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00500] Система импульсной мощности, содержащая: батарею конденсаторов, при этом каждый из конденсаторов в батарее конденсаторов включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00501] Система импульсной мощности, содержащая: батарею конденсаторов, при этом каждый из конденсаторов в батарее конденсаторов включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из ЧНС-материала; при этом ЧНС-материал включает в себя слой щелевого ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя щелевого ЧНС-материала.

[00502] Датчик, содержащий: конденсатор, при этом конденсатор включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из модифицированного ЧНС-материала; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00503] Датчик, содержащий: конденсатор, при этом конденсатор включает в себя: первый проводящий элемент, сформированный из ЧНС-материала; и второй проводящий элемент, сформированный из ЧНС-материала; при этом ЧНС-материал включает в себя слой щелевого ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя щелевого ЧНС-материала.

Глава 6. Индукторы, сформированные из ЧНС-материалов

[00504] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-C по 43-C; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00505] Описываются индукторы, такие как индукторы с воздушным сердечником или магнитным сердечником, которые включают в себя компоненты, сформированные из материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), таких как модифицированные ЧНС-материалы, щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы. В некоторых примерах индукторы включают в себя сердечник и нанопроводную катушку, сформированную из ЧНС-материалов. В некоторых примерах индукторы включают в себя сердечник и катушку, сформированную из ЧНС-материалов, таких как ЧНС-ленты или фольга. В некоторых примерах индукторы сформированы с использованием тонкопленочных ЧНС-материалов. ЧНС-материалы обеспечивают и/или проявляют чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики устройств при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[00506] В некоторых примерах ЧНС-материалы изготавливают, исходя из типа материалов, применения ЧНС-материалов, размера компонента, использующего ЧНС-материалы, эксплуатационных требований к устройству, системе и/или машине, использующей ЧНС-материалы, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления индуктора или устройства на основе индуктора, материал, используемый в качестве базового слоя ЧНС-компонента, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНС-компонента, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00507] Различные устройства, применения и/или системы могут использовать модифицированные, щелевые и/или новые индукторы на основе ЧНС. В некоторых примерах настраиваемые или резонансные контуры и связанные с ними применения используют ЧНС-индукторы. В некоторых примерах трансформаторы и связанные с ними применения используют ЧНС-индукторы. В некоторых примерах устройства хранения (аккумулирования) энергии и связанные с ними применения используют ЧНС-индукторы. В некоторых примерах токоограничивающие устройства, такие как ограничители тока повреждения, и связанные с ними применения используют ЧНС-индукторы.

[00508] Фигура 37-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3700 с воздушным сердечником, сформированный из модифицированных, щелевых и/или новых ЧНС-материалов. Индуктор 3700 включает в себя катушку 3710 и воздушный сердечник 3720. Когда катушка 3710 переносит ток (например, в направлении вправо на странице), в воздушном сердечнике 3720 (т.е. в области, где находился бы сердечник) создается магнитное поле 3730. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из ЧНС-материалов, таких как ЧНС-пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, сформированный на базовом слое. Различные подходящие ЧНС-пленки подробно описаны здесь.

[00509] Аккумулятор или другой источник питания (не показан) может прикладывать напряжение к ЧНС-катушке 3710, вынуждая протекать ток в катушке 3710. Будучи сформированной из ЧНС-материалов, катушка 3710 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем температуры, используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температурах окружающей среды (например, при ~21 градусе по Цельсию). Электрический ток в катушке создает магнитное поле в области 3720 сердечника, которое может быть использовано для того, чтобы переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[00510] Поскольку индуктор 3700 включает в себя катушку 3710, сформированную из материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (т.е. модифицированной ЧНС-пленки), индуктор может действовать аналогично идеальной индукционной катушке, когда катушка 3710 демонстрирует малые или нулевые потери вследствие сопротивления обмотки или последовательного сопротивления, типично обнаруживаемого в индукторах с традиционными проводящими катушками (например, медными катушками), независимо от тока через катушку 3710. То есть индуктор 3700 может демонстрировать очень высокую добротность (Q) (например, приближающуюся к бесконечности), которая представляет собой отношение его индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте, или Q=(индуктивное реактивное сопротивление)/сопротивление.

[00511] В некоторых примерах ЧНС-катушка оказывает чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, при ~80-135 K) и комнатными температурами (например, при ~294 K). В этих примерах индуктор может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как криоохладитель или криостат, используемую для того, чтобы охлаждать катушку 3710 до критической температуры используемого катушкой 3710 типа ЧНС-материалов. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение катушки 3710 до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона™, до температуры, аналогичной температуре льда, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материалов, используемых в катушке 3710.

[00512] В некоторых примерах воздушный сердечник 3720 не включает в себя какого-либо дополнительного материала, и индуктор 3700 является катушкой без физического сердечника, такой как отдельно стоящая катушка (например, катушка, показанная на фигуре). В некоторых примерах воздушный сердечник 3720 образован из немагнитного материала (не показан), такого как пластиковые или керамические материалы. Материал или форма сердечника может выбираться на основе множества факторов. Например, выбор материала сердечника, имеющего более высокую проницаемость, чем проницаемость воздуха, в общем увеличивает плотность получаемого магнитного поля 3730 и тем самым увеличивает индуктивность индуктора 3700. В другом примере выбор материала сердечника может определять желание уменьшить потери в сердечнике в высокочастотных вариантах применения. Специалисты в данной области техники поймут, что сердечник может быть сформирован из ряда различных материалов и с рядом различных форм с тем, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[00513] Как известно в данной области техники, конфигурация катушки 3710 может влиять на определенные рабочие характеристики, такие как индуктивность. Например, число витков катушки, площадь поперечного сечения катушки, длина катушки и т.д. может влиять на индуктивность индуктора. Из этого следует, что индуктор 3700, хотя он и показан в одной конфигурации, может быть сконфигурирован множеством способов для того, чтобы достигать определенных рабочих характеристик (например, значений индуктивности), с тем чтобы уменьшать определенные нежелательные эффекты (например, скин-эффекты, эффекты близости, паразитные емкости) и т.д.

[00514] В некоторых примерах катушка 3710 может включать в себя множество витков, находящихся параллельно друг другу. В некоторых примерах катушка может включать в себя небольшое число витков, которые навиты под различными углами друг к другу. Таким образом, катушка 3710 может быть сформирована во множестве различных конфигураций, таких как сотовые, шахматные рисунки, волновые обмотки, в которых последовательные витки располагаются крест-накрест под различными углами друг к другу, паутинные рисунки или пи-образные обмотки, в которых катушка образована из плоских спиральных катушек, разнесенных друг от друга, в виде многожильных проводов, в которых различные жилы (стренги) изолированы друг от друга, чтобы уменьшить сопротивление переменному току, и т.д. Эти технологии могут приспосабливаться, чтобы увеличивать авторезонансную частоту и добротность (Q) индуктора, помимо других преимуществ.

[00515] В дополнение к индукторам с воздушным сердечником, индукторы с магнитным сердечником, такие как индуктор 3800, также могут использовать модифицированные, щелевые и/или новые ЧНС-материалы, поясненные здесь. Фигура 38-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3800 с магнитным сердечником, использующий ЧНС-материалы. Индуктор 3800 включает в себя катушку 3810 и магнитный сердечник 3820, к примеру, сердечник, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов. Аналогично индуктору 3700 по фигуре 37-C, магнитное поле 3830 создается в сердечнике 3820, когда катушкой 3810 переносится ток. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из ЧНС-пленки, такой как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и сформированный на базовом слое модифицирующий слой. Различные подходящие ЧНС-пленки подробно описываются здесь. Будучи сформированной из ЧНС-пленки, катушка 3810 оказывает малое или нулевое сопротивление электрическому току при температурах более высоких, чем температуры, используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температурах окружающей среды (например, при ~21 градусе по Цельсию). Электрический ток в катушке создает магнитное поле 3830 в сердечнике 3820, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[00516] Магнитный сердечник 3820, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов, увеличивает индуктивность индуктора 3800, поскольку магнитная проницаемость магнитного материала в полученном магнитном поле 3830 выше проницаемости воздуха, и тем самым в большей степени поддерживает формирование магнитного поля 3830 вследствие намагничивания магнитного материала. Например, магнитный сердечник может увеличивать индуктивность на коэффициент в 1000 раз или более.

[00517] Индуктор 3800 может использовать различные специальные материалы в магнитном сердечнике 3820. В некоторых примерах магнитный сердечник 3820 образован из ферромагнитного материала, такого как железо. В некоторых примерах магнитный сердечник 3820 образован из ферромагнитного материала, такого как феррит. В некоторых примерах магнитный сердечник 3820 образован из слоистых (шихтованных) магнитных материалов, таких как набранные пластины из кремнистой стали, метгласс или другие материалы. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы и другие материалы, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 3800.

[00518] Помимо этого, магнитный сердечник 3820 (и, таким образом, индуктор 3800) может быть выполнен во множестве различных форм. В некоторых примерах магнитный сердечник 3820 может быть стержнем или цилиндром. В некоторых случаях магнитный сердечник 3820 может быть кольцом или тороидом. В некоторых случаях магнитный сердечник 3820 может быть подвижным, позволяя индуктору 3800 реализовывать переменную индуктивность. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы и другие формы и конфигурации, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 3800. Например, магнитный сердечник 3820 может быть сконструирован для ограничения различных недостатков, таких как потери в сердечнике вследствие вихревых токов и/или гистерезис и/или нелинейность индуктивности, помимо прочего.

[00519] Таким образом, в некоторых примерах формирование катушки 3710 индуктора 3700 или катушки 3810 индуктора 3800 с использованием модифицированных ЧНС-материалов и/или компонентов, таких как модифицированные ЧНС-пленки, увеличивает добротность Q индукторов посредством снижения или исключения сопротивления току в катушках, помимо других преимуществ.

[00520] Как описано здесь, в некоторых примерах катушка индуктора демонстрирует чрезвычайно низкие сопротивления переносимому току, поскольку она образована из ЧНС-материалов, таких как модифицированные ЧНС-материалы, щелевые ЧНС-материалы, новые ЧНС-материалы и т.д. Фигура 39A-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3900, использующий ЧНС-провод. Индуктор 3900 включает в себя катушку 3902, сформированную в качестве ЧНС-провода, который состоит из ЧНС-компонентов, описанных здесь, таких как модифицированные ЧНС-пленки.

[00521] При формировании ЧНС-провода несколько ЧНС-лент или фольг могут быть наслоены сэндвичем друг на друга так, что они формируют макропровод. Например, катушка может включать в себя несущую конструкцию и одну или более ЧНС-лент или фольг, поддерживаемых несущей конструкцией.

[00522] В дополнение к ЧНС-проводам, индукторы могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[00523] В дополнение к нанопроводам, ЧНС-ленты или фольга также могут быть использованы посредством индукторов и устройств, описанных здесь. Фигура 39B-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3910, использующий ЧНС-ленту или фольгу. Индуктор 3910 включает в себя сердечник 3912, к примеру, железный сердечник, и катушку 3914, сформированную из ЧНС-ленты.

[00524] Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такие методы включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения из раствора для того, чтобы формировать ЧНС-материалы.

[00525] В некоторых примерах тонкопленочные индукторы могут использовать ЧНС-компоненты, описанные здесь. Фигура 39C-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3920, использующий тонкопленочный ЧНС-компонент, такой как модифицированный, щелевой и/или новый ЧНС-компонент. Индуктор 3920 включает в себя ЧНС-катушку 3922, сформированную на печатной плате 3924 или другой подходящей подложке (например, LaSrGaO), и необязательный магнитный сердечник 3926. Катушка 3922, которая может быть модифицированной ЧНС-пленкой, вытравленной на плате 3924 или подложке, либо нанопроводом, расположенным на или в подложке, может быть сформирована во множестве конфигураций и/или рисунков, в зависимости от потребностей устройства или системы, использующей индуктор. Дополнительно, необязательный магнитный сердечник 3926 может быть вытравлен на плате 3924, как показано, или может быть плоским сердечником (не показан), размещенным выше и/или ниже катушки 3922.

[00526] Таким образом, ЧНС-материалы могут быть сформированы как провода (проволоки), ленты, фольга, стержни, полосы, нанопровода, тонкие пленки, другие винтовые/спиральные формы, структуры и/или геометрии, допускающие перемещение или перенос тока из одной точки в другую, с тем чтобы создавать магнитное поле. То есть хотя для некоторых индукторов показаны и описаны здесь некоторые подходящие геометрии, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине, в дополнение к отличиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур.

[00527] В некоторых примерах тип материалов, используемых в ЧНС-материалах, может быть определен типом применения, использующего ЧНС-материалы. Например, некоторые применения могут использовать ЧНС-слой BSCCO, тогда как другие применения могут использовать ЧНС-слой YBCO. То есть ЧНС-материалы, описанные здесь, могут быть сформированы в определенные структуры (например, провода, ленты, фольги, тонкие пленки и/или нанопровода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа машины или компонента, использующего ЧНС-материалы, помимо прочих факторов.

[00528] Различные процессы могут использоваться при изготовлении индуктора, такого как индукторы 3900, 3910 и/или 3920. В некоторых примерах сердечник формируется, поддерживается, закрепляется, принимается и/или размещается. Сердечник может принимать различные формы или конфигурации. Примерные конфигурации включают в себя цилиндрический стержень, форму одной буквы ʺIʺ, форму буквы ʺCʺ или ʺUʺ, форму буквы ʺEʺ, формы пары букв ʺEʺ, форму горшка, тороидальную форму, форму кольца или валика, плоскую форму и т.д. Сердечник может быть сформирован из различных немагнитных и магнитных материалов. Примерные материалы включают в себя железо или мягкое железо, кремнистую сталь, различные слоистые материалы, сплавы кремния, карбонильное железо, железные порошки, ферримагнитную керамику, стекловидные или аморфные металлы, керамику, пластмассу, метгласс, воздух и т.д.

[00529] Помимо этого, катушка, к примеру, катушка, сформированная из ЧНС-нанопровода, ленты или тонкой пленки, выполняется с требуемой формой или рисунком и соединяется со сформированным или поддерживаемым сердечником. В некоторых примерах сердечник отсутствует, и модифицированный ЧНС-нанопровод выполняется с требуемой формой или рисунком. В некоторых примерах модифицированная нанопроводная ЧНС-катушка травится непосредственно на печатной плате или формируется или травится в интегральной схеме, и плоский магнитный сердечник позиционируется относительно вытравленной катушки. Специалисты в данной области техники поймут, что и другие технологические процессы могут быть использованы при изготовлении и/или формировании индукторов, описанных здесь.

[00530] Как пояснено здесь, множество устройств и систем могут использовать, применять и/или содержать индукторы, такие как модифицированные, щелевые и/или новые ЧНС-индукторы, которые демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при высоких температурах или температурах окружающей среды, к примеру, при температурах между 150 K и 313 K, или выше 313 K. То есть фактически любое устройство или система, которая использует энергию, накопленную в полученном из-за электрического тока магнитном поле, может включать ЧНС-индукторы, описанные здесь. Например, системы, которые переносят, преобразуют и/или сохраняют энергию, информацию и/или объекты, могут использовать ЧНС-индукторы, описанные здесь. Следующий раздел описывает несколько примерных устройств, систем и/или вариантов применения. Специалисты в данной области техники поймут, что другие устройства, системы и/или варианты применения также могут использовать ЧНС-индукторы, описанные здесь.

[00531] В некоторых примерах аналоговые схемы, к примеру, схемы, используемые в вариантах применения с обработкой сигналов, могут использовать индукторы, описанные здесь. Фигура 40-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей настроенную или резонансную схему 4000, имеющую индуктор 4010 на основе ЧНС и конденсатор 4020. Такие схемы могут включать в себя индуктор вместе с другими компонентами (например, LC-схемами, RLC-схемами и т.д.). В некоторых примерах схема 4000 может быть настроенной или резонансной схемой, которая усиливает и/или ослабляет частоты сигнала. В некоторых примерах схема 4000 может удалять остаточные фоновые шумы (например, посредством фильтрации сигналов на 60 Гц и ассоциированных гармоник) в вариантах применения для промышленных энергосистем. В некоторых примерах схема 4000 может быть настроенной схемой, используемой при радиоприеме и широковещательной передаче. Специалисты в данной области техники поймут, что схема 4000 может быть реализована во многих других применениях, не описанных здесь.

[00532] Использование материалов с чрезвычайно низким сопротивлением, таких как модифицированные ЧНС-материалы, описанные здесь, может обеспечить множество преимуществ и выгод схеме 4000. Например, схема, имеющая ЧНС-индукторы, используемые в магнитометре (например, СКВИДе), может позволить магнитометру измерять чрезвычайно небольшие магнитные поля (например, порядка одного флаксона), помимо других преимуществ, без необходимости в дорогих системах охлаждения, типичных для магнитометров, использующих традиционные сверхпроводящие ВТСП-элементы.

[00533] В некоторых примерах трансформаторы и другие устройства и системы передачи энергии могут использовать индукторы, описанные здесь. Фигура 41-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей трансформатор 4100, имеющий ЧНС-индуктор. Трансформатор 4100 включает в себя магнитный сердечник 4110, первичную обмотку 4120, имеющую витки 4125 первичной обмотки, и вторичную обмотку 4130, имеющую витки 4135 вторичной обмотки. Первичная обмотка 4120 и вторичная обмотка 4130 сформированы из ЧНС-материалов, таких как модифицированные ЧНС-нанопровода. В некоторых примерах трансформатор 4100 может быть частью энергосети общего пользования. В некоторых примерах трансформатор 4100 может быть частью приборов и других электронных устройств, которые повышают и/или понижают напряжения питания в ходе работы. В некоторых примерах трансформатор 4100 может быть сигнальным или аудиотрансформатором. Специалисты в данной области техники поймут, что трансформатор 4100 может быть реализован во многих других применениях и устройствах, не описанных здесь.

[00534] Использование материалов с чрезвычайно низким сопротивлением, таких как ЧНС-материалы, описанные здесь, может обеспечить множество преимуществ и выгод трансформатору 4100 и/или различным применениям. Например, трансформаторы, использующие модифицированные ЧНС-материалы в катушках, демонстрируют меньшие потери на сопротивление, что может существенно влиять на эксплуатационные затраты посредством минимизации потерь энергии в трансформаторе, помимо других преимуществ, при недопущении проблем, связанных с традиционными сверхпроводящими материалами, таких как высокие затраты вследствие дорогих систем охлаждения, помимо прочего.

[00535] В некоторых примерах устройства накопления энергии, такие как сверхпроводящие индуктивные системы накопления энергии (СПИНЭ) (от англ. ʺsuperconducting magnetic energy storageʺ, SMES) и другие магнитные системы накопления энергии, могут использовать ЧНС-индукторы, описанные здесь. Фигура 42-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей систему 4200 накопления энергии, имеющую ЧНС-индуктор. Система 4200 накопления энергии включает в себя компонент 4210 накопления, имеющий индукционную катушку (или катушки) 4215, и систему 4220 регулирования мощности, имеющую инвертор-выпрямитель 4225. Компонент 4210 накопления накапливает энергию в магнитных полях, создаваемых индукторами 4215, сформированными из модифицированных ЧНС-материалов. Система 4220 регулирования мощности может принимать энергию из компонента 4210 накопления, регулировать принимаемую энергию (например, преобразовывать накопленный постоянный ток в переменный ток) и подавать отрегулированную энергию в различные источники, такие как силовая установка 4230. Специалисты в данной области техники поймут, что система 4200 накопления энергии может быть реализована во многих других применениях и устройствах, не описанных здесь.

[00536] Использование материалов с чрезвычайно низким сопротивлением, таких как модифицированные ЧНС-материалы, описанные здесь, может обеспечить множество преимуществ и выгод системе 4200 накопления энергии и различным применениям. Например, традиционные СПИНЭ-системы теряют наименьшее количество накопленной энергии по сравнению с другими системами накопления энергии, но затраты и другие проблемы, связанные с поддержанием высокотемпературных сверхпроводников в традиционных СПИНЭ-системах при температурах порядка жидкого азота, препятствуют их повсеместному распостранению, помимо других проблем. С другой стороны, модифицированные ЧНС-индукторы, описанные здесь, обеспечивают аналогичные традиционным СПИНЭ-системам преимущества (например, незначительные потери энергии), но без проблем (например, затрат на криоохладители), связанных с традиционными СПИНЭ-системами, поскольку они демонстрируют ЧНС-свойства при очень высоких температурах, к примеру, при любом значении между температурой жидкого фреона и до комнатных температур или выше.

[00537] В некоторых примерах системы электропередачи могут использовать ЧНС-материалы, описанные здесь. Фигура 43-C является принципиальной схемой, иллюстрирующей систему 4300 ограничения по току, такую как ограничитель тока повреждения (от англ. ʺfault current limiterʺ, FCL), имеющий ЧНС-индуктор. Система ограничения по току включает в себя ограничитель 4310 тока, состоящий из ЧНС-индуктора 4315. Ограничитель 4310 тока, такой как последовательный резистивный ограничитель, размещается между линией 4320 и нагрузкой 4330 и действует в качестве триггерной катушки посредством шунтирования тока повреждения на резистор 4330, поглощающий большую часть энергии во время повреждения в системе 4300. Специалисты в данной области техники поймут, что система электропередачи может реализовывать ЧНС-индукторы во многих других применениях и устройствах, не описанных подробно на фигуре 43-C.

[00538] Использование материалов с чрезвычайно низким сопротивлением, таких как модифицированные, щелевые и/или новые ЧНС-материалы, описанные здесь, может обеспечить множество преимуществ и выгод системе электропередачи и различным применениям. Например, ЧНС-индукторы могут выполнять функцию ограничения токов повреждения в системе в течение состояний повреждения без добавления импеданса в систему в нормальных рабочих режимах, поскольку они демонстрируют чрезвычайно низкое сопротивление току в системе, помимо других преимуществ.

[00539] В некоторых примерах некоторые или все системы и устройства, описанные здесь, могут использовать недорогие системы охлаждения в вариантах применения, где конкретные ЧНС-материалы, используемые при таком применении, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при температурах ниже температур окружающей среды. Как пояснено здесь, в этих примерах применение может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как система, которая охлаждает ЧНС-индуктор до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре льда, или до других температур, поясненных здесь. Система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материалов, используемых посредством вариантов применения, и/или индукторов, используемых посредством вариантов применения.

[00540] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалисты в данной области техники осознают, что и другие системы, устройства и применения, которые включают в себя индукторы, могут использовать модифицированные, щелевые и/или новые ЧНС-индукторы, описанные здесь.

[00541] В некоторых вариантах реализации индуктор, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00542] Индуктор, содержащий: воздушный сердечник; и модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, по меньшей мере частично окружающей воздушный сердечник; при этом модифицированный ЧНС-элемент сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00543] Аппарат, содержащий: подложку; катушку, заделанную в подложке; и первый магнитный сердечник, размещенный выше поверхности подложки; и компонент охлаждения, выполненный с возможностью поддерживать катушку, заделанную в подложке, при температуре ниже температуры окружения подложки; при этом катушка включает в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала.

[00544] Аппарат, содержащий: магнитный сердечник; и трехмерную катушку, намотанную по меньшей мере частично вокруг магнитного сердечника; при этом трехмерная катушка включает в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала.

[00545] Индуктор, выполненный с возможностью помещения между нагрузкой и линией, причем индуктор содержит: модифицированный ЧНС-материал, имеющий первый слой, сформированный из ЧНС-материала, и второй слой, сформированный из материала, который модифицирует сопротивление ЧНС-материала; при этом индуктор выполнен с возможностью не сопротивляться проходящему через индуктор току при нормальных уровнях нагрузки и сопротивляться проходящему через индуктор току при уровнях нагрузки при повреждениях.

[00546] Система накопления энергии, содержащая: компонент накопления, при этом компонент накопления включает в себя индуктор, сформированный из модифицированной ЧНС-пленки, и выполнен с возможностью накапливать энергию в создаваемом индуктором магнитном поле; компонент регулирования мощности, при этом компонент регулирования мощности выполнен с возможностью регулировать энергию, принимаемую из компонента накопления; и компонент источника питания, при этом компонент источника питания выполнен с возможностью подавать отрегулированную энергию получателю.

[00547] Индуктор, содержащий: подложку; и модифицированную пленку с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), сформированную на поверхности подложки; при этом модифицированная ЧНС-пленка включает в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00548] Трансформатор, содержащий: первичную обмотку, при этом первичная обмотка включает в себя: первый магнитный сердечник; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, имеющей первое число витков и по меньшей мере частично окружающей магнитный сердечник; и вторичную обмотку, при этом вторичная обмотка включает в себя: второй магнитный сердечник; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, имеющей второе число витков и по меньшей мере частично окружающей магнитный сердечник; при этом первый и второй модифицированные ЧНС-элементы сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00549] Индуктор для использования в устройстве обработки сигналов, содержащий: магнитный сердечник; и трехмерную катушку, намотанную по меньшей мере частично вокруг магнитного сердечника; при этом трехмерная катушка включает в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала.

Глава 7. Транзисторы, сформированные из ЧНС-материалов

[00550] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-D по 44-D; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00551] Описываются транзисторы и другие аналогичные устройства, к примеру, логические устройства, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) и/или щелевых ЧНС-материалов. Как пояснено здесь, модифицированные и/или щелевые ЧНС-материалы демонстрируют чрезвычайно низкое сопротивление электрическому заряду (например, потоку электронов) и/или чрезвычайно высокую проводимость электрического заряда при высоких температурах, таких как температуры выше 150 K, при давлениях окружающей среды или стандартных давлениях.

[00552] В некоторых примерах устройства включают в себя переход, сформированный из полупроводникового элемента и ЧНС-элемента. Например, устройства, которые могут использовать такой переход ʺЧНС-элемент - полупроводникʺ, включают в себя переходы Джозефсона, биполярные транзисторы с переходами, полевые транзисторы (FET), усилители, переключатели, логические вентили, микропроцессорные элементы, микропроцессоры и т.д.

[00553] В некоторых примерах ЧНС-материалы изготавливают, исходя из типа материалов, применения модифицированного ЧНС-материала, размера компонента и/или устройства, использующего ЧНС-материал, эксплуатационных требований к компоненту и/или устройству, использующему ЧНС-материал, и т.д. Например, в ходе конструирования и изготовления транзистора материал, используемый в качестве базового слоя электрода на основе ЧНС-материала, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя электрода на основе ЧНС-материала, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00554] Таким образом, в некоторых примерах устройства, которые используют переходы ʺЧНС-материал - полупроводникʺ, могут работать быстрее и надежнее относительно традиционных устройств, поскольку проводящие элементы в этих устройствах не сопротивляются течению тока, помимо прочего. Кроме того, устройства могут конструироваться с меньшим числом элементов, что позволяет снижать связанные с изготовлением затраты, помимо прочего.

[00555] Как описано здесь, некоторые или все модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы могут быть использованы посредством транзисторов и ассоциированных устройств и систем, которые используют переходы, к примеру, переходы, сформированные из по меньшей мере одного проводящего элемента и по меньшей мере одного полупроводника.

[00556] Фигура 37-D является принципиальной схемой, иллюстрирующей переход между элементом с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) и полупроводником. Переход 3700 включает в себя элемент 3710 на основе ЧНС и полупроводник 3720. Полупроводник 3720 может быть сформирован из множества различных известных полупроводниковых материалов, таких как кремний, арсенид галлия (GaAs) и т.д.

[00557] В некоторых примерах устройство 3705 может использовать переход 3700. Переход 3700 ʺЧНС-материал - полупроводникʺ может комбинировать электронные схемы на основе ЧНС и полупроводниковые электронные схемы. Например, переход 3700 может служить комбинированию логических схем на одиночных быстрых квантах магнитного потока (RSFL) с полупроводниковыми схемами. То есть переход 3700 может быть частью полевого транзистора Джозефсона (JoFET) или других транзисторов, которые основываются на эффекте Джозефсона, при котором электрический ток протекает между двумя слабо связанными ЧНС-элементами.

[00558] Фигура 38-D является принципиальной схемой, иллюстрирующей переход 3800 Джозефсона, использующий один или более ЧНС-элементов. Переход 3800 Джозефсона включает в себя первый ЧНС-элемент 3810, соединенный со вторым ЧНС-элементом 3830 полупроводником 3820. Относительный размер элементов может варьироваться согласно применению. То есть в некоторых случаях полупроводник 3820 может быть сформирован с меньшей толщиной или другой геометрией относительно ЧНС-элемента 3810 и/или ЧНС-элемента 3830. Кроме того, ЧНС-элемент 3810 может быть сформирован с определенной толщиной или другой геометрией, которая отличается от толщины и/или другой геометрии полупроводника 3820 и/или ЧНС-элемента 3830.

[00559] Поскольку переход 3800 Джозефсона использует полупроводник 3830 в качестве ʺизолятораʺ между первым ЧНС-элементом 3810 и вторым ЧНС-элементом 3830, переход может действовать в качестве одноэлектронного транзистора, который может выполнять точные измерения, поскольку события переключения в переходе ассоциированы с измерением одиночных флаксонов, помимо прочего.

[00560] Например, переход 3800 Джозефсона может быть использован в компонентах на одиночных быстрых квантах магнитного потока (RSFQ) в качестве кубитов, в детекторах на основе сверхпроводящего туннельного перехода (STJ) в качестве компонентов обнаружения и/или в других применениях.

[00561] В некоторых примерах ЧНС-материалы в переходах 3700, 3800 могут демонстрировать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, ~80-135 K) и температурами окружающей среды (например, ~275K-313K), к примеру, между 150 K и 313 K или выше. В этих примерах ЧНС-элемент и/или устройство на основе ЧНС, использующее такой ЧНС-элемент, может использовать систему охлаждения (не показана), такую как криоохладитель или криостат, используемую для того, чтобы охлаждать ЧНС-элемент до критической температуры используемого устройством типа модифицированного ЧНС-материала. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение ЧНС-элемента до температуры, аналогичной температуре точки кипения фреона, до температуры, аналогичной температуре точки плавления воды, до температуры ниже температуры, которая является температурой окружающей ЧНС-элемент или соответствующее устройство среды, либо до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материала, используемого в ЧНС-элементе и/или устройстве на основе ЧНС.

[00562] Как описано здесь, в некоторых примерах проводящие элементы, сформированные из ЧНС-материалов в устройствах с переходами на основе ЧНС, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления электрическому заряду. Эти проводящие элементы могут быть сформированы из нанопроводов, лент или фольги, проводов и т.д.

[00563] Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения из раствора для того, чтобы формировать ЧНС-материалы. При формировании провода несколько модифицированных ЧНС-пленок могут размещаться сэндвичем друг на друге с образованием провода.

[00564] При формировании ЧНС-провода множественные ЧНС-ленты или фольги могут размещаться сэндвичем друг на друге с образованием макропровода. Например, электрод может включать в себя одну или более ЧНС-лент или фольги.

[00565] В дополнение к ЧНС-проводам, электроды и другие проводящие элементы могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину мене 5 нанометров.

[00566] Таким образом, модифицированные ЧНС-материалы могут быть сформированы в ленты, фольги, стержни, полосы, нанопровода, тонкие пленки и другие формы или структуры, допускающие перемещение или перенос тока из одной точки или местоположения в другую точку или местоположение.

[00567] В некоторых примерах тип материалов, используемых в ЧНС-материалах, может быть определен типом применения, использующего ЧНС-материалы. Например, некоторые применения могут использовать ЧНС-материалы, имеющие ЧНС-слой BSCCO, тогда как некоторые применения могут использовать ЧНС-слой YBCO. То есть ЧНС-материалы, описанные здесь, могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или нанопровода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа устройства или компонента, использующего ЧНС-материалы, помимо прочих факторов.

[00568] Различные процессы изготовления могут использоваться при формировании устройств с переходами на основе ЧНС, описанных здесь. Например, первый слой ЧНС-материала может быть осажден на подложке (такой как полупроводниковая подложка), после чего идет второй слой модифицирующих материалов, осажденный на первый слой. Полупроводниковый элемент может быть помещен рядом с ЧНС-материалами, формируя переход. Конечно, специалисты в данной области техники должны понимать, что могут быть использованы и другие процессы.

[00569] Как пояснено здесь, многие устройства и системы могут использовать, применять и/или содержать переходы на основе ЧНС, к примеру, транзисторы, которые включают в себя компоненты, которые демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления току при высоких температурах или температурах окружающей среды. Следующий раздел описывает несколько примерных устройств, систем и/или вариантов применения. Специалисты в данной области техники поймут, что другие устройства, системы и/или варианты применения также могут использовать переходы на основе ЧНС.

[00570] Фигура 39-D является принципиальной схемой, иллюстрирующей транзистор 3900, использующий полупроводниковый нанопровод и один или более ЧНС-элементов. Транзистор 3900 включает в себя нанопровод 3910, сформированный из полупроводникового материала, первый ЧНС-элемент 3920 и второй ЧНС-элемент 3925. В некоторых случаях ЧНС-элементы 3920, 3925 также являются нанопроводами или другими элементами аналогичного размера.

[00571] При работе сверхпроводящий ток (т.е. ток, протекающий без сопротивления) в первом ЧНС-элементе 3920 проходит через нанопровод 3910 во второй ЧНС-элемент 3925. Приложение напряжения затвора к нанопроводу, к примеру, посредством электрода затвора, возможно сформированного из ЧНС-материалов, позволяет управлять током по мере того, как он проходит через полупроводниковый нанопровод 3910.

[00572] Следовательно, небольшие схемы могут использовать множественные транзисторы 3900, к примеру, массив транзисторов 3900. Например, сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД) может быть сформирован из двух из таких транзисторов 3900 и может использоваться в качестве переключаемого элемента связи между квантовыми битами (кубитами), помимо других вариантов применения.

[00573] Фигуры 40A-D и 40B-D являются принципиальными схемами, иллюстрирующими биполярные транзисторы с переходами, использующие один или более ЧНС-элементов. Фигура 40A-D иллюстрирует биполярный транзистор 4000 с n-p-n-переходом. Биполярный транзистор 4000 с n-p-n-переходом включает в себя электрод 4010 эмиттера, электрод 4012 коллектора и электрод 4014 затвора, некоторые или все из которых сформированы из ЧНС-материалов, таких как модифицированные и/или щелевые ЧНС-материалы, описанные здесь. Между электродом 4010 эмиттера и электродом коллектора 4012 предусмотрен n-p-n-переход, сформированный из первого полупроводника 4020 n-типа, полупроводника 4024 p-типа и второго полупроводника 4022 n-типа.

[00574] Фигура 40B-D иллюстрирует биполярный транзистор 4030 с p-n-p-переходом. Биполярный транзистор 4030 с p-n-p-переходом включает в себя электрод 4040 эмиттера, электрод коллектора 4042 и электрод 4044 затвора, некоторые или все из которых сформированы из ЧНС-материалов, таких как модифицированные и/или щелевые ЧНС-материалы, описанные здесь. Между электродом 4040 эмиттера и электродом коллектора 4042 предусмотрен n-p-n-переход, сформированный из первого полупроводника 4050 n-типа, полупроводника 4054 p-типа и второго полупроводника 4052 n-типа.

[00575] В некоторых примерах биполярный транзистор 4000 с n-p-n-переходом и/или биполярный транзистор 4030 с p-n-p-переходом действующих в качестве токорегулирующих устройств, которые управляют величиной тока, протекающего через переход, относительно величины напряжения смещения, приложенного к их контактному выводу базы, таких как управляемый током переключатель. Поскольку они представляют собой устройства с тремя выводами, они могут влиять на входные сигналы тремя различными способами: (1) обеспечение усиления по напряжению без усиления по току в конфигурации с общей базой, (2) обеспечение усиления по напряжению и току в конфигурации с общим эмиттером и (3) обеспечение усиления по току без усиления по напряжению в конфигурации с общим коллектором. Например, биполярный n-p-n-транзистор 4000 может использоваться в качестве усилителя в случае конфигурации с общим эмиттером.

[00576] Фигура 41-D является принципиальной схемой, иллюстрирующей полевой транзистор (FET), к примеру, полевой транзистор со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (MOSFET), использующий один или более ЧНС-элементов. FET 4100 включает в себя подложку 4110, имеющую исток 4112 с каналом n-типа и сток 4114 с каналом n-типа. FET 4100 также включает в себя электрод 4120 истока, электрод 4122 стока и электрод 4124 затвора, некоторые или все из которых сформированы из ЧНС-материала, такого как модифицированный и/или щелевой ЧНС-материал, описанный здесь. FET 4100 также включает в себя изолирующий слой 4126D, обычно сформированный из оксида, который изолирует электрод 4124 затвора от подложки 4110.

[00577] В ходе работы к электроду 4124 затвора прикладывается положительное напряжение, которое создает электрическое поле в области 4128 канала, что позволяет электронам протекать в области 4128 канала из истока 4112 к стоку 4114. То есть созданное электрическое поле устанавливает полевой эффект, который дает возможность току протекать в устройстве, переключая транзистор во включенное состояние.

[00578] MOSFET-транзисторы обычно используются для того, чтобы усиливать и/или переключать электронные сигналы. Они могут быть выполнены как NMOS- или PMOS-приборы или скомпонованы так, что они образуют схемы с комплементарной структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (КМОП). Далее поясняются примерные устройства, которые могут использовать MOSFET-транзисторы на основе ЧНС, к примеру, в КМОП-схемах.

[00579] Фигура 42-D является принципиальной схемой 4200, иллюстрирующей усилитель, использующий один или более транзисторных элементов на основе ЧНС. Усилитель 4210 включает в себя один или более транзисторов 4220, сформированных по меньшей мере отчасти из ЧНС-компонентов, таких как биполярные транзисторы с переходами, полевые транзисторы и т.д. При работе, усилитель 4210 принимает входной сигнал 4230, усиливает сигнал и создает усиленный выходной сигнал 4240. Усилитель 4210 могут использовать множество типов устройств, включая мобильные устройства, телевизоры, радиостанции, другие устройства, которые обеспечивают обработку сигналов, радиопередачу, воспроизведение звука и т.д.

[00580] В некоторых примерах усилитель, использующий ЧНС-материалы, демонстрирует меньшее рассеяние мощности и работает на более высоких скоростях, чем усилитель с использованием традиционных межсоединений или металлизации. Топология интегральной схемы (ИС) может быть упрощена, поскольку общие эффекты сопротивления уменьшаются или исключаются, помимо прочего.

[00581] Фигура 43-D является принципиальной схемой 4300, иллюстрирующей переключатель, использующий один или более транзисторных элементов на основе ЧНС. Переключатель 4310 включает в себя один или более транзисторов 4315 на основе ЧНС, таких как биполярные транзисторы с переходами на основе ЧНС, полевые транзисторы на основе ЧНС и т.д. При работе в качестве логического вентиля, запоминающего устройства и/или устройства хранения информации, переключатель 4310 принимает входной сигнал 4320, к примеру, входное напряжение, и создает выходной сигнал 4322, как находясь либо во включенном состоянии, которое может быть ассоциировано с ʺ1ʺ в вычислительной логике, либо в выключенном состоянии, которое может быть ассоциировано с ʺ0ʺ в вычислительной логике.

[00582] При работе в источнике питания с переключаемыми режимами переключатель 4310 принимает входной сигнал 4320, к примеру, тип тока, и создает выходной сигнал, который модифицирует тип тока. Например, переключатель 4310 может принимать ток из электросети и регулировать ток для использования определенными устройствами.

[00583] В качестве примера, в переключающем стабилизаторе напряжение постоянного тока (Vin) преобразуется в сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на высокой частоте. Коэффициент длительности ШИМ-сигнала, в общем, задает коэффициент передачи (Vout/Vin). Затем ШИМ-сигнал фильтруется посредством индуктора и конденсатора, давая требуемое выходное напряжение (Vout). Имеется три типа стабилизаторов: понижающий стабилизатор (Vin>Vout) называется импульсным понижающим стабилизатором, повышающий стабилизатор называется импульсным повышающим стабилизатором, а инвертирующий стабилизатор (Vout=-Vin) называется импульсным инвертирующим стабилизатором. Все они могут получить пользу из-за исключения сопротивления в транзисторах, межсоединениях, обмотках индуктора, конденсаторных электродах и/или других элементах на основе ЧНС. Результатом является более высокая эффективность, помимо прочего.

[00584] Переключатель 4310 может быть использован в других применениях, к примеру, в аналого-цифровых преобразователях, цифро-аналоговых преобразователях, микропроцессорах и других логических элементах и т.д. В некоторых случаях использование ЧНС-элементов способствует повышенной эффективности, более высоким тактовым частотам, приводящим к меньшим временам преобразования (АЦП, ЦАП) и/или временам μC, μP вычисления/выборки команд, логике, упрощенной конструкции интегральных схем и другим преимуществам.

[00585] Фигура 44-D является принципиальной схемой, иллюстрирующей микропроцессор 4400, использующий один или более элементов на основе ЧНС. Микропроцессор 4400 включает в себя логический компонент 4410, который включает в себя один или более транзисторов 4415 на основе ЧНС, аккумулятор 4417, счетчик 4420 команд, адресный регистр 4425, модуль 4430 упорядочения контроллера, декодер 4435, регистр 4440 данных, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4450 и/или компоненты 4455 ввода-вывода. Микропроцессор 4400 также включает в себя различные информационные тракты 4460, некоторые или все из которых могут быть сформированы из модифицированных и/или щелевых ЧНС-материалов, описанных здесь. Токопроводящие тракты 4460 могут представлять собой тракт 4462 шины управления, тракты 4464 шины данных, тракты 4466 адресной шины и т.д.

[00586] Формирование логического компонента 4410 и/или некоторых или всех информационных трактов 4460 микропроцессора 4400 ЧНС-материалами, описанными здесь, позволяет микропроцессору 4400 работать более быстро и эффективно, помимо других преимуществ.

[00587] В некоторых примерах переходы ʺЧНС-материал - полупроводникʺ позволяют устройствам, таким как переключатели, усилители, логические устройства, запоминающие устройства и т.д., работать на очень высоких скоростях без необходимости в сложных компонентах и/или архитектурах, поскольку фактически отсутствует задержка распространения сигнала в схемах, использующих ЧНС-межсоединения, достигая высококачественного сигнала на большие расстояния вследствие минимального искажения сопротивления, помимо других преимуществ.

[00588] Конечно, специалисты в данной области техники должны понимать, что и другие системы и устройства могут использовать переходы на основе ЧНС и транзисторы, описанные здесь.

[00589] В некоторых вариантах реализации транзистор, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00590] Устройство с переходом, содержащее: модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и полупроводник, расположенный примыкающим к модифицированному ЧНС-элементу; при этом модифицированный ЧНС-элемент включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00591] Способ формирования перехода, содержащий: формирование модифицированного элемента с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) на подложке; и формирование полупроводника, расположенного примыкающим к модифицированному ЧНС-элементу на подложке.

[00592] Переход, сформированный на подложке, содержащий: первый элемент, состоящий из полупроводникового материала; и второй элемент, сформированный из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление потоку заряда при температурах между 150 K и 313 K.

[00593] Устройство с переходом Джозефсона, содержащее: первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и полупроводник, расположенный между первым модифицированным ЧНС-элементом и вторым модифицированным ЧНС-элементом; при этом первый модифицированный ЧНС-элемент или второй модифицированный ЧНС-элемент включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00594] Способ формирования перехода Джозефсона, содержащий: формирование первого модифицированного элемента с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) на подложке; формирование полупроводника примыкающим к первому модифицированному ЧНС-элементу на подложке; и формирование второго модифицированного элемента с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) рядом с полупроводником на подложке.

[00595] Переход Джозефсона, сформированный на подложке, содержащий: первый элемент, сформированный из материала с чрезвычайно низким сопротивлением; второй элемент, сформированный из полупроводникового материала и размещенный примыкающим к первому элементу; и третий элемент, сформированный из материала с чрезвычайно низким сопротивлением; при этом первый элемент или третий элемент сформирован из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление потоку заряда при температурах между 150 K и 313 K.

[00596] Транзистор, содержащий: первый нанопровод, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); второй нанопровод, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и полупроводниковый нанопровод, имеющий первый конец, соединенный с первым нанопроводом с образованием первого перехода, и второй конец, соединенный со вторым нанопроводом с образованием второго перехода; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00597] Устройство для управления током, содержащее: полупроводниковый нанопровод; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который испускает ток в полупроводниковый нанопровод; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который собирает ток из полупроводникового нанопровода; и элемент управления, который прикладывает напряжение к полупроводниковому нанопроводу, чтобы управлять током в полупроводниковом нанопроводе.

[00598] Транзистор, содержащий: первый переход, сформированный из первого модифицированного нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), помещенного примыкающим к первой области полупроводникового нанопровода; и второй переход, сформированный из второго модифицированного нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), помещенного примыкающим к второй области полупроводникового нанопровода.

[00599] Биполярный транзистор с переходами, содержащий: электрод эмиттера, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); электрод коллектора, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); электрод базы, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); полупроводниковый элемент, имеющий первый конец, соединенный с электродом эмиттера с образованием первого перехода, и второй конец, соединенный с электродом коллектора с образованием второго перехода; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00600] Устройство для управления током, содержащее: полупроводниковый элемент; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который испускает ток в полупроводниковый элемент; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который собирает ток из полупроводникового элемента; и элемент управления, который прикладывает напряжение к полупроводниковому элементу, чтобы управлять током в полупроводниковом элементе.

[00601] Биполярный транзистор с переходами, содержащий: первый переход, сформированный из первого модифицированного элемента с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), помещенного примыкающим к первой области полупроводникового компонента; и второй переход, сформированный из второго модифицированного элемента с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), помещенного примыкающим к второй области полупроводникового компонента.

[00602] Полевой транзистор со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (MOSFET), содержащий: электрод истока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); электрод стока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и электрод затвора, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00603] Устройство для управления током, содержащее: полупроводниковую область; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который обеспечивает источник электронов в полупроводниковый элемент; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который принимает электроны из полупроводникового элемента; и элемент управления, который прикладывает напряжение к полупроводниковому элементу, чтобы управлять потоком электронов в полупроводниковом элементе.

[00604] Электрод, предназначенный для использования в полевом транзисторе со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (MOSFET), причем электрод содержит: слой материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00605] Переключатель, содержащий: полевой транзистор со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (MOSFET), содержащий: электрод истока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); электрод стока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и электрод затвора, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00606] Логическое устройство, содержащее: полупроводниковую область; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который обеспечивает источник электронов в полупроводниковый элемент; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который принимает электроны из полупроводникового элемента; и элемент управления, который прикладывает напряжение к полупроводниковому элементу, чтобы управлять потоком электронов в полупроводниковом элементе; при этом фактический поток электронов указывает первое логическое состояние, соответствующее 1, а отсутствие потока электронов указывает второе логическое состояние, соответствующее 0.

[00607] Переключатель, содержащий: эмиттер, выполненный с возможностью испускать один или более электронов в полупроводниковый элемент; и коллектор, выполненный с возможностью собирать один или более электронов из полупроводникового элемента; при этом эмиттер или коллектор включают в себя модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[00608] Усилитель, содержащий: полевой транзистор со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (MOSFET), содержащий: электрод истока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); электрод стока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и электрод затвора, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00609] Усилитель, содержащий: эмиттер, выполненный с возможностью испускать один или более электронов в полупроводниковый элемент; и коллектор, выполненный с возможностью собирать один или более электронов из полупроводникового элемента; при этом эмиттер или коллектор включают в себя модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[00610] Способ усиления сигнала, при этом способ содержит: прием тока в эмиттере; испускание электронов в полупроводниковый элемент на основе принятого тока; приложение напряжения к испускаемому току, что позволяет достигать усиления напряжения или тока относительно принятого тока; и сбор усиленного тока в электроде коллектора, сформированном из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[00611] Усилитель, содержащий: полевой транзистор со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (MOSFET), содержащий: электрод истока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); электрод стока, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и электрод затвора, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и систему охлаждения, выполненную с возможностью поддерживать температуру MOSFET при определенной температуре ниже температуры окружающей среды, окружающей MOSFET; при этом модифицированный ЧНС-материал включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00612] Устройство с переходом, содержащее: модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и полупроводник, расположенный примыкающим к модифицированному ЧНС-элементу; и компонент охлаждения, который поддерживает модифицированный ЧНС-элемент при температуре, при которой модифицированный ЧНС-элемент распространяет заряд при чрезвычайно низком сопротивлении; при этом модифицированный ЧНС-элемент включает в себя слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, который модифицирует одну или более рабочих характеристик слоя ЧНС-материала.

[00613] Устройство для управления током, причем устройство содержит: полупроводниковую область; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который обеспечивает источник электронов в полупроводниковый элемент; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который принимает электроны из полупроводникового элемента; элемент управления, который прикладывает напряжение к полупроводниковому элементу, чтобы управлять потоком электронов в полупроводниковом элементе; и температурный компонент, который поддерживает первый ЧНС-элемент, второй ЧНС-элемент или третий ЧНС-элемент при температуре ниже температуры окружающей устройство среды.

[00614] Устройство хранения информации, содержащее: область запоминания; первый модифицированный ЧНС-элемент, который обеспечивает источник электрического заряда в область запоминания; второй модифицированный ЧНС-элемент, который принимает электрический заряд из области запоминания.

[00615] Запоминающее устройство, содержащее: полупроводниковую область; первый модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который обеспечивает источник электронов в полупроводниковый элемент; второй модифицированный элемент с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), который принимает электроны из полупроводникового элемента; и элемент управления, который прикладывает напряжение к полупроводниковому элементу, чтобы управлять потоком электронов в полупроводниковом элементе; при этом фактический поток электронов указывает первое логическое состояние, соответствующее 1, а отсутствие потока электронов указывает второе логическое состояние, соответствующее 0.

Глава 8. Интегральные схемы, сформированные из ЧНС-материалов

Часть A. Устройства на интегральных схемах

[00616] Этот раздел описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-E по 45-E; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00617] Описываются компоненты интегральной схемы, которые формируются из модифицированных материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). Модифицированный ЧНС-материал может быть, например, пленкой, лентой, фольгой или нанопроводом. Тем не менее, для простоты описания, в случае приведенных здесь примеров предполагается, что модифицированный ЧНС-материал является пленкой, хотя могут быть использованы другие варианты реализации. Модифицированные ЧНС-материалы оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики интегральных схем при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[00618] В некоторых примерах модифицированные ЧНС-пленки изготавливают, исходя из используемого в интегральной схеме типа материалов, применения модифицированной ЧНС-пленки, размера компонента, использующего модифицированную ЧНС-пленку, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей модифицированную ЧНС-пленку, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления интегральной схемы материал, используемый в качестве базового слоя модифицированной ЧНС-пленки, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя модифицированной ЧНС-пленки, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00619] Фигура 37-E является принципиальной схемой, иллюстрирующей вид в сечении токопроводящего пути 3700E, сформированного, по меньшей мере частично, из модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов, таких как ЧНС-материалы, имеющие базовый слой 3704 ЧНС-материала и модифицирующий слой 3706, сформированный на базовом слое 3704. Хотя различные примеры изобретения описываются в отношении ʺмодифицированных ЧНС-материаловʺ и/или различных конфигураций модифицированных ЧНС-материалов (например, модифицированных ЧНС-пленок и т.д.), как будет понятно, может быть использован любой из улучшенных ЧНС-материалов, описанных здесь, включая, например, модифицированные ЧНС-материалы (например, модифицированный ЧНС-материал 1060 и т.д.), щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы в соответствии с различными аспектами изобретения. Как описано здесь, помимо других аспектов, эти улучшенные ЧНС-материалы имеют по меньшей мере одну улучшенную рабочую характеристику, которая в некоторых примерах включает в себя работу в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K.

[00620] Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки подробно описываются здесь. Такой токопроводящий путь, при реализации в интегральной схеме, может быть использован, например, для распределения питания и распространения сигналов между схемными компонентами в микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, процессорах цифровых сигналов (ПЦС), системах на кристалле (SoC), контроллерах накопителей на дисках, запоминающих устройствах, специализированных интегральных схемах (ASIC), специализированных микросхемах для массового производства (ASSP), программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA) или практически в любой другой полупроводниковой интегральной схеме.

[00621] Как показано в примере по фигуре 37-E, токопроводящий путь включает в себя базовый слой 3704 ЧНС-материала и модифицирующий слой 3706, сформированный на базовом слое 3704. Токопроводящий путь может быть сформирован на подложке 3702, например, на кремниевой подложке интегральной схемы. Токопроводящий путь также может быть сформирован поверх других слоев ИС. Будучи сформированным из модифицированной ЧНС-пленки, токопроводящий путь 3700 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока в токопроводящем пути при температурах выше температур, используемых в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температурах окружающей среды (~21°C).

[00622] Материал или размеры подложки 3702 могут быть выбраны на основе множества факторов. Например, выбор материала подложки, имеющего более высокую диэлектрическую постоянную, будет обычно уменьшать емкость, наблюдаемую на линии передачи, и тем самым снижать мощность, необходимую для того, чтобы возбуждать сигнал. Специалисты в данной области техники поймут, что подложка может быть сформирована из ряда различных материалов и с рядом различных форм, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[00623] В некоторых примерах модифицированный токопроводящий ЧНС-путь оказывает чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, могут быть в диапазоне от ~80 до ~135 K) и комнатными температурами (~294 K). В этих примерах токопроводящий путь может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как криоохладитель или криостат, используемую для того, чтобы охлаждать токопроводящий путь 3700 до критической температуры используемого в токопроводящем пути 3700 типа модифицированной ЧНС-пленки. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение токопроводящего пути до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре замороженной воды, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированной ЧНС-пленки, используемой для токопроводящего пути 3700.

[00624] Фигура 38-E является принципиальной схемой, которая представляет примерную модель токопроводящего пути, сформированного из модифицированной ЧНС-пленки. Модель включает в себя вход (I) и выход (O). R_I и R_O соответствуют соответственным сопротивлениям соединительных материалов на входном и выходном конце токопроводящего пути, сформированного из модифицированной ЧНС-пленки. R_V1, R_V2, R_V3 и R_V4 соответствуют сопротивлениям сквозных межсоединений и/или других соединений от внутреннего токопроводящего пути к внешней оболочке токопроводящего пути. R_W1 и R_W2 соответствуют сопротивлениям внутреннего токопроводящего пути модифицированной ЧНС-пленки. R_S1-R_S4 и C_S1-C_S5 соответствуют модели линии передачи внешней оболочки токопроводящего пути. Элементы, обведенные пунктирной линией 3802, могут быть последовательно дублированы в позиции P для каждого сквозного межсоединения (или другого соединения) на токопроводящем пути. Примерная модель по фигуре 38-E показывает ветвь B₁, которая соединяется со сквозным межсоединением (представленным посредством R_V4), и целевой последовательный путь к выходу O_I. В некоторых примерах модель может включать в себя большее число элементов, включающих в себя индукторы.

[00625] Вследствие чрезвычайно низкого сопротивления (представленного как R_W1 и R_W2 в модели) токопроводящего пути, сформированного из модифицированной ЧНС-пленки, сигнал, распространяющийся на токопроводящем пути, имеет постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю. Сигнал распространяется через кристаллическую структуру модифицированной ЧНС-пленки аналогичным волноводу образом, не встречая препятствий в виде емкости внешней среды. Тем не менее, сигнал также распространяется по наружной оболочке модифицированной ЧНС-пленки, которая испытывает нормальное сопротивление (представленное как R_S1-R_S4 в модели) и емкость (представленную как C_S1-C_S5 в модели) окружающей среды. Таким образом, сигнал, распространяющийся через кристаллическую структуру модифицированной ЧНС-пленки, может достигать целевого узла и изменять напряжение узла до того, как наружная оболочка полностью достигает своего измененного напряжения.

[00626] Как пояснено здесь, многие устройства и системы на интегральных схемах могут использовать, применять и/или включать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, которые демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при высоких температурах или температурах окружающей среды. В общем, устройство или система, которая предоставляет путь для тока электронов, может включать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, как описано здесь. Следующий раздел описывает несколько примерных устройств, систем и/или вариантов применения. Специалисты в данной области техники поймут, что другие устройства, системы и/или варианты применения также могут использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути.

[00627] В некоторых примерах разводка для защиты от электростатических разрядов (ЭСР) интегральной схемы может использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, как описано здесь. Фигура 39-E является схемой примерной интегральной схемы, включающей в себя разводку для ЭСР-защиты, сформированную из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей. Как показано на фигуре 39-E, модифицированный ЧНС-материал используется для того, чтобы реализовывать токопроводящий путь 3902, который устанавливает соединение между обычным путем 3904 прохождения сигналов (который соединяется с контактной площадкой 3914 для ввода-вывода интегральной схемы) и схемой 3906 ЭСР-защиты. Модифицированный ЧНС-материал также может быть использован с токопроводящим путем 3908, который соединяется между схемой 3906 ЭСР-защиты и землей 3910. Поскольку в некоторых примерах модифицированный токопроводящий ЧНС-путь может быть направленным, т.е. ток протекает вдоль конкретной плоскости модифицированного ЧНС-материала, сеть ЭСР-защиты по фигуре 39-E может использовать два практически ортогональных слоя, соединенных между собой сквозными межсоединениями, такими как сквозное межсоединение 3912, чтобы направлять ЭСР на землю. В других примерах обычный путь 3904 прохождения сигналов также может быть сформирован из модифицированного ЧНС-материала.

[00628] Современные технологии изготовления интегральных схем, при меньшем размере элемента, становятся гораздо более уязвимыми для ЭСР, и изготовители должны разрабатывать технологии по совершенствованию ЭСР-защиты. В традиционной технологии по смягчению отрицательных последствий событий ЭСР имеются две проблемы. Первая заключается в быстром обнаружении события ЭСР, а вторая - в проведении заряда через различные схемы с разводкой за ограниченное время до того, как заряд может увеличивать напряжение до достижения порогового значения повреждения. Соответствующих классов защиты трудно добиться с использованием традиционных материалов, поскольку меньшие транзисторы современных интегральных схем имеют более низкое напряжение пробоя.

[00629] Реализация сети ЭСР-защиты на основе модифицированных ЧНС-материалов обеспечивает достаточные классы защиты по защите от ЭСР. Во-первых, поскольку токопроводящий путь 3902 между обычным путем прохождения сигналов и схемой ЭСР-защиты реализуется с использованием модифицированного ЧНС-материала, ЭСР-сигнал имеет постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю. Это дает возможность схеме 3906 ЭСР-защиты обнаруживать событие ЭСР почти мгновенно. Сеть ЭСР-защиты на основе модифицированных ЧНС-материалов может обеспечивать крайне быструю реакцию на восприятие события ЭСР и инициирование защиты, в дополнение к обеспечению токопроводности при событии ЭСР, направлению ЭСР в надлежащим образом сконструированные пути (например, в токопроводящий путь 3908) до того, как заряд может вызывать увеличение напряжения до уровня, который повреждает схемные структуры. Класс напряжения ЭСР-защиты является прямо пропорциональным тому, насколько быстро схемы ЭСР-защиты реагируют на событие ЭСР. Например, схема ЭСР-защиты с использованием традиционных материалов типично имеет класс по модели человеческого тела (HBM) в 2000 В, в то время как схема ЭСР-защиты с использованием токопроводящих путей, сформированных из модифицированных ЧНС-материалов, может легко достигать класса по HBM в 16000 В, поскольку реакция ускоряется в восемь раз или больше.

[00630] Сеть ЭСР-защиты от модифицированных токопроводящих ЧНС-путей может быть реализована, например, в: микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, ПЦС, SoC, контроллерах накопителей на дисках, запоминающих устройствах, ASIC, ASSP, FPGA, нейронных сетях, матрицах датчиков, МЭМС и, в общем, в любой другой полупроводниковой интегральной схеме.

[00631] В некоторых примерах сопротивление модифицированных токопроводящих ЧНС-путей может быть изменено, чтобы создавать резисторы в заданных местоположениях. Резисторы могут быть использованы в качестве компонентов в цепях интегральной схемы. Например, резисторы могут быть использованы в аналоговых интегральных схемах, таких как фильтры и усилители. Синхронизация цифровых схем может быть модифицирована посредством добавления сопротивления в сеть синхросигналов. Целостность сигнала в критических областях может быть повышена посредством вставки дополнительного сопротивления в токопроводящем пути, который переносит сигнал.

[00632] Фигура 40-E является схемой примерного программируемого лазером элемента на токопроводящем пути, сформированном из модифицированного ЧНС-материала. Модифицированный токопроводящий ЧНС-путь 4002 по фигуре 40-E включает в себя модифицированную лазером секцию 4006. Кристаллы интегральной схемы типично имеют пассивирующий слой на поверхности кристалла. В некоторых примерах этот пассивирующий слой удаляют, создавая отверстие 4004, чтобы подвергать модифицированный токопроводящий ЧНС-путь воздействию лазера. Когда модифицированная лазером секция 4006 подвергается воздействию лазера, сопротивление секции увеличивается относительно окружающего токопроводящего пути. В некоторых примерах энергия из лазера реорганизует молекулярную структуру токопроводящего пути в модифицированной лазером секции таким образом, что кристаллическая структура модифицированного ЧНС-материала более не действует в качестве волновода. В других примерах модифицирующий слой модифицированного ЧНС-материала подвергается абляции лазером, и пониженное сопротивление, которому способствует модифицирующий слой, теряется. В других примерах как модифицирующий слой модифицированного ЧНС-материала подвергается абляции, так и молекулярная структура токопроводящего пути изменяется лазером.

[00633] Размеры модифицированной лазером секции задают сопротивление, которое секция оказывает в модифицированном токопроводящем ЧНС-пути. Модифицированная лазером секция модифицированного токопроводящего ЧНС-пути может обеспечивать ʺвставкуʺ резистора в схемы после того, как схема изготовлена, и может быть особенно ценной для аналоговых схем, а также осцилляторов ʺтонкой подстройкиʺ для изменения тактовых частот в кристаллах. В некоторых примерах линейно непрерывная длина модифицированного токопроводящего ЧНС-пути может быть изменена таким образом, чтобы обеспечить требуемое сопротивление. В других примерах несколько дискретных секций модифицированного токопроводящего ЧНС-пути могут модифицироваться лазером таким образом, чтобы обеспечить полное последовательное сопротивление.

[00634] Например, фигура 41-E является схемой примерного многобитового программируемого лазером элемента на токопроводящем пути, сформированном из модифицированного ЧНС-материала. Фигура 41-E иллюстрирует модифицированные токопроводящие ЧНС-пути 4102-4108, имеющие различные сопротивления, которые состоят из ряда дискретных модифицированных лазером секций. Как описано выше, в некоторых примерах предусмотрено отверстие 4410 в пассивирующем слое для того, чтобы подвергать токопроводящие пути воздействию лазера. Токопроводящий путь 4102 включает в себя одноэлементное сопротивление 4112, как пояснено выше со ссылкой на фигуру 40-E. Токопроводящий путь 4104 включает в себя две дискретных модифицированных лазером секции 4114 и 4116, которые суммируются, обеспечивая полное сопротивление на токопроводящем пути 4104. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что различные конфигурации и размеры модифицированных лазером секций могут быть скомбинированы таким образом, чтобы обеспечить требуемое сопротивление на токопроводящем пути. Как будет понятно, другие механизмы программирования, такие как ионно-лучевые и электронно-лучевые, могут быть подходящими для программирования модифицированных токопроводящих ЧНС-путей в определенных вариантах применения.

[00635] В некоторых примерах сопротивление модифицированных токопроводящих ЧНС-путей может быть временно изменено за счет присутствия магнитного поля. ЧНС-состояние модифицированного ЧНС-материала не может существовать при наличии магнитного поля, большего, чем критическое значение, даже при столь низких температурах, как абсолютный нуль. Это критическое магнитное поле сильно коррелируется с критической температурой у модифицированного ЧНС-материала. В некоторых примерах модифицированные ЧНС-материалы показывают два значения критического магнитного поля, одно в начале смешанного ЧНС- и нормального состояния, и одно там, где ЧНС прекращается. Свойство смешанного ЧНС-состояния может быть использовано для того, чтобы реализовывать сопротивления с варьирующимся значением посредством варьирования магнитного поля.

[00636] Фигура 42-E является принципиальной схемой, иллюстрирующей вид в сечении примерной интегральной схемы, имеющей магнитно программируемый элемент на токопроводящем пути, сформированном из модифицированного ЧНС-материала. Интегральная схема включает в себя полупроводниковую подложку 4201; диэлектрический материал 4202; слои 4203, 4205, 4207, 4210, 4212, 4214, 4216 и 4218 межкомпонентных соединений; слои 4204, 4206, 4208, 4211, 4213, 4215 и 4217 сквозных межсоединений; и пустоту 4219, которая задает магнитно программируемый элемент 4220. В некоторых примерах по меньшей мере слой 4212 межкомпонентных соединений сформирован из модифицированного ЧНС-материала.

[00637] Когда примерная интегральная схема по фигуре 42-E подвергается воздействию магнитного поля, которое сильнее критического магнитного поля, сопротивление слоя 4212 межкомпонентных соединений увеличивается. Слои 4209 межкомпонентных соединений выше слоя 4212 межкомпонентных соединений действуют в качестве экрана для магнитного поля, так что пустота 4219 в экранирующих слоях 4209 задает магнитно программируемый элемент 4220. В некоторых примерах несколько пустот могут задавать несколько магнитно программируемых элементов. В одном примере каждый из нескольких магнитно программируемых элементов может быть подвергнут воздействию магнитных полей различной интенсивности, чтобы создавать различные иные сопротивления.

[00638] Магнитно программируемый элемент в интегральной схеме может иметь множество вариантов использования. Например, элементы могут быть использованы в аналоговых интегральных схемах в качестве резисторов, которые могут динамически добавляться, удаляться и/или регулироваться. Синхронизация цифровых схем может регулироваться посредством добавления, удаления и/или регулирования сопротивления путем подвергания магнитно программируемого элемента воздействию магнитного поля. Целостность сигнала в критических областях может быть повышена посредством вставки дополнительного сопротивления путем подвергания токопроводящего пути, который переносит сигнал, воздействию магнитного поля. Магнитно программируемый элемент или матрица магнитно программируемых элементов могут быть использованы для того, чтобы измерять магнитное поле аналогично тому, как терморезистор используется для того, чтобы измерять температуру.

[00639] Магнитное поле может обеспечиваться устройством, установленным около магнитно программируемого элемента. Например, это устройство может быть постоянным магнитом или электромагнитом. Фигура 43-E является схемой примерного магнитно программируемого элемента, активированного ячейкой магниторезистивного оперативного запоминающего устройства (MRAM). В примере по фигуре 43-E токопроводящий путь 4302 модифицированного ЧНС-материала сформирован около MRAM-ячейки 4304. Хотя источник магнитного поля 4308 в нижеприведенном примере по фигуре 43-E и фигуре 44-E описывается как представляющий собой MRAM-ячейки, любой источник магнитного поля, такой как ЧНС-датчик/антенна, описанный в приложении A, может быть использован для того, чтобы формировать магнитное поле.

[00640] MRAM-ячейка имеет по меньшей мере два состояния, и созданное MRAM-ячейкой магнитное поле может варьироваться в зависимости от состояния. MRAM-ячейка находится в достаточной близости к токопроводящему пути 4302, так что созданное MRAM-ячейкой магнитное поле выше критического магнитного поля для токопроводящего пути при по меньшей мере одном состоянии MRAM-ячейки. В некоторых примерах ширина токопроводящего пути около MRAM-ячейки уменьшается, например, секция 4306 уменьшенной ширины. Это уменьшение по ширине может влиять на критическое магнитное поле, требуемое для того, чтобы изменять сопротивление секции уменьшенной ширины.

[00641] В некоторых примерах несколько MRAM-ячеек могут быть распределены или локализованы вдоль токопроводящего пути, чтобы реализовывать несколько резисторов с варьирующимся сопротивлением. Фигура 44-E является примерной схемой нескольких MRAM-ячеек, распределенных вдоль модифицированного токопроводящего ЧНС-пути. Как показано на фигуре 44-E, каждый токопроводящий путь 4402-4408 имеет несколько MRAM-ячеек, которые могут создавать магнитное поле для сегмента токопроводящего пути. Каждая MRAM-ячейка может быть избирательно активирована, за счет этого обеспечивая переменность сопротивления токопроводящего пути. Например, MRAM-ячейка 4410 находится в первом состоянии, которое создает магнитное поле выше критического магнитного поля для сегмента 4412 модифицированного токопроводящего ЧНС-пути 4402. MRAM-ячейка 4411 находится во втором состоянии, которое не создает магнитного поля выше критического магнитного поля для сегмента 4413 модифицированного токопроводящего ЧНС-пути 4402.

[00642] Несколько сегментов модифицированного токопроводящего ЧНС-пути могут быть подвергнуты воздействию магнитных полей, создавая несколько значений сопротивления. Например, MRAM-ячейки 4414 и 4416 могут как быть в первом состоянии, так и создавать критическое магнитное поле для сегментов 4418 и 4420 на модифицированном токопроводящем ЧНС-пути 4404. Любое число сегментов варьирующейся длины может быть скомбинировано, чтобы создавать почти безграничные возможные сопротивления, получаемые на токопроводящем пути. Эта компоновка из множественных MRAM-ячеек или других источников магнитного поля может быть использована, например, в фильтрах для того, чтобы создавать адаптивный фильтр, в котором сопротивление фильтра может модифицироваться. Компоновка также может быть использована для того, чтобы регулировать импеданс линии передачи для целей согласования.

[00643] В некоторых примерах сегмент модифицированного токопроводящего ЧНС-пути может быть использован в качестве токоограничивающего устройства посредством модификации размеров сегмента таким образом, что ток, протекающий через токопроводящий путь, превышает критический ток в модифицированном сегменте. Например, фигура 45-E является схемой модифицированного токопроводящего ЧНС-пути 4502 с сегментом 4504 ограничения по току. Хотя пример по фигуре 45-E включает в себя сегмент меньшей ширины модифицированного ЧНС-материала, специалисты в данной области техники поймут, что могут изменяться другие размеры модифицированного ЧНС-материала. Например, сегмент модифицированного ЧНС-материала может быть сформирован более тонким, или многослойный модифицированный ЧНС-материал может иметь меньше слоев.

[00644] В некоторых примерах несколько элементов могут быть созданы на модифицированном токопроводящем ЧНС-пути. Посредством расчета конкретной ширины и толщины, требуемой для каждого конкретного элемента, может достигаться конкретный критический ток в каждом конкретном случае. Каждый конкретный элемент работает с пренебрежимо малым сопротивлением в случае нормального использования, когда ток ниже критического тока, но для того, чтобы удовлетворять некоторым разработанным стратегиям (например, уменьшения отрицательных последствий повреждения или для других требуемых условий), когда ток превышает конкретный критический ток сегмента, сегмент становится более резистивным, чем остальная часть токопроводящего пути. Как описано выше, сопротивление сегмента может быть задано толщиной, шириной и/или длиной сегмента.

[00645] В некоторых примерах могут использоваться транзисторы или переключатели на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) для того, чтобы инициироваться, когда критический ток достигается в конкретном сегменте токопроводящего пути. Например, МЭМС-переключатель может быть настроен направлять ток через сегмент ограничения по току в ответ на определенные условия, а в противном случае направлять ток через альтернативный путь.

[00646] В некоторых примерах некоторые или все системы и устройства, описанные здесь, могут использовать недорогие системы охлаждения в тех применениях, где конкретные модифицированные ЧНС-материалы, используемые в таком применении, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при температурах ниже температур окружающей среды. Как пояснено, в этих примерах применение может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как система, которая охлаждает модифицированный токопроводящий ЧНС-путь до температуры, аналогичной точке кипения жидкого фреона, до температуры, аналогичной точке плавления воды, или до других температур, поясненных здесь. Система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материалов, используемых при таком применении.

[00647] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалисты в данной области техники осознают, что и другие системы, устройства и применения интегральных схем могут использовать токопроводящие ЧНС-пути, описанные здесь.

Часть B. Интегральные схемы и МЭМС-устройства

[00648] Этот раздел описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-F по 45-F; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00649] Различные варианты реализации изобретения в общем относятся к межсоединениям с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), таким как межсоединения, включающие модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы. В некоторых вариантах реализации ЧНСМ может иметь первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. ЧНСМ может быть использовано во множестве систем и способов для того, чтобы создавать различные улучшения. Некоторые примеры, в которых обеспечиваются различные эффективности, включают в себя, но не ограничиваясь ими, системы и способы с использованием ЧНСМ для соединения микроэлектромеханических систем (МЭМС) с аналоговой схемой на полупроводниковой интегральной схеме (ИС), системы и способы с использованием ЧНСМ для соединения нескольких МЭМС между собой на ИС или на монтажной подложке ИС, системы и способы использования ЧНСМ для пассивных компонентов, используемых с МЭМС на полупроводниковой ИС или на монтажной подложке, и системы и способы с использованием ЧНСМ для соединения МЭМС с другими схемами на монтажной подложке ИС или системе в одном корпусе (SiP).

[00650] Некоторые варианты реализации предусматривают системы и способы с использованием ЧНСМ для того, чтобы соединять МЭМС с аналоговыми схемами на полупроводниковой ИС. Различные варианты реализации используют материал ЧНСМ для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для распространения сигналов между функциями аналоговых схем и МЭМС-элементами. Эти токопроводящие пути могут иметь пренебрежимо малое сопротивление и иметь постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю. По сути, задержка сигналов и ток возбуждения при электрических взаимодействиях могут быть значительно уменьшены.

[00651] В соответствии с различными вариантами реализации, материал ЧНСМ также может быть использован для того, чтобы соединять несколько МЭМС между собой на ИС, на монтажной подложке ИС или в другом месте в корпусе ИС. Например, материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для распространения сигналов между различными МЭМС-схемами на ИС. Эти токопроводящие пути, соединяющие различные МЭМС, могут комбинировать или компенсировать различные параметры или атрибуты МЭМС, создавая сеть МЭМС или виртуальную множественную МЭМС в том смысле, что они электрически действуют в качестве одной МЭМС при наличии нескольких и возможно переменных параметров или атрибутов.

[00652] В одном или более вариантов реализации ЧНСМ может быть использовано в пассивных компонентах в МЭМС на полупроводниковой ИС или на монтажной подложке. Например, в некоторых вариантах реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать пассивные компоненты и/или токопроводящие пути между пассивными компонентами и другими схемами. Токопроводящие пути обеспечивают возможность распространения сигналов с пренебрежимо малым сопротивлением и с постоянной времени задержки фронта волны, приближающейся к нулю. Использование материала ЧНСМ значительно уменьшает задержку сигналов и ток возбуждения при электрических взаимодействиях. Кроме того, эти пассивные ЧНСМ-компоненты и соединения иногда могут включать в себя МЭМС-элементы, включающие в себя ЧНСМ в качестве части МЭМС-структуры.

[00653] Помимо этого, различные варианты реализации изобретения предусматривают системы и способы с использованием ЧНСМ для соединения МЭМС с другими схемами на монтажной подложке ИС или системе в одном корпусе (SiP). В некоторых из этих вариантов реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для распространения сигналов между МЭМС-элементами и компонентами функции схемы, которые могут иметь множество положительных результатов. Например, токопроводящие пути могут иметь пренебрежимо малое сопротивление и постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю, тем самым значительно уменьшая задержку сигналов и ток возбуждения при электрических взаимодействиях.

[00654] ЧНСМ может быть изготовлено, исходя из типа материалов, применения ЧНСМ, размера компонента, использующего ЧНСМ, эксплуатационных требований устройству или машине, использующей ЧНСМ, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления материал, используемый в качестве базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик. Хотя различные надлежащие геометрии и конфигурации показаны и описаны здесь для схемы размещения и/или расположения модифицированного ЧНС, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине в дополнение к отличиям в толщине материалов, использованию различных слоев, ЧНС-пленкам, имеющим несколько смежных модифицирующих слоев, нескольким ЧНС-пленкам, модифицированным единственным модифицирующим слоем, и другим трехмерным структурам. Таким образом, любой подходящий модифицированный ЧНС может быть использован в зависимости от требуемых применения и/или свойств.

[00655] На фигурах размеры различных проиллюстрированных элементов или компонентов и поперечные размеры и толщины различных слоев не обязательно нарисованы в масштабе, и эти различные элементы могут быть произвольно увеличены или уменьшены для того, чтобы повысить понятность. Кроме того, сведения о компонентах абстрагированы на фигурах, чтобы исключать такие подробности, как точная геометрическая форма или размещение компонентов, а также определенные точные соединения между такими компонентами, если такие подробности являются лишними для подробного описания изобретения. Если такие подробности являются лишними для понимания изобретения, показанные характерные геометрии, межсоединения и конфигурации имеют намерение иллюстрировать общие принципы разработки или принципы действия, а не быть исчерпывающими.

[00656] Фигура 37-F является схематическим видом, иллюстрирующим возможную схемную конструкцию, соединяющую МЭМС 3710a-3710d с аналоговыми схемами 3720a-3720d с использованием традиционных межсоединений, к примеру, 3730. Во многих схемных конструкциях аналоговые схемы 3720a-3720d взаимодействуют и измеряют различные параметры МЭМС. Тем не менее, качество любого измерения ухудшается из-за паразитного сопротивления соединений, ограничивающего точность сигналов. Как показано на фигуре 37-F, несколько аналоговых схем 3720a-3720d требуются для того, чтобы усиливать сигналы, сгенерированные при преобразовании механической энергии в электроэнергию в МЭМС, а также компенсировать паразитные потери, испытываемые сигналами, распространяющимися через резистивные проводники 3760, предоставляющие сигнал(ы) в компонент 3740 в традиционной технологии. Типично, лучшая функциональность обеспечивается тогда, когда аналоговые схемы размещены в непосредственной близости к МЭМС. В некоторых случаях, тем не менее, МЭМС 3710a-3710d не может находиться близко к аналоговым схемам 3720a-3720d по другим причинам конструирования и изготовления. Как результат, возникает сниженная производительность в результате паразитных явлений в соединениях, возникающих вследствие традиционных токопроводящих путей, и дополнительные конструктивные соображения требуются для соответствующей производительности. Аналогично, когда МЭМС соединяется с другими схемами и/или другими компонентами, может возникать аналогичное ухудшение характеристик, когда используются традиционные проводящие межсоединения.

[00657] Некоторые варианты реализации изобретения предусматривают системы и способы с использованием ЧНСМ для того, чтобы соединять МЭМС с аналоговыми схемами на ИС. Например, ЧНСМ может быть использовано для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для распространения сигналов между функциями аналоговых схем и МЭМС-элементами. Эти токопроводящие пути могут иметь пренебрежимо малое сопротивление и могут иметь постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю. По сути, задержка сигналов и ток возбуждения при электрических взаимодействиях могут быть значительно уменьшены. Помимо этого, производительность и точность зачастую превосходят производительность и точность при использовании традиционных токопроводящих путей из-за уменьшенного паразитного сопротивления соединений с МЭМС-схемами. Соответственно, использование ЧНСМ для того, чтобы соединять МЭМС с компонентами (например, аналоговыми схемами и/или другими схемами), может обеспечивать возможность соединения компонентов с МЭМС-схемами фактически независимо от их местоположения.

[00658] Фигура 38-F является схематическим видом, иллюстрирующим использование ЧНСМ для того, чтобы соединять МЭМС с одной или более аналоговых схем на ИС. В соответствии с различными вариантами реализации, ЧНСМ, к примеру, 3830, для соединения МЭМС-схем 3810a-3810d с аналоговой схемой 3820 из блока 3840 аналоговых схем, может быть реализовано фактически на любой полупроводниковой ИС с МЭМС-структурами и аналоговыми схемами. Аналоговые схемы могут взаимодействовать и измерять параметры МЭМС. Тем не менее, при традиционных межсоединениях качество любого измерения ухудшается вследствие паразитных явлений в соединениях и ограничивает точность. Как будет понятно, использование ЧНСМ 3830 может обеспечивать возможность соединения аналоговой схемы 3820 с МЭМС-схемами 3810a-3810d фактически независимо от их местоположения и без существенного или значительного паразитного сопротивления и дополнительно может уменьшать сложность требуемой схемной конструкции. Выход каждой аналоговой схемы 3820 может соединяться через другое ЧНСМ 3860 с линией 3850 возбуждения.

[00659] В некоторых вариантах реализации изобретения предусмотрена ИС, которая включает в себя один или более токопроводящих путей, МЭМС и набор схем (например, аналоговую схему), соединенных с МЭМС через один или более токопроводящих путей. В некоторых вариантах реализации один или более токопроводящих путей составлены из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала (например, YBCO, BSCCO или т.п)., и второй слой, состоящий из модифицирующего материала (например, хрома, меди, висмута, кобальта, ванадия, титана, родия, бериллия, галлия, селена, серебра или т.п)., связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В некоторых вариантах реализации ИС может иметь несколько уровней межсоединения, причем каждый уровень отделен от смежных уровней изолирующим диэлектриком, имеющим сквозные межсоединения, сформированные с возможностью электрически соединять смежные уровни межсоединения так, как требуется для того, чтобы продолжать токопроводящие пути. Слои и каждый из нескольких уровней межсоединения могут включать в себя по меньшей мере один из упомянутых одного или более токопроводящих путей. В соответствии с некоторыми вариантами реализации, ЧНСМ может быть сверхпроводником или идеальным проводником при температурах окружающей среды или при других надлежаще требуемых условиях.

[00660] МЭМС может включать в себя один или более компонентов. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, радиочастотную схему, настраиваемую линию передачи, волновод, резонатор, ЧНС-компоненты, пассивные компоненты, пассивные ЧНС-компоненты, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор и/или электромеханический фильтр. В качестве других примеров, эти один или более компонентов могут включать в себя датчики для того, чтобы определять параметры окружающей среды. Примеры типов датчиков, которые могут быть использованы, включают, но не ограничиваясь ими, датчик давления, датчик температуры, светочувствительный датчик, датчик вибрации, акселерометр, датчик влажности, датчик электрического поля и/или звуковой датчик.

[00661] Некоторые варианты реализации предоставляют электронное устройство (например, беспроводное устройство, Wi-Fi-устройство, устройство с расширенным спектром, беспроводное USB-устройство, Bluetooth®-устройство и т.д.), которое включает в себя источник питания, соединенный с ИС. ИС может иметь один или более токопроводящих путей, состоящих из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Помимо этого, набор схем (например, РЧ-схема, аналоговая схема, цифровая схема и т.д.) может соединяться с МЭМС-устройством через один или более токопроводящих путей. В некоторых вариантах реализации ИС в электронном устройстве также может включать в себя РЧ-антенну, РЧ-усилитель, РЧ-фильтр и/или РЧ-контроллер. В некоторых случаях эти компоненты могут быть ЧНС-компонентами, изготовленными из ЧНС-материала. Например, РЧ-антенна может иметь первый слой ЧНС-антенны, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой ЧНС-антенны, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя ЧНС-антенны.

[00662] Фигура 39-F иллюстрирует использование ЧНСМ 3910 для соединения МЭМС 3920 с другими схемами или компонентами 3930 на монтажной подложке ИС или SiP 3940. Например, ЧНСМ 3910 может быть использовано для того, чтобы соединять МЭМС 3920 с микропроцессором, микрокомпьютером, микроконтроллером, ПЦС, системой на кристалле (SoC), антенной, второй МЭМС, ASIC, ASSP, FPGA и/или другой схемой, компонентом или устройством 3930. Методы, используемые в этих вариантах реализации, могут быть использованы для того, чтобы соединять МЭМС 3920 с другими схемами или компонентами 3930. Помимо этого, эти технологии могут быть реализованы фактически на любой полупроводниковой монтажной подложке ИС, содержащей МЭМС 3920 идентичных или варьирующихся типов. Например, в случае SiP, ЧНСМ 3910 может быть использовано для того, чтобы соединять МЭМС-устройства на подложке, чтобы выполнять соединения с ИС и с другими пассивными компонентами, такими как антенны, без заметного сопротивления, что дает возможность этим элементам работать так, как если бы они были непосредственно соединены в соответствующих им узлах, независимо от их физического местоположения на подложке.

[00663] В по меньшей мере одном варианте реализации предусмотрена ИС, которая включает в себя МЭМС, сеть компонентов и монтажную подложку ИС. Монтажная подложка ИС может иметь один или более токопроводящих путей, состоящих из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Сеть компонентов может быть соединена с МЭМС через один или более токопроводящих путей. В некоторых вариантах реализации сеть компонентов включает в себя один или более пассивных ЧНСМ-компонентов, которые являются программируемыми, микропроцессор, микрокомпьютер, микроконтроллер, ПЦС, систему на кристалле (SoC), антенну, вторую МЭМС, ASIC, ASSP и/или FPGA. В одном варианте реализации набор пассивных ЧНСМ-компонентов является программируемым с возможностью задавать конкретную частоту или Q схемы передатчика или схемы приемника.

[00664] В некоторых вариантах реализации МЭМС может включать в себя один или более внутренних путей и/или компонентов, состоящих из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Эти один или более компонентов могут быть электрическими компонентами и/или механическими компонентами. Например, в по меньшей мере одном варианте реализации эти один или более компонентов могут включать в себя набор пассивных ЧНСМ-компонентов, настраиваемую линию передачи, волновод, резонатор, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор, электромеханический фильтр, датчик, переключатель, актуатор, структуру и/или другой компонент.

[00665] МЭМС также может включать в себя, в некоторых вариантах реализации, порт ввода, чтобы принимать входной сигнал снаружи МЭМС, и/или порт вывода, чтобы передавать сгенерированный внутри сигнал за пределы МЭМС. Порт ввода может соединяться с компонентом, выполненным с возможностью принимать входной сигнал и генерировать отклик. В некоторых случаях порт ввода и/или порт вывода могут соединяться с компонентом через один или более токопроводящих путей, чтобы обеспечивать передачу сигналов. В некоторых вариантах реализации один или более токопроводящих путей включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00666] Различные варианты реализации также предоставляют электронное устройство, имеющее источник питания, соединенный с ИС. В соответствии с этими вариантами реализации, ИС может включать в себя монтажную подложку ИС, имеющую один или более токопроводящих путей, состоящих из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Помимо этого, ИС может иметь МЭМС и сеть других компонентов (например, микропроцессор, микрокомпьютер, микроконтроллер, ПЦС, SoC, антенну, РЧ-контроллер, РЧ-схема, РЧ-усилитель, вторую МЭМС, ASIC, ASSP, FPGA, нейронную сеть и/или другой компонент), соединенных с МЭМС через один или более токопроводящих путей. В некоторых вариантах реализации МЭМС может включать в себя один или более следующих компонентов: настраиваемая линия передачи, волновод, резонатор, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор и/или электромеханический фильтр.

[00667] Множество преимуществ могут вытекать из использования ЧНСМ для соединения МЭМС-схем с аналоговой схемой и/или другими схемами/компонентами на ИС или SiP. Например, поскольку один или более токопроводящих путей могут иметь почти нулевое паразитное сопротивление, это позволило бы соединить МЭМС с набором схем или компонентов независимо от местоположения на корпусе. Помимо этого, ЧНСМ позволило бы интегрировать МЭМС и схемы или компоненты на ИС с оптимизированными местоположениями и минимизированными ухудшениями характеристик вследствие паразитного сопротивления. В качестве другого примера, ЧНСМ дало бы возможность конструировать МЭМС и аналоговые схемы довольно независимо. Это независимое конструирование могло бы способствовать быстрой разработке. Кроме того, она давала бы возможность более свободного использования IP МЭМС и IP аналоговых схем. С учетом того, что ЧНСМ обеспечивает большую независимость между конструкциями МЭМС и аналоговых схем, их большее число и разнообразие могло бы быть интегрировано на ИС, так что ИС с МЭМС будут широко распространяться в новые изделия, и это широкое распространение обеспечит кривую роста производительности для улучшенного конструирования и изготовления изделий.

[00668] Использование этой технологии ЧНСМ в ИС-изделии является синергетически выгодным по сравнению с применением других технологий ЧНСМ. Примеры включают в себя технологии ЧНСМ МЭМС, такие как ЧНСМ для соединения нескольких МЭМС-схем, ЧНСМ для соединения МЭМС с другими схемами на монтажной подложке или SiP, ЧНСМ для трехмерных межсоединений на ИС (которое соединяет ИС с монтажной подложкой на корпусе), ЧНСМ для распределения электропитания на монтажной подложке и т.п., все из которых дополнительно улучшают разработку всех технологий ЧНСМ и могут повышать производительность изделия.

[00669] Сопротивление металлических межсоединений, созданных посредством традиционных технологий для соединения МЭМС-схем, может ограничивать и/или ухудшать их параметры или атрибуты. Как проиллюстрировано на фигуре 40-F, некоторые традиционные конструкции использовали усилители 4010a-4010f на выходе каждой МЭМС 4020a-4020f для того, чтобы повышать интенсивность сигнала. Выходы из усилителей 4010a-4010f затем связываются с помощью интерфейса (например, посредством аналогового интерфейса 4030), чтобы комбинировать и/или работать на выходах МЭМС-схем. Тем не менее, с помощью ЧНСМ в соответствии с различными вариантами реализации изобретения, МЭМС и интерфейс могут быть соединены таким образом, чтобы подавлять паразитный эффект межсоединения.

[00670] Фигура 41-F является схематическим видом, показывающим несколько МЭМС 4110a-4110f, соединенных с интерфейсным устройством 4120. В соответствии с различными вариантами реализации, материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы соединять несколько МЭМС 4110a-4110f между собой на ИС, SiP или на монтажной подложке 4130 ИС. Например, материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути 4140 для распространения сигналов между различными МЭМС-схемами 4110a-4110f на ИС. Эти токопроводящие пути, соединяющие различные МЭМС 4110a-4110f, могут комбинировать или компенсировать различные параметры или атрибуты МЭМС, создавая МЭМС-сеть или виртуальную множественную МЭМС в том смысле, что они электрически действуют в качестве одной МЭМС при наличии нескольких и возможно переменных параметров или атрибутов. В соответствии с различными вариантами реализации изобретения, ЧНСМ для соединения МЭМС-схем с другой МЭМС может быть реализовано фактически на любой полупроводниковой ИС с МЭМС идентичных или варьирующихся типов. В некоторых случаях ЧНСМ не ухудшает характеристики выхода МЭМС.

[00671] Один пример виртуальной множественной МЭМС представляет собой МЭМС-конденсатор, соединенный через МЭМС-переключатель с другим МЭМС-конденсатором в качестве ʺсогласующего элементаʺ, чтобы регулировать допустимый запас. ʺСогласующийʺ компонент может быть подвержен или не подвержен тем воздействиям окружающей среды, с которыми сталкивается первичный компонент. Другой пример представляет собой несколько МЭМС, воспринимающих различные параметры окружающей среды. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, давление текучей среды в контейнере, атмосферное давление, температуру контейнера, температуру воздуха, окружающее освещение и вибрацию. Воспринимаемые параметры окружающей среды затем могут быть объединены в интегрированном управлении.

[00672] В некоторых вариантах реализации предусмотрена ИС, которая включает в себя сеть из одной или более МЭМС, набор схем и один или более токопроводящих путей. Эти один или более токопроводящих путей могут включать в себя ЧНСМ, имеющее первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В некоторых вариантах реализации ИС может иметь несколько слоев, которые имеют по меньшей мере один токопроводящий путь. Сеть МЭМС может соединяться через один или более токопроводящих путей. Помимо этого, набор схем (например, цифровая схема и/или аналоговая схема) может соединяться (прямо или косвенно) с сетью МЭМС через один или более токопроводящих путей. В некоторых вариантах реализации один или более токопроводящих путей могут иметь почти нулевое паразитное сопротивление, что дает возможность соединения первой МЭМС с набором схем независимо от конструктивных требований, ранее налагаемых проводящими характеристиками материала межсоединения предшествующего уровня техники.

[00673] В по меньшей мере одном варианте реализации сеть МЭМС включает в себя первую МЭМС, имеющую порт вывода, и вторую МЭМС, имеющую порт ввода, соединенный с портом вывода первой МЭМС через один или более токопроводящих путей. В некоторых случаях дополнительная МЭМС (например, третья МЭМС, четвертая МЭМС и т.д.) также может быть реализована на одной ИС. Как проиллюстрировано на фигуре 42-F, может быть использован набор МЭМС для использования в различных средах. Например, МЭМС 4210 может быть выполнена с возможностью измерять давление, МЭМС 4220 может быть выполнена с возможностью измерять температуру, МЭМС 4230 может быть выполнена с возможностью измерять свет, и МЭМС 4240 может быть выполнена с возможностью измерять вибрацию. В некоторых вариантах реализации одна из МЭМС, к примеру, МЭМС 4250, может включать в себя радиочастотную схему, датчик (например, датчик давления, датчик температуры, светочувствительный датчик, датчик вибрации, акселерометр, датчик влажности, датчик электрического поля, датчик магнитного поля, звуковой датчик и т.д.), актуатор (например, переключатель) и/или механическую или электрическую структуру (например, настраиваемую линию передачи, волновод, резонатор, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор, электромеханический фильтр и т.д.).

[00674] В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрено электронное устройство (например, беспроводное устройство). Электронное устройство может включать в себя источник питания, соединенный с ИС. ИС может иметь один или более токопроводящих путей, состоящих из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В различных вариантах реализации ИС также включает в себя сеть из одной или более МЭМС и набор схем (например, аналоговую схему), соединенных с сетью МЭМС через один или более токопроводящих путей. ИС и/или МЭМС могут включать в себя множество дополнительных компонентов, некоторые из которых могут быть изготовлены из ЧНС-материала. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, РЧ-схему, РЧ-антенну, настраиваемую линию передачи, волновод, резонатор, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор, электромеханический фильтр, датчик, актуатор и/или другую электрическую или механическую структуру.

[00675] Фигура 43-F иллюстрирует ИС-узел 4300 с использованием ЧНСМ 4310 для соединения нескольких МЭМС-схем 4320, чтобы создавать виртуальную множественную МЭМС. Может конструироваться сеть МЭМС 4320, созданная посредством этих межсоединений. Например, некоторые из МЭМС 4320 могут представлять собой переключатели, а некоторые могут представлять собой датчики, на которые воздействуют варьирующиеся условия окружающей среды. Когда ЧНСМ 4310 соединяет одну МЭМС с другой с пренебрежимо малыми паразитными явлениями, интегрированная множественная МЭМС будет действовать в качестве одной МЭМС с несколькими и варьирующимися параметрами или атрибутами.

[00676] Как проиллюстрировано на фигуре 43-F, некоторые варианты реализации предоставляют возможность реализации МЭМС 4320 на ASIC 4330 или другом компоненте. В вариантах реализации, показанных на фигуре 43-F, ASIC 4330 имеет обычные контактные площадки 4340 и расширенные контактные площадки 4350. Помимо этого, ИС-узел 4300 и/или ASIC 4330 может использовать трехмерные межсоединения ЧНСМ 4360 для того, чтобы соединять некоторые компоненты.

[00677] Способность конструировать устройство с виртуальной множественной МЭМС на ИС обеспечивает более широкие возможности, что открывает широкие перспективы для того, чтобы воспринимать окружающую среду и реагировать электронно. Использование ЧНСМ в соответствии с различными вариантами реализации изобретения в ИС-изделии также является синергетически выгодным по сравнению с применением других технологий ЧНСМ, таких как, но не ограничиваясь ими, ЧНСМ для соединения МЭМС-схем с аналоговой схемой на ИС, ЧНСМ для ʺтрехмерныхʺ межсоединений и/или ЧНСМ для распределения электропитания на монтажной подложке.

[00678] В одном или более вариантов реализации ЧНСМ может быть использовано в пассивных компонентах в МЭМС на полупроводниковой ИС или на монтажной подложке. Например, в некоторых вариантах реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать пассивные компоненты и/или токопроводящие пути между пассивными компонентами и другими схемами/компонентами. Токопроводящие пути обеспечивают возможность распространения сигналов с пренебрежимо малым сопротивлением и с постоянной времени задержки фронта волны, приближающейся к нулю. Как результат, использование материала ЧНСМ значительно уменьшает задержку сигналов и ток возбуждения при электрических взаимодействиях. Кроме того, эти пассивные ЧНСМ-компоненты и соединения иногда могут включать в себя МЭМС-элементы, включающие в себя ЧНСМ в качестве части МЭМС-структуры.

[00679] Различные варианты реализации обеспечивают преимущества по сравнению с традиционными системами и в некоторых случаях придают практическую применимость определенным процессам изготовления МЭМС, которые в иных случаях не давали бы компонентов в применимых пределах. Например, чрезвычайно низкое сопротивление обеспечивает интеграцию пассивных компонентов в ʺвиртуальные узлыʺ, поскольку компоненты не демонстрируют паразитного сопротивления существующей технологии уровня техники. В качестве другого примера, пассивные ЧНСМ-компоненты, в частности, при использовании с МЭМС, могут создавать почти идеальные компоненты, в иных случаях недоступные для интеграции с другими традиционными схемами на ИС или на подложке МЭМС (к примеру, индукторами или трансформаторами). Кроме того, конденсаторы и индукторы могут соединяться с возможностью программировать конкретную частоту и/или Q схем передатчика и приемника. Могут быть использованы аналоговые или цифровые элементы МЭМС. В одном варианте реализации регистры сохраняют биты для того, чтобы позволять различным конденсаторам стратегических значений программировать различные емкости, необходимые для достижения требуемых схемных атрибутов. В другом варианте реализации конденсаторы с предварительно установленными значениями избирательно соединяются с тем, чтобы достигать требуемых схемных атрибутов.

[00680] В соответствии с различными вариантами реализации ЧНСМ-разводка может соединять МЭМС-переключатели с пассивными компонентами, сформированными в материале ЧНСМ, с пренебрежимо малым паразитным сопротивлением, создавая почти идеальные компоненты для интеграции с другими традиционными схемами на ИС или на подложке МЭМС. Пассивные ЧНСМ-компоненты МЭМС могут соединяться с возможностью согласовывать емкость или индуктивность (к примеру, программировать конкретную частоту и/или Q схем передатчика и/или приемника) с вероятными воздействиями окружающей среды, на которые МЭМС сконструирована реагировать. В некоторых случаях индукторы пассивного ЧНСМ-компонента могут быть сформированы в качестве трансформатора, чтобы работать с целью выделения сигнала.

[00681] Фигура 44-F показывает ИС 4400, имеющую МЭМС 4410 (возможно имеющую пассивные ЧНСМ-компоненты), набор пассивных компонентов 4420, реализованных на монтажной подложке ИС или компонента, и один или более токопроводящих путей 4430. В соответствии с показанными вариантами реализации эти один или более токопроводящих путей 4430 включают в себя ЧНС, имеющий первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Набор пассивных компонентов 4420 может соединяться с МЭМС 4410 через один или более токопроводящих путей 4430. В одном или более вариантов реализации на ИС могут быть реализованы ЧНС-антенна 4440 и спиральный ЧНС-индуктор 4450.

[00682] В некоторых вариантах реализации на ИС или на МЭМС может быть реализован второй набор пассивных ЧНСМ-компонентов. Этот набор пассивных ЧНСМ-компонентов может быть программируемым. Например, компоненты могут программироваться, чтобы задавать конкретную частоту или Q схемы передатчика или схемы приемника. В качестве другого примера, регистр может быть использован, чтобы сохранять биты и использовать МЭМС для того, чтобы выбирать различные конденсаторы для достижения конкретной частоты. В некоторых случаях пассивные компоненты могут включать в себя переключатель и/или датчик, изготовленный из материала ЧНСМ.

[00683] Некоторые варианты реализации используют систему охлаждения для того, чтобы динамически программировать одну или более МЭМС и/или ЧНСМ-компонентов. Например, резистивный ЧНСМ-компонент может быть использован для того, чтобы программировать МЭМС. По мере того, как система охлаждения снижает температуру, сопротивление в ЧНСМ-элементе снижается, фактически выключая элемент. Аналогично, по мере того, как температура повышается до критической температуры ЧНСМ-сегмента, сопротивление в ЧНСМ-элементе повышается, тем самым изменяя состояние МЭМС или программируемого компонента.

[00684] В по меньшей мере одном варианте реализации токопроводящий путь может иметь ЧНС-материал с несколькими слоями. Каждый слой может иметь конкретную (и возможно отличающуюся) толщину. Модифицирующий слой может быть присоединен к верхнему слою, что приводит к большей жесткости верхнего слоя. По мере того, как изменяется температура, изменяются и проводящие свойства различных слоев. Например, верхний слой имеет наименьшее сопротивление и действует в качестве сверхпроводника или идеального проводника при более высоких температурах, чем другие слои, поскольку верхний слой связан непосредственно с модифицирующим слоем. По мере того, как падает температура, последующие слои становятся менее резистивными и действуют больше наподобие сверхпроводников или идеальных проводников в порядке приближения к модифицирующему слою. Как будет понятно, изменения температуры изменяют проводящие свойства в различных слоях и, как результат, будут изменять J_кр и H_кр ЧНСМ.

[00685] МЭМС, в различных вариантах реализации, может включать в себя один или более внутренних путей, состоящих из первого слоя МЭМС, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя МЭМС, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя МЭМС. МЭМС также может быть выполнена с возможностью воспринимать один или более параметров окружающей среды посредством использования датчика давления, датчика температуры, светочувствительного датчика, датчика вибрации, акселерометра, датчика влажности, датчика электрического поля и/или звукового датчика.

[00686] Различные варианты реализации также предусматривают устройство, имеющее источник питания и ИС. ИС может иметь один или более токопроводящих путей, состоящих из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Помимо этого, ИС может иметь МЭМС, соединенную с набором пассивных компонентов через один или более токопроводящих путей. В некоторых случаях МЭМС может включать в себя РЧ-схему, соединенную с РЧ-антенной 4450 на ИС. МЭМС также может включать в себя одно или более из настраиваемой линии передачи, волновода, резонатора, квазиоптического компонента, настраиваемого индуктора, настраиваемого конденсатора и электромеханического фильтра и/или других компонентов, как пояснено выше.

[00687] ЧНСМ для пассивных компонентов может быть использовано с МЭМС для того, чтобы создавать почти идеальные компоненты, в иных случаях недоступные для интеграции, при этом может конструироваться сеть пассивных компонентов, причем некоторые из них представляют собой переключатели, а некоторые МЭМС представляют собой датчики, на которые воздействуют варьирующиеся условия окружающей среды. Если ЧНСМ соединяет их с пренебрежимо малыми паразитными явлениями, то интегрированные почти идеальные компоненты будут действовать в качестве расширений МЭМС с несколькими и варьирующимися параметрами или атрибутами. Способность конструировать устройство с виртуальной почти идеальной множественной МЭМС на ИС обеспечивает на порядок величины более широкие возможности, что открывает широкие перспективы для того, чтобы воспринимать окружающую среду и реагировать электронно.

[00688] С другой стороны, использование этой технологии ЧНСМ в ИС-изделии является синергетически выгодным по сравнению с применением других технологий ЧНСМ. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, ЧНСМ для соединения МЭМС-схем с аналоговой схемой на ИС, ЧНСМ для ʺтрехмерныхʺ межсоединений на ИС (которое соединяет ИС с монтажной подложкой) и ЧНСМ для распределения электропитания на ИС или ЧНСМ для распределения электропитания на монтажной подложке. Эти и другие технологии ЧНСМ дополнительно могут повышать производительность ИС-изделия.

[00689] Фигура 45-F является блок-схемой 4500, показывающей набор примерных операций для изготовления токопроводящих путей, ЧНСМ МЭМС и/или ЧНСМ-компонентов на ИС. ЧНСМ может быть изготовлено, исходя из типа материалов, применения ЧНСМ, размера компонента, использующего ЧНСМ, эксплуатационных требований устройству или машине, использующей ЧНСМ, и т.д.

[00690] В вариантах реализации, показанных на фигуре 45-F, при первой операции 4510 осаждения осаждают первый слой материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) на ИС, подложке или SiP. В соответствии с различными вариантами реализации первый слой может содержать YBCO или BSCCO. Второй слой, состоящий из модифицирующего материала на первом слое ЧНС-материала, создающего ЧНС-межсоединения, осаждают во время второй операции 4520 осаждения. Второй слой может включать в себя хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий, бериллий, галлий, серебро или селен. Материал, используемый в качестве первого или базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик. Примеры включают в себя, затраты, требуемые рабочие характеристики, доступное оборудование, доступные материалы и/или другие соображения и характеристики. При операции 4530 обработки обрабатывают ЧНС-межсоединения, формируя различные компоненты, токопроводящие пути и/или межсоединения. Например, в некоторых вариантах реализации могут быть сформированы ЧНСМ МЭМС, пассивные ЧНСМ-компоненты, ЧНСМ РЧ-антенна, система распределения питания и/или сигнальная шина с одним или более токопроводящих путей, способных разводить сигналы.

[00691] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалисты в данной области техники осознают, что другие системы, устройства и применения, которые включают в себя токопроводящие пути, могут использовать ЧНСМ, описанные здесь.

Часть C. РЧ-устройства на интегральных схемах

[00692] Этот раздел описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-G по 41-G; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00693] Различные варианты реализации изобретения в общем относятся к межсоединениям с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), к примеру, с межсоединениям, которые включают в себя модифицированные, щелевые и/или другие ЧНС-материалы. В некоторых вариантах реализации ЧНСМ может иметь первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. ЧНСМ может быть использовано во множестве систем и способов для того, чтобы создавать различные улучшения. Некоторые примеры, в которых обеспечивается различные эффективности, включают, но не ограничиваясь ими, системы и способы с использованием ЧНСМ в радиочастотных (РЧ) схемах на ИС, системы и способы с использованием ЧНСМ для РЧ-антенн(ы) на полупроводниковой ИС, системы и способы для использования ЧНСМ в пассивных элементах РЧ-схем приемника и передатчика на монолитной микроволновой ИС (ММИС) и системы и способы с использованием ЧНСМ во встроенных функциях РЧ-схем на полупроводниковой ИС.

[00694] Некоторые варианты реализации предусматривают РЧ-схемы на ИС, которые могут использовать материал ЧНСМ для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для РЧ-схем на ИС. Использование материала ЧНСМ может приводить к возможности более высокой Q. По сути, ИС с использованием ЧНСМ в токопроводящих путях может, в зависимости от желаемого применения, потребовать меньшего числа активных схем и/или меньшей площади полупроводникового кристалла для различных схем. В некоторых вариантах реализации ЧНСМ может быть использовано для того, чтобы соединять несколько отдельных блоков РЧ-схем, и/или других технологий, включая другие технологии ЧНСМ.

[00695] В соответствии с различными вариантами реализации, материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для топологий РЧ-антенн на ИС. Результирующая топология антенны может иметь меньшую площадь, чем традиционные топологии подложки, которые не используют материала ЧНСМ. Помимо этого, РЧ-антенна может находиться в изолированных местоположениях без негативного последствия в виде сопротивления межсоединения, не обязательно с наличием внекристального интерфейса, тем самым давая возможность более высокой Q. По сути, топологии РЧ-антенн, вытекающие из использования материала ЧНСМ в токопроводящих путях, могут использовать меньшее число активных схем и тем самым меньшую площадь полупроводникового кристалла для различных схем.

[00696] В одном или более вариантов реализации ЧНСМ может быть использовано в пассивных элементах РЧ-схем приемника и передатчика на ММИС. За счет использования материала ЧНСМ для того, чтобы реализовывать пассивные элементы и/или токопроводящие пути, соединяющие РЧ-схемы, сигналы могут распространяться с постоянной времени задержки фронта волны, приближающейся к нулю. Как результат, задержка сигналов между различными функциональными элементами может фактически исключаться или значительно уменьшаться. В некоторых вариантах реализации материал ЧНСМ может образовывать схемы передатчика и приемника с очень высокой Q.

[00697] Помимо этого, различные варианты реализации изобретения предусматривают системы и способы с использованием ЧНСМ во встроенных функциях РЧ-схем на полупроводниковой ИС. В некоторых из этих вариантов реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для распространения сигналов с постоянной времени задержки фронта волны, приближающейся к нулю. Как результат, задержка интерфейсных сигналов между встроенной функцией(ями) РЧ-схем и подсистемами, огибающими функцию(и), или между блоками подсистемы, соединенными со встроенной функцией(ями), может значительно уменьшаться или даже исключаться. При этом такие различные блоки похожи на виртуальные блоки в том смысле, что каждый соответствующий соединяющий сигнал кажется соприкасающимся со своим соответствующим встроенным узлом, так что он работает так, как указывает компьютерная модель, с пренебрежимо малой паразитной дисперсией, независимо от фактического физического местоположения относительно встроенной функции РЧ-схем.

[00698] ЧНСМ может быть изготовлено, исходя из типа материалов, применения ЧНСМ, размера компонента, использующего ЧНСМ, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей ЧНСМ, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления материал, используемый в качестве базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00699] Хотя различные надлежащие геометрии и конфигурации показаны и описаны здесь для схемы размещения и/или расположения модифицированного ЧНС, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине в дополнение к отличиям в толщине материалов, использованию различных слоев, ЧНС-пленкам, имеющим несколько смежных модифицирующих слоев, нескольким ЧНС-пленкам, модифицированным единственным модифицирующим слоем, и другим трехмерным структурам. Таким образом, любой подходящий модифицированный ЧНС может быть использован в зависимости от требуемого варианта применения и/или свойств.

[00700] В соответствии с различными вариантами реализации изобретения, ЧНС РЧ-схемы и/или антенны могут быть реализованы на ИС. РЧ-схемы и/или антенны могут использовать материал ЧНСМ, к примеру, модифицированный, щелевой и/или другой новый ЧНС-материал для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути, которые соединяют РЧ-схемы с антеннами, и токопроводящие пути, которые находятся в РЧ-схемах и/или антеннах. Использование материала ЧНСМ может иметь множество преимуществ по сравнению с традиционным материалом межсоединения, как могут принимать во внимание специалисты в данной области техники.

[00701] Хотя различные примеры изобретения описываются в отношении ʺмодифицированных ЧНС-материаловʺ и/или различных конфигураций модифицированных ЧНС-материалов (например, модифицированных ЧНС-пленок и т.д.), как будет понятно, может быть использован любой из улучшенных ЧНС-материалов, описанных здесь, включая, например, модифицированные ЧНС-материалы (например, модифицированный ЧНС-материал 1060 и т.д.), щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы в соответствии с различными аспектами изобретения. Как описано здесь, помимо других аспектов, эти улучшенные ЧНС-материалы имеют по меньшей мере одну улучшенную рабочую характеристику, которая в некоторых примерах включает в себя работу в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K.

[00702] Например, посредством использования ЧНСМ РЧ-антенна может находиться в изолированных местоположениях без негативного последствия в виде сопротивления межсоединения, не обязательно с наличием внекристального интерфейса, тем самым обеспечивая возможность более высокой Q. По сути, топологии РЧ-антенн, вытекающие из использования материала ЧНСМ в токопроводящих путях, могут требовать меньшего числа активных схем и тем самым меньшей площади полупроводникового кристалла для различных схем. В некоторых вариантах реализации ЧНСМ может быть использовано для того, чтобы соединять несколько отдельных блоков РЧ-схем, и/или других технологий, включая другие технологии ЧНСМ. Кроме того, поскольку ЧНСМ дает чрезвычайно низкие потери, могут быть разработаны и реализованы архитектуры и схемы РЧ-антенн, которые в иных случаях являются непрактичными на ИС и даже могут значительно уменьшать усиление и фильтрацию в активных схемах.

[00703] В качестве другого примера, использование ЧНСМ также обеспечивает такую конструкцию ИС, что РЧ-антенна располагается ближе к РЧ-схемам на ИС с улучшенными проводящими межсоединениями. Это зачастую приводит к более низким паразитным потерям, что дает в результате более высокую Q, так что конструктивные требования могут быть упрощены, например, за счет исключения специальных технологий производства полупроводников и внекорпусной конструкции. Помимо этого, могут быть разработаны новые РЧ-изделия, которые являются неосуществимыми при технологии предшествующего уровня техники, к примеру, однокристальные РЧ-приемопередатчики с гораздо более высокой Q. Это, например, может позволять карманным аппаратам адресовать большое число отдельных каналов.

[00704] Фигура 37-G иллюстрирует использование материалов ЧНСМ, реализующих токопроводящие пути для РЧ-схем на ИС 3710. В традиционных интегральных схемах РЧ-схемы реализуются внекристально относительно функций контроллера вследствие требований развязки, обуславливающих специальные, более затратные технологии производства полупроводников. Тем не менее, эти процессы зачастую не являются экономически эффективными для реализации цифровых схем, таких как функции контроллера. Напротив, если ЧНСМ соединяет РЧ-антенны 3720 непосредственно с РЧ-схемами, то обнаруживаются меньшие паразитные потери, так что РЧ-схемы могут быть реализованы на ИС 3710 того же самого кристалла с цифровыми схемами без необходимости специальной развязки или других более затратных технологий производства полупроводников.

[00705] В соответствии с различными вариантами реализации изобретения, когда материал ЧНСМ используется для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути 3730 и/или 3760 для РЧ-схем на ИС 3710, результатом может быть возможность более высокой Q по сравнению с традиционными схемами, которые не используют материалов ЧНСМ. В некоторых вариантах реализации ЧНСМ может быть использовано для того, чтобы соединять отдельные блоки РЧ-схем, а также других технологий, включая другие технологии ЧНСМ. По сути, РЧ-схемы, вытекающие из использования материала ЧНСМ в токопроводящих путях, могут использовать меньшее число активных схем и возможно меньшую площадь полупроводникового кристалла для различных схем. В некоторых вариантах реализации РЧ-схемы могут быть реализованы в микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, процессорах цифровых сигналов (ПЦС), системах на кристалле (SoC), контроллерах накопителей на дисках, ASIC, ASSP, FPGA и/или в любой другой полупроводниковой ИС в различных системах, таких как Bluetooth®-интерфейс, беспроводной USB-интерфейс, Wi-Fi-интерфейс или другие интерфейсы РЧ-приемопередатчиков. Согласно конкретным аспектам, использование ЧНС в качестве площадок питания и заземления уменьшает шумовую связь от цифровых к аналоговым схемам.

[00706] Как проиллюстрировано на фигуре 37-G, некоторые варианты реализации изобретения предусматривают ИС 3710, содержащую монтажную подложку ИС, РЧ-антенну 3720 и РЧ-схему. Монтажная подложка ИС может иметь несколько слоев и один или более токопроводящих путей 3730 для разводки сигналов. Один или более токопроводящих путей 3730 могут быть изготовлены из модифицированного межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). Помимо этого, один или более токопроводящих путей 3730 также могут иметь второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Конечно, модифицированное ЧНСМ может принимать любую подходящую форму или геометрию.

[00707] В традиционных интегральных схемах РЧ-антенна реализуется внекристально относительно функций контроллера вследствие паразитных потерь. Напротив, если ЧНСМ соединяет РЧ-схемы непосредственно с РЧ-антенной 3720, то зачастую в результате получаются меньшие паразитные потери, так что РЧ-антенна 3720 может быть реализована на одном и том же кристалле с РЧ-схемами и цифровыми схемами общих устройств.

[00708] Различные варианты реализации изобретения могут давать одно или более преимуществ, которые могут быть понятны специалистами в данной области техники. Например, как пояснено выше, использование ЧНСМ может обеспечивать проводящие характеристики, которые уменьшают или исключают негативное последствие в виде паразитных потерь (например, вследствие сопротивления межсоединения). В качестве другого примера, поскольку ЧНСМ дает чрезвычайно низкие потери, могут быть разработаны и реализованы РЧ-схемы, которые являются более экономически эффективными и в иных случаях являются непрактичными. Также могут быть разработаны новые РЧ-изделия, которые являются неосуществимыми при технологии предшествующего уровня техники, к примеру, однокристальные РЧ-приемопередатчики с гораздо более высокой Q, что позволяет карманным аппаратам адресовать большое число отдельных каналов. Определенные варианты реализации обеспечивают более высокую отдачу мощности вследствие уменьшенных потерь на сопротивление. Некоторые варианты реализации продемонстрируют повышенную чувствительность к аналоговым и цифровым сигналам. Предусмотрена возможность повышения гибкости при размещении системных конструктивных элементов. Дополнительные варианты реализации демонстрируют повышенное качество сигнала. Еще дополнительные варианты реализации могут демонстрировать улучшенную координацию между элементами и повышенную плотность информации в выделенном диапазоне частот. Еще другие варианты реализации обеспечивают новые типы программной и аппаратной логики, которая может быть реализована на ИС, или избирательное экранирование помех при передаче сигналов.

[00709] Некоторые варианты реализации изобретения включают в себя интегральную схему (ИС) 3710, имеющую РЧ-компоненты, которые могут быть реализованы на ИС или монтажной подложке ИС. РЧ-компонент может включать в себя подсхемы. Как показано на фигуре 38-G, подсхемы могут включать в себя РЧ-усилитель 3810, РЧ-фильтр 3820 и РЧ-контроллер 3830 (и другие подсхемы), соединенные через один или более токопроводящих путей 3840, которые включают в себя модифицированное ЧНСМ, имеющее первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В соответствии с различными вариантами реализации, первый слой может включать в себя YBCO или BSCCO. Второй слой может включать в себя хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий, бериллий, галлий или селен. Межсоединение может состоять из нескольких уровней/слоев межсоединения, некоторые из которых будут в идеале состоять из модифицированного ЧНСМ (или, в иных случаях, из традиционного металла), причем каждый из них изолирован от других смежных уровней диэлектриком, через который избирательно помещены проводящие сквозные межсоединения, чтобы соединять соответствующие, непрерывные, токопроводящие пути.

[00710] В некоторых вариантах реализации РЧ-компонент и РЧ-антенна 3720 могут быть реализованы на том же кристалле. Например, монтажная подложка ИС также может включать в себя РЧ-антенну 3720, состоящую из первого слоя антенны, состоящей из ЧНС-материала, и второго слоя антенны, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя антенны. Как результат, РЧ-компонент не требует развязки посредством реализации на отдельном кристалле.

[00711] В некоторых вариантах реализации может быть реализовано беспроводное устройство, включающее в себя источник питания, набор цифровых схем и/или РЧ-приемопередатчик с использованием технологии ЧНСМ. Беспроводное устройство может быть любым устройством или карманным приемопередающим устройством, которое может использовать РЧ-приемопередатчик или схемы. Примеры включают в себя, но не ограничиваясь ими, Wi-Fi-устройство, устройство с расширенным спектром, сотовые телефоны, беспроводные телефоны, беспроводное USB-устройство, устройство Bluetooth^®, набор беспроводных наушников, слуховой аппарат, медицинский транспондер, устройство безопасного открывания дверей гаража, тег радиочастотной идентификации (RFID), удаленный защитный контроллер, допускающий регулирование термостата либо любого чувствительного к безопасности бытового, коммерческого или промышленного устройства в объекте частной собственности, интерфейс карманного компьютера, передающее устройство автомобильного ключа зажигания, защитное устройство с РЧ-интерфейсом, приемо-передающие аудио/видеоустройства и многие другие. Защитные устройства с интерфейсами могут включать в себя универсальные удаленные защитные контроллеры для того, чтобы управлять защитой частной собственности (устройство безопасного открывания дверей гаража, средство установки/сброса/опроса охранной сигнализации, программирование термостата, общая система электроуправления и т.д.) и передающие устройства автомобильного ключа зажигания. Помимо этого, беспроводное устройство может быть карманным приемо-передающим устройством для специальных применений, таких как запросы на снятие показаний счетчиков со специальными RFID-тегами, интерфейсы карманных компьютеров (программный актуатор и приемопередатчик данных по технологии Bluetooth^®) и т.п.

[00712] Беспроводные устройства, которые используют ЧНСМ для РЧ-схем, могут включать в себя множество улучшений. Например, устройства с расширенным спектром могут компоноваться с на порядки величины большим числом отдельных каналов (например, 100 или более отдельных каналов). Помимо этого, сотовые телефоны, беспроводные телефоны, Bluetooth®-устройства, планшетные компьютеры, а также другие компьютеры и другие Wi-Fi-устройства будут иметь большее расстояние приема. В некоторых случаях расстояние приема может быть приблизительно на порядок величины больше расстояния приема, доступного при традиционной технологии.

[00713] В некоторых вариантах реализации РЧ-приемопередатчик может быть соединен с источником питания и набором цифровых схем. В некоторых случаях РЧ-приемопередатчик может находиться в том же кристалле, что и цифровые схемы. РЧ-приемопередатчик может включать в себя РЧ-антенну 3720, соединенную с РЧ-схемой. В соответствии с различными вариантами реализации изобретения, РЧ-схема может включать в себя одну или более подсхем, соединенных через один или более токопроводящих путей 3730 и/или 3760, содержащих модифицированное ЧНСМ, имеющее первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В по меньшей мере одном варианте реализации РЧ-антенна 3720 может включать в себя первый ЧНС-слой РЧ-антенны, состоящей из ЧНС-материала, и второй ЧНС-слой РЧ-антенны, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя ЧНС-антенны.

[00714] В современной технологии монолитные микроволновые интегральные схемы (ММИС) находятся только на MSI- и LSI-уровнях интеграции вследствие необходимости внекристальной реализации пассивных устройств, способных на более высокие частоты. Так же, до сих пор затраты полупроводниковой технологии, требуемые для транзисторов, способных работать с микроволновыми частотами, не способствовали применению изделий, требующих VLSI. В одном или более вариантов реализации изобретения ЧНСМ может быть использовано в пассивных элементах РЧ-схем приемника и передатчика на ММИС. За счет использования ЧНСМ могут быть созданы ММИС, которые интегрируют все функции на одном и том же кристалле (например, ММИС не включает в себя внекристальные пассивные устройства или интерфейсы), за счет этого преобразуя его возможности. В некоторых вариантах реализации ММИС может включать в себя микропроцессор, микрокомпьютер, микроконтроллер, ПЦС, систему на кристалле (SoC), контроллер накопителя на дисках, ASIC, ASSP и/или FPGA.

[00715] За счет использования материала ЧНСМ для того, чтобы реализовывать пассивные элементы и/или токопроводящие пути, соединяющие РЧ-схемы, сигналы могут распространяться с постоянной времени задержки фронта волны, приближающейся к нулю. Как результат, задержка сигналов между различными функциональными элементами может исключаться или значительно уменьшаться. В некоторых вариантах реализации материал ЧНСМ, используемый в пассивных элементах 3740, образует схемы передатчика и приемника с очень высокой Q. ЧНСМ для пассивных элементов СВЧ-схем приемника и передатчика будут питать пассивные элементы, и пренебрежимо малое сопротивление межсоединения обеспечивает возможность схемам микроволновых частот создавать возможность VLSI. Поскольку все РЧ-схемы могут быть изготовлены на ММИС, добавление еще одного этапа - дополнительного микроконтроллера или ПЦС - в этот процесс позволяет преобразовывать их возможности.

[00716] Усиление до очень высокой Q (VHQA), которое может быть создано посредством использования ЧНСМ, может обеспечивать передачу с гораздо более низким уровнем мощности и гораздо более узкими полосами частот на сверхвысоких частотах. Этот уровень VHQA может быть использован в портативных радиостанциях для персональной связи в потребительских изделиях (в диапазоне 2,4 ГГц), при применении для военных целей в различных полосах частот до и за пределами 100 ГГЦ и при перескоке частот. В других вариантах реализации системы и способы также могут использоваться для новой передачи данных измерений и данных системы безопасности, таких как определения защитных датчиков, а также в RADAR. Помимо этого, сверхвысокочастотные приемопередатчики могут быть созданы для средств управления и передачи промышленных и медицинских данных в новых полосах высоких частот.

[00717] Использование этой технологии ЧНСМ в ИС-изделии является синергетически выгодным по сравнению с применением других технологий ЧНСМ. Примеры включают в себя технологии ЧНСМ МЭМС, такие как ЧНСМ для соединения МЭМС-схем 3770 с аналоговой схемой на ИС 3710, ЧНСМ для распределения электропитания на ИС 3710, ЧНСМ для трехмерных межсоединений 3730 на ИС (которое соединяет ИС с монтажной подложкой 3750 через ʺтрехмерноеʺ межсоединение ЧНСМ 3730 на корпусе 3750) и даже ЧНСМ для распределения электропитания на монтажной подложке, все из которых дополнительно улучшают разработку всех технологий ЧНСМ и, в частности, обеспечивают превосходную производительность изделия(й) RFIC.

[00718] Различные варианты реализации изобретения предусматривают ММИС, изготовленную из монолитного полупроводника (например, кремния, GaAs, SiGe, GaN, SOS, SOI и т.д.) или нескольких полупроводников, монолитно сконструированных посредством ʺтрехмернойʺ укладки или другого нового способа изготовления, включая МЭМС на ИС 3770 и/или МЭМС на монтажной подложке ИС или SiP. ММИС может включать в себя набор ЧНСМ, РЧ-фильтр 3820 с одним или более пассивных элементов (например, программируемые лазером ЧНСМ-резисторы 3910 и ЧНСМ-конденсаторы 3920 и 3740, РЧ-осциллятор 4090, РЧ-усилитель 3810, РЧ-контроллер 3830 и/или РЧ-антенну 3720 и другие РЧ-блоки 4030 и опорные блоки). ЧНСМ, согласно некоторым вариантам реализации, могут иметь первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В некоторых вариантах реализации РЧ-усилитель может быть соединен с РЧ-фильтром посредством ЧНСМ. Аналогично, РЧ-антенна 3720 может быть соединена с РЧ-усилителем 3810 посредством ЧНСМ 3840, а РЧ-контроллер 3830 может быть соединен с РЧ-фильтром 3820 посредством ЧНСМ 3840.

[00719] В некоторых вариантах реализации РЧ-антенна 3720 имеет один или более токопроводящих путей на одном или более уровней межсоединения, которые включают в себя модифицированное ЧНСМ для антенны, имеющее первый слой антенны, состоящий из ЧНС-материала (например, YBCO или BSCCO), и второй слой антенны, состоящий из модифицирующего материала (например, хрома, меди, висмута, кобальта, ванадия, титана, родия, бериллия, галлия или селена), связанного с ЧНС-материалом первого слоя антенны. Помимо этого, РЧ-антенна 3720 может не требовать развязки от РЧ-контроллера 3830 за счет реализации на отдельном кристалле.

[00720] ММИС может быть выполнена в различных вариантах реализации таким образом, чтобы обеспечить высокочастотное переключение, смешение микроволн, усиление с малым уровнем шума или усиление мощности. ММИС также может быть выполнена с возможностью работать на микроволновых частотах между 300 МГц и 300 ГГц включительно. В по меньшей мере одном варианте реализации ММИС может работать на аналоговых частотах выше 400 МГц. В некоторых вариантах реализации ММИС может быть частью беспроводного устройства, такого как поясненные выше.

[00721] Традиционная технология использует межсоединения, которые обычно выполнены из металла на основе алюминия или меди. К сожалению, эти межсоединения имеют паразитное сопротивление, которое ограничивает местоположение встроенных функций до такой степени, что синхронизация становится критической и во многих случаях препятствует применению некоторых функций, помимо прочего. Кроме того, вследствие ʺразрастанияʺ паразитного сопротивления, загрузка встроенных программ или настроек параметров может ухудшаться или ограничиваться из-за добавления еще большего сопротивления в упрощающих схемах, и, следовательно, встроенные РЧ-функции обычно не обеспечиваются. Напротив, различные варианты реализации изобретения предусматривают системы и способы с использованием ЧНСМ во встроенных функциях РЧ-схем на полупроводниковой ИС 3710. Использование ЧНСМ уменьшает или исключает ограничения, обнаруживаемые при использовании традиционной технологии, и улучшает реализацию РЧ-схем на ИС 3710.

[00722] В некоторых из этих вариантов реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для распространения сигналов с постоянной времени задержки фронта волны, приближающейся к нулю. Как результат, задержка интерфейсных сигналов между встроенной функцией(ями) РЧ-схем и подсистемами, огибающими функцию(и), или между блоками подсистемы, соединенными со встроенной функцией(ями), может значительно уменьшаться или фактически исключаться. При этом такие различные блоки похожи на виртуальные блоки в том смысле, что каждый соответствующий соединяющий сигнал кажется соприкасающимся со своим соответствующим встроенным узлом, так что он работает так, как указывает компьютерная модель, с пренебрежимо малой паразитной дисперсией, независимо от фактического физического местоположения относительно встроенной функции РЧ-схем. В некоторых вариантах реализации встроенные функции РЧ-схем могут быть реализованы во встроенных микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, ПЦС, SoC, ASIC, ASSP, FPGA и в любой полупроводниковой ИС со встроенными функциями идентичных или варьирующихся типов.

[00723] Различные варианты реализации изобретения могут обеспечивать одно или более преимуществ. Например, посредством использования ЧНСМ-разводки в конструкции ИС со встроенными РЧ-функциями могут быть созданы более высокоскоростные схемы без значительных расфазировок между глобальными сигналами, без потерь мощности вследствие требований по буферизации в текущем уровне техники. Помимо этого, компании-проектировщики с небольшим опытом в РЧ-конструировании могут добавлять РЧ-схемы в свои SoC. Кроме того, множество современных ИС-изделий с РЧ-функциями могут быть доработаны с тем, чтобы встроить РЧ-функции ЧНСМ и достигать более высокой производительности, а также меньшего потребления мощности (например, рабочего напряжения, примерное равного или меньшего 0,25 Вольт, и очень низкого тока в рабочей точке в операционных усилителях).

[00724] В некоторых случаях встроенные функции могут быть размещены в местоположениях на ИС, которые являются более удобными для всех аспектов конструирования. Как результат, разработка и конструирование встроенных РЧ-функций может быть менее ограниченной, обычно без необходимости в различных настраиваемых интерфейсных буферах (в традиционной технологии) в зависимости от большинства паразитных аспектов огибающей SoC. Кроме того, независимое размещение, обеспечиваемое посредством ЧНСМ, дает возможность лучшей ʺпараллельной инженерииʺ в разработке SoC, поскольку встроенные функции могут конструироваться более независимо, а решения из множества источников могут проще встраиваться. В некоторых вариантах реализации встроенные РЧ-функции могут становиться ячейками ʺдля размещения компонентов и разводки соединенийʺ с прилагаемым встроенным комплектом инструментов (специально для компаний-проектировщиков с небольшим опытом в РЧ-конструировании).

[00725] В некоторых случаях решение использовать ЧНСМ для встроенных РЧ-схем было бы предпочтительным по сравнению с решением использовать другие применимые технологии ЧНСМ. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, ЧНСМ для распределения электропитания, ЧНСМ для разводки синхросигналов или ЧНСМ для разводки SoC на ИС и для соединения с подложкой, ЧНСМ для трехмерных межсоединений на ИС, ЧНСМ для РЧ-антенны на монтажной подложке и т.п. Различные функции затрат могут быть использованы проектировщиками для выбора надлежащих комбинаций, чтобы завершать оптимизацию РЧ-изделий.

[00726] Некоторые варианты реализации предусматривают ИС 3710, имеющую подложку ИС, набор 4010 схем (например, аналоговых или цифровых схем), реализованных на подложке ИС, и/или один или более программируемых блоков 4020. Подложка ИС может иметь один или более токопроводящих путей в одном или более слоях подложки. Токопроводящие пути могут состоять из межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Первый программируемый блок может быть соединен с набором схем через один или более токопроводящих путей. Первый программируемый блок может включать в себя один или более компонентов, реализованных на подложке, таких как, но не ограничиваясь ими, процессор 4035 цифровых сигналов (ПЦС), РЧ-передатчик 4040, соединенный с ПЦС 4035; и/или встроенное ядро 4050, реализованное на подложке ИС.

[00727] В соответствии с некоторыми вариантами реализации, встроенное ядро 4050 может быть программируемым на выполнение одной или более функций 4060. В различных вариантах реализации встроенное ядро 4050 может быть микропроцессором, микрокомпьютером, микроконтроллером, GPU, процессором потоков данных или ПЦС.

[00728] Набор программируемых блоков ЧНСМ, содержащих компоненты (например, ЧНСМ РЧ-схему 4070, ЧНСМ РЧ-антенну 4070, ЧНСМ-разводку 4080, ЧНСМ РЧ-усилитель, ЧНСМ РЧ-фильтр, ЧНСМ РЧ-контроллер и т.д.), изготовленные из ЧНСМ, также может быть реализован на подложке ИС. В зависимости от требуемого применения, ЧНСМ-блоки могут быть программируемыми на уровне проектирования или программируемыми пользователем, или программируемыми в программном обеспечении после того, как запущена система. В некоторых вариантах реализации ИС со встроенными функциями 4060 может быть частью беспроводного устройства, такого как поясненные выше.

[00729] Фигура 41-G является блок-схемой 4100, показывающей набор примерных операций для изготовления РЧ-схем, РЧ-антенн, ММИС с пассивными ЧНСМ-компонентами и/или встроенных функций РЧ-схем с использованием ЧНСМ на ИС. ЧНСМ может быть изготовлено, исходя из типа материалов, применения ЧНСМ, размера компонента, использующего ЧНСМ, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей ЧНСМ, и т.д.

[00730] В вариантах реализации, показанных на фигуре 41-G, при первой операции 4110 осаждения осаждают первый слой материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) на ИС. В соответствии с различными вариантами реализации первый слой может содержать YBCO или BSCCO. Второй слой, состоящий из модифицирующего материала на первом слое ЧНС-материала, создающего ЧНС-межсоединения, осаждают во время второй операции 4120 осаждения. Второй слой может включать в себя хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий, бериллий, галлий, серебро или селен. Материал, используемый в качестве первого или базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик. Примеры включают затраты, требуемые характеристики, доступное оборудование, доступные материалы и/или другие соображения и характеристики. При операции 4130 обработки обрабатывают ЧНС-межсоединения, чтобы сформировать РЧ-антенну, систему распределения питания и/или сигнальную шину с одним или более токопроводящих путей, способных разводить сигналы на подложке.

[00731] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалисты в данной области техники осознают, что и другие системы, устройства и применения, которые включают в себя токопроводящие пути, могут использовать ЧНСМ, описанные здесь.

Часть D. Разводка на интегральной схеме

[00732] Этот раздел описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-H по 43-H; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00733] Описываются компоненты интегральной схемы, такие как сети распределения питания, сети распространения синхросигналов и другие сети распространения сигналов, которые сформированы из модифицированных, щелевых и/или других новых материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). ЧНС-материал может быть, например, пленкой, лентой, фольгой или нанопроводом. ЧНС-материалы оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики интегральных схем при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ. Хотя различные примеры изобретения описываются в отношении ʺмодифицированных ЧНС-материаловʺ и/или различных конфигураций модифицированных ЧНС-материалов (например, модифицированных ЧНС-пленок и т.д.), будет понятно, что может быть использован любой из описанных здесь улучшенных ЧНС-материалов, включая, например, модифицированные ЧНС-материалы (например, модифицированный ЧНС-материал 1060 и т.д.), щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы в соответствии с различными аспектами изобретения. Как описано здесь, помимо других аспектов, эти улучшенные ЧНС-материалы имеют по меньшей мере одну улучшенную рабочую характеристику, которая в некоторых примерах включает в себя работу в ЧНС-состоянии при температурах, больших 150 K.

[00734] Фигура 37-H является принципиальной схемой, иллюстрирующей вид в сечении токопроводящего пути 3700, сформированного, по меньшей мере частично, из модифицированной ЧНС-пленки, такой как пленка, имеющая базовый слой 3704 ЧНС-материала и модифицирующий слой 3706, сформированный на базовом слое 3704. Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки описываются подробно здесь. Как будет понятно, модифицированная ЧНС-пленка может иметь несколько слоев ЧНС-материала и/или несколько модифицирующих слоев или может принимать любую другую подходящую конфигурацию или геометрию. Такой токопроводящий путь, при реализации в интегральной схеме на нескольких уровнях межсоединения, изолируемых между собой, за исключением конкретных соединяющих сквозных межсоединений, сконструированных с возможностью соответственно соединять каждый из непрерывных токопроводящих путей, использует уровни для того, чтобы приспосабливать надлежащую плотность и связность, которые могут быть использованы, например, для распределения питания и распространения сигналов между схемными компонентами в микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, процессорах цифровых сигналов, SoC, контроллерах накопителей на дисках, запоминающих устройствах, ASIC, ASSP, FPGA или практически в любой другой полупроводниковой интегральной схеме, которая может быть выполнена совместимой с модифицированными ЧНС-пленками.

[00735] Как показано в примере по фигуре 37-H, токопроводящий путь включает в себя базовый слой 3704 ЧНС-материала и модифицирующий слой 3706, сформированный посредством любого подходящего процесса на базовом слое 3704. Токопроводящий путь может быть сформирован на подложке 3702, например, на диэлектрической подложке интегральной схемы. Будучи сформированным из модифицированной ЧНС-пленки, токопроводящий путь 3700 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока в токопроводящем пути при надлежащих обстоятельствах, к примеру, при температурах выше используемых в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температурах окружающей среды (~21°C).

[00736] Материал или размеры подложки 3702 могут быть выбраны на основе множества факторов. Например, выбор материала подложки, имеющего более высокую диэлектрическую постоянную, будет обычно уменьшать емкость, наблюдаемую на линии передачи, и тем самым снижать мощность, необходимую для того, чтобы возбуждать сигнал. Специалисты в данной области техники поймут, что подложка может быть сформирована из ряда различных материалов и с рядом различных форм, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[00737] В некоторых примерах модифицированный токопроводящий ЧНС-путь оказывает чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (~80-135 K) и комнатными температурами (~294 K). В этих примерах токопроводящий путь может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как криоохладитель или криостат, используемый для того, чтобы охлаждать токопроводящий путь 3700 до критической температуры используемого в токопроводящем пути 3700 типа модифицированной ЧНС-пленки. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение токопроводящего пути до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре замороженной воды, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированной ЧНС-пленки, используемой для токопроводящего пути 3700.

[00738] Фигура 38-H является схемой, которая представляет примерную модель токопроводящего пути, сформированного из модифицированной ЧНС-пленки. В некоторых примерах модель включает в себя вход «I» и выход «O». R_I и R_O соответствуют соответственным сопротивлениям соединительных материалов на входном и выходном конце токопроводящего пути, сформированного из модифицированной ЧНС-пленки. R_V1, R_V2, R_V3 и R_V4 соответствуют сопротивлениям сквозных межсоединений и/или других соединений внешней оболочки с токопроводящим путем. R_W1 и R_W2 соответствуют сопротивлениям внутреннего пути модифицированной ЧНС-пленки. R_S1-R_S4 и C_S1-C_S5 соответствуют модели линии передачи внешней оболочки токопроводящего пути. Элементы, обведенные пунктирной линией 3802, могут быть последовательно дублированы в позиции P для каждого сквозного межсоединения (или другого соединения) на токопроводящем пути. Пример по фигуре 38-H показывает ветвь B₁, которая соединяется с проводящим сквозным межсоединением (представленным как R_V4), и целевой последовательный путь к выходу O. В некоторых примерах модель может включать в себя большее число элементов, включающих в себя индукторы.

[00739] Вследствие чрезвычайно низкого сопротивления токопроводящего пути, сформированного из модифицированной ЧНС-пленки, сигнал, распространяющийся на токопроводящем пути, имеет постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю, за счет этого минимизируя требования по интенсивности возбуждения, что уменьшает потребляемую мощность. Поскольку сигнал распространяется через кристаллическую структуру модифицированной ЧНС-пленки аналогичным волноводу образом, не встречая препятствий в виде емкости внешней среды, сигнал зачастую достигает минимальной задержки. Тем не менее, сигнал также распространяется по наружной оболочке модифицированной ЧНС-пленки, которая испытывает нормальное сопротивление и емкость окружающей среды. Таким образом, сигнал, распространяющийся через кристаллическую структуру модифицированной ЧНС-пленки, может достигать целевого узла и изменять напряжение узла до того, как наружная оболочка полностью достигает своего измененного напряжения.

[00740] Уменьшение требований по интенсивности возбуждения также может приводить к уменьшению размеров транзисторов, которые возбуждают сигналы по токопроводящим путям, сформированным из модифицированного ЧНС-материала. Меньшие размеры транзисторов позволяют уменьшать площадь кремниевого кристалла, необходимую для топологии интегральной схемы, обеспечивая дополнительную миниатюризацию интегральных схем и более эффективную работу схем. Другое преимущество токопроводящих путей, сформированных из модифицированного ЧНС-материала, состоит в уменьшении затруднений от или значимости временных ограничений в схемной конструкции вследствие уменьшенной задержки при распространении сигналов.

[00741] Как пояснено здесь, многие устройства и системы на интегральных схемах могут использовать, применять и/или включать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, которые демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при высоких температурах или температурах окружающей среды. То есть фактически любое устройство или система, которая предоставляет путь для тока электронов, может включать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, как описано здесь. Следующий раздел описывает несколько примерных устройств, систем и/или применений. Специалисты в данной области техники поймут, что и другие устройства, системы и/или применения также могут использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, в то время как имеются некоторые особенные и новые преимущества, которые могут не казаться очевидными без достаточных соображений.

[00742] В некоторых примерах сеть распределения электропитания интегральной схемы может использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, как описано здесь. Фигура 39-H является схемой примерной сети 3900 распределения питания, сформированной из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей. Как показано на фигуре 39-H, модифицированный ЧНС-материал используется для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути, к примеру, токопроводящий путь 3902, для распределения источников напряжения (V₁-V₄) и заземляющих (G) соединений по интегральной схеме с приближающимися к нулю снижениями распределенного напряжения вследствие низкого сопротивления модифицированного ЧНС-материала. Поскольку в некоторых примерах модифицированный токопроводящий ЧНС-путь может быть направленным, т.е. ток протекает вдоль конкретной плоскости модифицированного ЧНС-материала, сеть 3900 распределения электропитания по фигуре 39-H использует два практически ортогональных слоя, соединенных между собой сквозными межсоединениями, такими как сквозное межсоединение 3904, чтобы разводить питание по интегральной схеме.

[00743] Сеть распределения питания традиционной интегральной схемы разделяется на несколько доменов питания, каждые из которых имеет конкретное напряжение, используемое компонентами интегральной схемы. В традиционных интегральных схемах, т.е. в схемах, использующих металлические токопроводящие пути, каждый домен питания типично имеет собственный проводящий слой вследствие резистивных материалов, используемых для токопроводящих путей. Эти традиционные токопроводящие пути имеют существенную величину сопротивления, что приводит к потерям мощности из-за тепла (I²R) и из-за более крупных или избыточных транзисторов, используемых в попытке уменьшить вызываемые сопротивлением задержки распространения. ʺМетод прямого опробованияʺ, требуемый для того, чтобы возбуждать резистивные сигнальные линии, вызывает шум в проводниках распределения питания, которые должны быть развязаны. Кроме того, во многих случаях отдельные домены напряжения конструируются с возможностью отделять особенно зашумленные схемы. Однако, вследствие превосходной удельной электропроводности модифицированного ЧНС-материала, в интегральной схеме, которая использует модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, все домены напряжения и заземления могут быть разведены в двух ортогональных слоях, как показано на фигуре 39, без необходимости в дополнительных слоев. Например, напряжения V₁, V₂, V₃ и заземляющая сеть могут быть распределены по интегральной схеме с использованием двухслойной сети 3900 распределения питания по фигуре 39-H.

[00744] Множество других преимуществ вытекают из использования токопроводящих путей, сформированных из модифицированного ЧНС-материала. Например, сеть распределения питания с использованием модифицированных ЧНС-материалов не только уменьшает рассеяние мощности, но и уменьшает ʺпадение напряжения на сопротивленииʺ до пренебрежимо малых величин, что, в свою очередь, дает возможность более низкого рабочего напряжения. Это более низкое рабочее напряжение уменьшает паразитную утечку транзисторов, за счет этого повышая общую эффективность схемы. Кроме того, вследствие чрезвычайно быстрого распространения сигналов в мЧНС шумовые импульсы в сети распределения питания сразу распространяются во все распределенные развязывающие емкости. А при использовании модифицированного ЧНСМ для разводки сигналов формирователи сигналов управления на принципе ʺметода прямого опробованияʺ не требуются, так что возникает гораздо меньше нарушений по шуму.

[00745] Сеть распределения электропитания, сформированная из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей, может быть реализована, например, в: микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, ПЦС, SoC, контроллерах накопителей на дисках, запоминающих устройствах, ASIC, ASSP, FPGA и фактически в любой другой полупроводниковой интегральной схеме, которая может быть выполнена совместимой с модифицированными ЧНС-пленками или материалами.

[00746] В некоторых примерах сеть распространения синхросигналов интегральной схемы может использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, как описано здесь. Фигура 40A-H является схемой примерной сети распространения синхросигналов, сформированной из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей. Фигура 40A-H включает в себя формирователь 4002 синхросигналов, соединенный с магистральным путем 4004 сети распространения синхросигналов. Как показано на фигуре 40A-H, сеть распространения синхросигналов, сформированная из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей, может распространять синхросигнал из формирователя 4002 синхросигналов в синхронизируемые компоненты интегральной схемы, такие как затвор 4006. Магистральный путь 4004 соединен с практически перпендикулярными путями с ветвлением, например, с путем 4008 с ветвлением, которые распространяют синхросигнал в компоненты интегральной схемы. Сеть распространения синхросигналов по фигуре 40A-H также включает в себя параллельные пути с ветвлением, к примеру, путь 4010 с ветвлением, которые дополнительно могут распространять синхросигнал в другие компоненты схемы. Пути 4010 с ветвлением могут соединяться с магистральным путем 4004 через сквозные межсоединения, такие как сквозное межсоединение 4012, соединяющее практически ортогональные слои.

[00747] Одно преимущество использования модифицированных токопроводящих ЧНС-путей состоит в том, что синхросигналы, распространяющиеся по этой сети, имеют постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю, без необходимости в дополнительных буферных схемах или схемах задержки, за счет этого минимизируя задержку распространения и расфазировку синхронизирующих импульсов между схемами синхронизации.

[00748] Фигура 40B-H является схемой альтернативной топологии, иллюстрирующей сеть распространения синхросигналов, сформированную из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей. Как показано на фигуре 40B-H, сеть распространения синхросигналов имеет одну центральную магистраль 4054, соединенную с формирователем 4052 синхросигналов, чтобы осуществлять доставку в перпендикулярные ветви, к примеру, в ветвь 4056, которая, в свою очередь, осуществляет доставку в буферы синхросигналов в синхронизируемые компоненты, такие как затвор 4058. Поскольку в одном варианте реализации модифицированный токопроводящий ЧНС-путь может быть направленным, например, ток протекает вдоль конкретной плоскости модифицированного ЧНС-материала, сеть распространения синхросигналов по фигурам 40A-H и 40B-H использует два практически ортогональных слоя, соединенных между собой сквозными межсоединениями, такими как сквозные межсоединения 4012 и 4060, чтобы разводить синхросигнал по интегральной схеме.

[00749] Фигура 40C-H является схемой альтернативной топологии, иллюстрирующей сеть распространения синхросигналов, сформированную из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей. Как показано на фигуре 40C-H, сеть распространения синхросигналов имеет одну центральную магистраль 4074, соединенную с формирователем 4072 синхросигналов, чтобы осуществлять доставку в перпендикулярные ветви, к примеру, в ветвь 4076, которая, в свою очередь, осуществляет доставку через H-структуру на основе геометрической прогрессии сети распространения синхросигналов в синхронизируемые компоненты, такие как затвор 4078. Поскольку в одном варианте реализации модифицированный токопроводящий ЧНС-путь может быть направленным, например, ток протекает вдоль конкретной плоскости модифицированного ЧНС-материала, сеть распространения синхросигналов по фигурам 40A-H, 40B-H и 40C-H использует два практически ортогональных слоя, соединенных между собой сквозными межсоединениями, такими как сквозные межсоединения 4012, 4060 и 4080, чтобы разводить синхросигнал по интегральной схеме.

[00750] Некоторые преимущества использования модифицированного ЧНС-материала для токопроводящих путей сети распространения синхросигналов включают в себя, например, значительное сокращение потерь мощности и скорости из традиционной резистивной сети вследствие буферизации и дополнительной емкости вследствие расширения токопроводящих путей, чтобы уменьшать сопротивление. Дополнительно, расфазировка синхронизирующих импульсов и задержка на вставку заметно уменьшаются, тем самым уменьшая затруднения от или значимость конструктивных ограничений. Аналогично, архитектуры многофазных синхросигналов могут реализовываться и при этом работать синхронно вследствие существенно меньшей расфазировки синхронизирующих импульсов. Дополнительно, имеются некоторые сложные синхронные архитектуры интегральных схем, которые не требуют распространения синхросигнала. Эти схемы используют специальное программное обеспечение для того, чтобы гарантировать их синхронность. Эти схемы могут использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути для синхронных управляющих сигналов, как если бы они представляли собой синхросигналы, чтобы реализовывать аналогичные преимущества.

[00751] Сеть распространения синхросигналов, сформированная из модифицированных токопроводящих ЧНС-путей, может быть реализована, например, в: микропроцессорах, микрокомпьютерах, микроконтроллерах, ПЦС, SoC, контроллерах накопителей на дисках, запоминающих устройствах, ASIC, ASSP, FPGA и фактически в любой другой полупроводниковой интегральной схеме, которая может быть выполнена совместимой с модифицированными ЧНС-пленками или материалами.

[00752] В некоторых примерах аналоговые компоненты интегральной схемы могут быть соединены с компенсационной схемой с использованием модифицированных токопроводящих ЧНС-путей, как описано здесь. Фигура 41-H является блок-схемой, иллюстрирующей аналоговые компоненты, соединенные со схемами компенсации модифицированными токопроводящими ЧНС-путями. Примерная блок-схема по фигуре 41-H включает в себя аналоговые компоненты, например, усилители, такие как усилитель 4102, которые соединены со схемами 4104 и 4106 компенсации. Как описано выше, в одном варианте реализации модифицированный токопроводящий ЧНС-путь может быть направленным, например, ток протекает вдоль конкретной плоскости модифицированного ЧНС-материала. Таким образом, в примере по фигуре 41-H токопроводящие пути, используемые для того, чтобы соединять схемы компенсации с аналоговыми компонентами, могут быть реализованы с использованием двух практически ортогональных слоев, например, 4110 и 4112, соединенных между собой сквозными межсоединениями, такими как сквозное межсоединение 4108, чтобы разводить сигналы по интегральной схеме.

[00753] Аналоговые схемы типично являются более сложными и полезными при подаче сигналов компенсации из схем компенсации. Тем не менее, традиционные токопроводящие пути, например, алюминиевые или медные, привносят значительное сопротивление, которое ухудшает сигналы компенсации и снижает общую производительность системы. Одно преимущество использования модифицированных токопроводящих ЧНС-путей для того, чтобы распространять сигналы между аналоговыми компонентами и схемами компенсации, состоит в том, что при приближающейся к нулю постоянной времени помехи из-за сопротивления в процессе компенсации минимизируются.

[00754] Дополнительно, традиционные интегральные схемы, включающие в себя аналоговые компоненты, типично являются чувствительными к ориентации, т.е. должны быть пространственно сбалансированы. Если схема является несбалансированной, сопротивление в токопроводящих путях ухудшает производительность и функциональность. Реализация токопроводящих путей, сформированных из модифицированного ЧНС-материала, с пониженным сопротивлением, устраняет большую часть проблемы размещения отдельных аналоговых компонентов и интегральных схем. Это позволяет принимать во внимание другие соображения, например, соображения пространства, при конструировании схемы.

[00755] В некоторых примерах токопроводящие пути запоминающих устройств могут быть реализованы с использованием модифицированных ЧНС-пленок, как описано здесь. Например, фигура 42-H является блок-схемой примерного запоминающего устройства, реализующего токопроводящие пути с модифицированными токопроводящими ЧНС-путями. В примере по фигуре 42-H запоминающее устройство использует модифицированные токопроводящие ЧНС-пути для функции ʺсчитыванияʺ низкопорогового, высокоскоростного запоминающего устройства. Каждая ячейка 4202 запоминающего устройства соединена с битовыми линиями 4204 и 4206 и адресной линией, такой как линия 4210, через сквозные межсоединения, такие как сквозное межсоединение 4208. Битовые линии 4204 и 4206 соединены со считывающим усилителем 4212, чтобы обеспечивать низковольтное считывание битовых линий.

[00756] Скорость и точность полупроводникового запоминающего устройства основана на считывании напряжения ячейки запоминающего устройства. В некоторых примерах пара битовых линий соединена со всеми ячейками в конкретной строке ячеек. Когда активирована линия выбора столбцов, например, линия 4210, комплементарные выходы ячейки 4202 запоминающего устройства в выбранном столбце соединяются с соответствующими битовыми линиями 4204 и 4206. Когда транзисторы ячейки запоминающего устройства возбуждают битовые линии 4204 и 4206, считывающий усилитель 4212 обеспечивает вывод, как только он сможет различить, какая битовая линия имеет высокий уровень, а какая - низкий уровень. Время, которое требуется для того, чтобы заряжать линии, так что считывающий усилитель может определять отличие, может быть анормально высоким в традиционной технологии с ее резистивным межсоединением, вследствие расчетного размера ячейки (меньшие ячейки дают меньшее возбуждение) и длины строки (большие строки приводят к необходимости большей резистивно-емкостной нагрузки для возбуждения ячейки запоминающего устройства). Тем не менее, битовые линии, сформированные из модифицированных ЧНС-пленок, дают возможность транзисторам ячейки запоминающего устройства сразу возбуждать ввод считывающего усилителя согласно сохраненным уровням напряжения, тем самым требуя лишь минимальной мощности для того, чтобы считывать и отправлять реакцию в эти битовые линии на гораздо большей частоте дискретизации.

[00757] Считывающие усилители для запоминающих устройств конструируются для конкретной полупроводниковой технологии и конкретных длин строк запоминающего устройства. Традиционные запоминающие устройства имеют ограниченные длины строк и, как следствие, меньшие блоки вследствие паразитного сопротивления. Чтобы достигать меньших времен считывания, традиционные запоминающие устройства используют более высокие токи в рабочей точке, так что считывающий усилитель реагирует быстрее, не ожидая возбуждения ячейкой запоминающего устройства резистивных битовых линий в другое логическое состояние. Таким образом, традиционно, более быстрые запоминающие устройства эквивалентны большему потреблению мощности. Вследствие уменьшенных эффективных сопротивления и емкости, с которыми сталкивается сигнал по мере того, как он распространяется внутри структуры модифицированной ЧНС-пленки, запоминающее устройство может давать более быстрые и более точные считывания в считывающем усилителе при меньшем потреблении мощности. Дополнительно, битовые линии, сформированные из модифицированных ЧНС-пленок, обеспечили бы возможность гораздо больших блоков и при этом потребляли бы гораздо меньше мощности и достигали гораздо более высокой производительности.

[00758] В некоторых примерах шины данных и линии передачи инструкций в процессоре потоков данных могут быть реализованы с использованием модифицированных токопроводящих ЧНС-путей, как описано здесь. Фигура 43-H является блок-схемой примерной функциональной ячейки процессора 4300 потоков данных с токопроводящими путями, сформированными из модифицированного ЧНС-материала. Процессор потоков данных включает в себя функциональную ячейку 4302, шину 4306 данных и линию 4304 передачи инструкций. Шина 4306 данных и линия 4304 передачи инструкций могут быть реализованы с использованием модифицированной ЧНС-пленки, как описано здесь.

[00759] Чтобы задавать предел своей производительности, процессор, скомпонованный согласно архитектуре потока данных, зависит от скорости распространения сигналов инструкций по линии передачи инструкций на выполнение некой функции и затем распространения сигналов данных по шине данных. Реализация шин и линий передачи инструкций с помощью модифицированной ЧНС-пленки приводит к тому, что сигнал имеет постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю, за счет этого минимизируя требования по интенсивности возбуждения, что уменьшает мощность. Дополнительно, вследствие уменьшенной задержки распространения, сигналы инструкций будут практически мгновенно активировать функции, а сигналы данных будут мгновенно распространяться к предписанному им месту назначения.

[00760] Традиционная рабочая частота процессора потоков данных ограничивается задержкой распространения в шине данных и линиях передачи инструкций, вызываемой сопротивлением традиционных проводников. Реализация проводников с помощью модифицированных ЧНС-материалов обеспечивает на несколько порядков величины большую производительность линий передачи инструкций и шины данных, при этом матрица межсоединений является стратегической в реализации архитектуры. Например, применения ПЦС могут обрабатывать на несколько порядков величины большие частоты, РЧ-приемники могут демодулировать более высокие полосы частот РЧ-передачи, и ПЦС могут реализовывать более сложные алгоритмы (т.е. с большим числом инструкций) за тот же промежуток времени, которого может достигать процессор с использованием традиционных проводников.

[00761] В некоторых примерах некоторые или все системы и устройства, описанные здесь, могут использовать недорогие системы охлаждения в тех применениях, где конкретные модифицированные ЧНС-материалы, используемые при таком применении, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при температурах ниже температур окружающей среды. Как пояснено здесь, в этих примерах применение может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как система, которая охлаждает модифицированный токопроводящий ЧНС-путь до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре замороженной воды, или до других температур, поясненных здесь. Система охлаждения может быть выбрана на основе применения и/или типа и структуры модифицированной ЧНС-пленки или материала, используемого этим применением.

[00762] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалисты в данной области техники осознают, что и другие системы, устройства и применения интегральных схем могут использовать модифицированные токопроводящие ЧНС-пути, описанные здесь. Дополнительно, когда здесь используются такие термины, как ʺпленкаʺ или ʺматериалʺ, должно быть очевидным, что возможны и другие структуры или варианты реализации, которые находятся в пределах объема заявленного изобретения.

Часть E. SiP-устройства на интегральных схемах

[00763] Этот раздел описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-I по 41B-I; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00764] Различные варианты реализации изобретения в общем относятся к межсоединениям с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), таким как ЧНСМ, включающие модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы. В некоторых вариантах реализации ЧНСМ может иметь первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. ЧНСМ может быть использовано во множестве систем и способов для того, чтобы создавать различные улучшения. Некоторые примеры, в которых обеспечиваются различные эффективности, включают, но не ограничиваясь ими, системы и способы для радиочастотной антенны на монтажной подложке ИС, распределения электропитания на полупроводниковой монтажной подложке ИС и на подложке схемы по принципу системы в одном корпусе (SiP) и разводки сигналов (например, типов сигналов управления, синхросигналов, сигналов данных и других сигналов) на полупроводниковой монтажной подложке.

[00765] Например, когда материал ЧНСМ используется для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для топологий РЧ-антенн на монтажной подложке ИС, требуемая площадь чаще всего меньше, чем при традиционных топологиях подложки, которые не используют материала ЧНСМ. Помимо этого, РЧ-антенна может находиться в изолированных местоположениях без негативного последствия в виде сопротивления межсоединения, тем самым обеспечивая возможность более высокой Q. По сути, топологии РЧ-антенн, вытекающие из использования материала ЧНСМ в токопроводящих путях, могут требовать меньшего числа активных схем и тем самым меньшей площади полупроводникового кристалла для различных схем.

[00766] В некоторых вариантах реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для разводки источников напряжения (включая несколько доменов напряжения) и заземляющих соединений в качестве шин в несколько частей подложки. Эти пути образуют виртуальные узлы, поскольку изменения распределенного напряжения приближаются к нулю. Кроме того, все высокочастотные случайные шумовые выбросы в проводниках для распределения питания практически мгновенно проходят во все развязывающие емкости, в которых они гасятся.

[00767] В дополнение к выполнению токопроводящих путей для источников напряжения, материал ЧНСМ может использоваться для разводки сигналов управления, синхросигналов, сигналов данных и других сигналов на монтажной подложке ИС (или подложке SiP). Материал ЧНСМ обеспечивает токопроводящие пути для сигналов с чрезвычайно низким сопротивлением. В некоторых вариантах реализации токопроводящие пути могут быть разведены на паре или парах практически ортогональных направленных слоев (изолированных между собой, за исключением сконструированных проводящих сквозных межсоединений) так, что они соединяются с контактными площадками ИС, штырьковыми выводами подложки или любым другим компонентом в корпусе.

[00768] ЧНСМ может быть изготовлено, исходя из типов материалов, применения ЧНСМ, размера компонента, использующего ЧНСМ, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей ЧНСМ, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления материал, используемый в качестве базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00769] Фигура 37-I является схемой, иллюстрирующей использование материалов ЧНСМ, реализующих токопроводящие пути для РЧ-антенн 3710 на монтажной подложке 3750. В традиционных интегральных схемах РЧ-антенна реализуется внекристально относительно функций контроллера вследствие паразитных потерь. Напротив, если ЧНСМ соединяет РЧ-схемы в ИС 3730 непосредственно с РЧ-антенной 3710, обнаруживаются меньшие паразитные потери, так что РЧ-антенна 3710 может быть реализована на монтажной подложке 3750 того же кристалла с РЧ-схемами и ИС 3730.

[00770] В соответствии с различными вариантами реализации изобретения, когда материал ЧНСМ используется для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для топологий РЧ-антенн на монтажной подложке 3750, требуемая площадь меньше, чем в традиционных топологиях подложки. Помимо этого, РЧ-антенна 3710 может находиться в изолированных местоположениях без негативного последствия в виде сопротивления межсоединения, тем самым обеспечивая возможность более высокой Q с пассивными паразитными явлениями. По сути, топологии РЧ-антенн, вытекающие из использования материала ЧНСМ в токопроводящих путях, требуют меньшего числа активных схем и тем самым меньшей площади полупроводникового кристалла для различных схем.

[00771] Различные варианты реализации изобретения могут давать одно или более преимуществ, которые могут приниматься во внимание специалистами в данной области техники. Например, как пояснено выше, использование ЧНСМ может обеспечивать проводящие характеристики, которые обеспечивают топологии антенн типично с меньшей площадью, чем при традиционных топологиях подложки, и в изолированных местоположениях без негативного последствия в виде сопротивления межсоединения. В качестве другого примера, поскольку ЧНСМ имеет чрезвычайно низкие потери, могут быть разработаны и реализованы архитектуры РЧ-антенн, которые являются более экономически эффективными и практичными. В некоторых вариантах реализации конструкция РЧ-антенны даже может значительно уменьшать усиление и фильтрацию в активных схемах. ЧНСМ также позволяет такой конструкции реализовывать РЧ-антенну, соединенную более близко с РЧ-схемами на ИС с улучшенным проводящим межсоединением, при меньших паразитных потерях, что дает в результате более высокую Q, так что она может достигать своих конструктивных требований без специальных технологий производства полупроводников и без выхода из корпуса монтажной подложки ИС. Также могут быть разработаны новые РЧ-изделия, которые являются неосуществимыми при технологии предшествующего уровня техники, к примеру, однокристальные РЧ-приемопередатчики с гораздо более высокой Q, что позволяет карманным аппаратам адресовать большое число отдельных каналов.

[00772] В соответствии с различными вариантами реализации, РЧ-антенна 3710 может быть реализована с микропроцессорами, микрокомпьютерами, микроконтроллерами, компьютерным запоминающим устройством, ПЦС, SoC, контроллерами накопителей на дисках, ASIC, ASSP, FPGA, нейронными сетями, МЭМС, МЭМС-матрицами, микроустройствами накопления энергии, а также для любой другой монтажной подложки ИС, реализующей антенны 3710 РЧ-схемы. Как проиллюстрировано на фигуре 37-I, некоторые варианты реализации изобретения предусматривают интегральную схему (ИС), содержащую монтажную подложку 3750 ИС, РЧ-антенну 3710 и РЧ-схему 3730. Монтажная подложка 3750 ИС может иметь несколько слоев и один или более токопроводящих путей 3720 и 3740 для разводки сигналов. Один или более токопроводящих путей 3740 могут быть изготовлены из модифицированного межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). Помимо этого, один или более токопроводящих путей 3720 и 3740 также могут иметь второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00773] Радиочастотная (РЧ) антенна 3710 может быть реализована на монтажной подложке 3750 ИС. РЧ-схема 3730 также может быть реализована на монтажной подложке 3750 ИС и соединена с РЧ-схемой 3730 через ЧНСМ. В некоторых случаях РЧ-антенна 3710 может быть в непосредственной близости к РЧ-схеме 3730 по сравнению с требованиями для аналогичных вариантов реализации без ЧНСМ. В некоторых вариантах реализации РЧ-антенна может включать в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00774] В соответствии с некоторыми вариантами реализации беспроводное устройство может включать в себя источник питания, соединенный с РЧ-приемопередатчиком с использованием различных конфигураций ЧНСМ. В соответствии с различными вариантами реализации РЧ-приемопередатчик может включать в себя монтажную подложку, РЧ-антенну и РЧ-схему. Монтажная подложка может иметь один или более токопроводящих путей (3720 и 3740). В некоторых случаях эти один или более токопроводящих путей могут состоять из межсоединений с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющих первый подслой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй подслой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. РЧ-антенна может быть реализована на монтажной подложке вместе с РЧ-схемой. РЧ-антенна может быть соединена с РЧ-схемой через ЧНСМ. В некоторых вариантах реализации РЧ-антенна включает в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00775] Беспроводные устройства могут быть любым устройством или карманным приемопередающим устройством. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, устройства с расширенным спектром, сотовые телефоны, беспроводные телефоны, Bluetooth^®-, Wi-Fi- и Wi-Max-устройства, защитные устройства с интерфейсами, наушники, слуховые аппараты, медицинские транспондеры и многие другие. Защитные устройства с интерфейсами могут включать в себя универсальные удаленные защитные контроллеры для того, чтобы управлять защитой частной собственности (устройство безопасного открывания дверей гаража, средство установки/сброса/опроса охранной сигнализации, программирование термостата, общая система электроуправления и т.д.) и передающие устройства автомобильного ключа зажигания. Помимо этого, беспроводное устройство может быть карманным приемопередающим устройством для специальных применений, таких как запросы на снятие показаний счетчиков со специальными RFID-тегами, интерфейсы карманных компьютеров (программный актуатор и приемопередатчик данных по технологии Bluetooth^®) и т.п.

[00776] Беспроводные устройства, которые используют ЧНСМ для РЧ-антенны, включают в себя множество улучшений. Например, устройства с расширенным спектром могут быть построены с на порядки величины большим числом отдельных каналов (например, 100 или более отдельных каналов). Сотовые телефоны и беспроводные телефоны, Bluetooth^®-устройство и другие Wi-Fi-устройства будут иметь приблизительно на порядок величины большее расстояние приема.

[00777] Фигура 38-I является блок-схемой, показывающей набор примерных операций 3800 для конструирования радиочастотной антенны с использованием материала ЧНСМ. В соответствии с вариантами реализации, проиллюстрированными на фигуре 38-I, при операции 3810 приема принимают набор конструктивных требований к РЧ-приемопередатчику. Конструктивные требования могут включать в себя РЧ-антенну, реализованную на монтажной подложке интегральной схемы (ИС), и РЧ-схему, реализованную на монтажной подложке ИС. Помимо этого, могут быть включены стоимость различных материалов, типы доступных материалов, ограничения/требования по местоположению для различных компонентов, технологии изготовления, размер компонента, диапазон, добротность Q, требования по питанию и другие конструктивные требования. Например, в одном варианте реализации конструктивные требования могут включать в себя то, чтобы РЧ-антенна находилась в непосредственной близости с РЧ-схемами.

[00778] При операции 3820 создания получают конструкцию посредством разводки одного или более токопроводящих путей на монтажной подложке ИС, чтобы соединять РЧ-антенну с РЧ-схемой. Токопроводящие пути могут включать в себя межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ) с первым слоем, состоящим из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторым слоем, состоящим из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Операция 3820 создания принимает во внимание межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением и влияние на различные конструктивные требования.

[00779] При операции 3830 проверки проверяют то, что набор конструктивных требований удовлетворяется. Если при операции 3830 проверки определяют, что конструкция не удовлетворяется, выполняют дополнительную итерацию конструирования, переходя по ветви к операции 3820 создания. После того, как при операции 3830 проверки определяют, что набор конструктивных требований удовлетворяется, конструкцию отправляют на изготовление, переходя по ветви к операции 3840 изготовления.

[00780] На монтажных подложках ИС, таких как BGA и PGA, зачастую существуют шины для распределения электропитания. Токопроводящие пути обычно объединяются для того, чтобы уменьшать сопротивление от внешнего источника питания к любой отдельной контактной площадке питания ИС. Сопротивления в традиционных конструкциях по-прежнему являются значительными и ограничивают производительность ИС. Помимо этого, внутри ИС типично создаются несколько доменов напряжения, чтобы отделять сопротивление от узла источника напряжения различных блоков в токопроводящем пути, соединенном с внешним источником питания. Кроме того, сопротивление приводит к распределенному напряжению ʺпадение напряжения на сопротивленииʺ, инициирующему итеративные меры по уменьшению отрицательных последствий схемной конструкции, включая разбиение на несколько доменов напряжения с идентичным напряжением (чтобы не допускать влияния шума в одном блоке на другой блок). Помимо этого, шум не может гаситься, когда сопротивление является настолько повсеместным, что уменьшение отрицательных последствий заключается в том, чтобы обеспечивать разделение линий до более проводящего соединения с внешним источником.

[00781] В соответствии с различными вариантами реализации, ЧНСМ может использоваться для распределения питания. ЧНСМ-разводка уменьшает рассеяние мощности (вызываемое прохождением тока через сопротивление линий подложки), в дополнение к обеспечению пренебрежимо малого ʺпадения напряжения на сопротивленииʺ, делая несколько доменов напряжения и заземляющих шин на подложке узлами ʺвиртуального внешнего источника питанияʺ. Исключение ʺпадения напряжения на сопротивленииʺ на линиях дает возможность связывания соединяющих узлов питания и заземления на смонтированной ИС с виртуальными узлами на подложке, а в некоторых случаях и уменьшения числа контактных площадок.

[00782] Фигура 39-I является примерной топологической схемой, иллюстрирующей распределение электропитания 3900 с использованием ЧНСМ на подложке. Распределение питания с помощью ЧНС обеспечивает несколько доменов напряжения и заземляющих соединений с разностями напряжений, приближающимися к нулю в различных точках на линиях, так что каждая контактная площадка электропитания ИС будет связываться с ʺвиртуальным внешним источником питанияʺ для каждого данного напряжения.

[00783] В некоторых вариантах реализации материал ЧНСМ может быть использован для того, чтобы реализовывать токопроводящие пути для разводки источников напряжения (включая несколько доменов напряжения) и заземляющих соединений в качестве шин по всей топологии. Эти пути образуют виртуальные узлы, поскольку изменения распределенного напряжения приближаются к нулю. Кроме того, все высокочастотные шумовые выбросы мгновенно проходят во все развязывающие емкости, в которых они гасятся или развязываются. В соответствии с различными вариантами реализации токопроводящие пути могут быть на любой монтажной подложке ИС или подложке SiP, такой как подложка BGA или PGA для одиночных ИС, либо подложка SiP или MCM, либо даже подложка тонкопленочного пассивного компонента, или для любой системы с одним или более компонентами на подложке.

[00784] Некоторые варианты реализации изобретения предусматривают корпус 3910 ИС, содержащий подложку, шину 3920 питания и один или более виртуальных узлов, соединенных с контактной площадкой 3930. Подложка может быть подложкой BGA, подложкой PGA, подложкой SiP, подложкой MCM или подложкой тонкопленочного пассивного компонента. Шина 3920 питания может включать в себя один или более токопроводящих путей, имеющих низкое сопротивление, приводящее к пренебрежимо малому падению напряжения на сопротивлении для распределения питания, реализованного на подложке. Один или более токопроводящих путей включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Один или более виртуальных узлов формируются заземляющими соединениями, разведенными по подложке, при этом каждое заземляющее соединение включает в себя второй ЧНС-материал и второй модифицирующий материал, связанный со вторым ЧНС-материалом.

[00785] В некоторых вариантах реализации один или более токопроводящих путей могут быть выполнены с образованием несколько доменов напряжения. Корпус 3910 ИС также может включать в себя один или более узлов виртуального внешнего источника питания, созданных из нескольких доменов напряжения и заземляющих соединений. Корпус ИС может включать в себя набор межсоединений 3950 с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ) и интегральную схему, соединенную с узлами виртуального внешнего источника питания через одно или более ЧНСМ в наборе ЧНСМ. Интегральная схема в некоторых вариантах реализации может иметь схему низкого напряжения с рабочим напряжением приблизительно в 0,25 вольта или менее. В некоторых вариантах реализации корпус 3910 ИС может иметь несколько слоев и иметь многослойное распределение питания в нескольких слоях, как показано посредством 3960. В некоторых вариантах реализации корпус 3910 ИС также может включать в себя набор проводных соединений 3940 и одну или более интегральных схем, соединенных с узлами виртуального внешнего источника питания через одно или более проводных соединений 3940 в наборе проводных соединений.

[00786] Различные варианты реализации изобретения включают в себя схему с источником напряжения, одну или более интегральных схем и корпус 3910 ИС с распределением электропитания, чтобы подавать питание из источника напряжения в одну или более интегральных схем. Корпус 3910 ИС может включать в себя подложку, шину 3920 питания и один или более виртуальных узлов. В соответствии с различными вариантами реализации подложка может быть подложкой BGA, подложкой PGA, подложкой SiP, подложкой MCM, подложкой тонкопленочного пассивного компонента или т.п. Шина 3920 питания может иметь один или более токопроводящих путей с низким сопротивлением для распределения питания, реализованного на подложке, и может образовывать несколько доменов напряжения с узлами виртуального внешнего источника питания. Низкое сопротивление в токопроводящих путях приводит к пренебрежимо малому падению напряжения на сопротивлении. В некоторых вариантах реализации корпус 3910 ИС может включать в себя несколько слоев 3960, что обеспечивает многослойное распределение питания в нескольких слоях 3960.

[00787] Один или более токопроводящих путей могут включать в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Один или более виртуальных узлов могут быть сформированы заземляющими соединениями, разведенными по подложке. Каждое заземляющее соединение может включать в себя второй ЧНС-материал и второй модифицирующий материал, связанный со вторым ЧНС-материалом.

[00788] В некоторых вариантах реализации схема включает в себя набор ЧНСМ, соединяющих одну или более интегральных схем с узлами виртуального внешнего источника питания через набор ЧНСМ. В других случаях схема может включать в себя набор проводных соединений 3940, соединяющих одну или более интегральных схем с узлами виртуального внешнего источника питания через набор проводных соединений 3940.

[00789] Специалисты в данной области техники поймут, что использование ЧНСМ для распределения питания на подложке обеспечивает новые способы и материалы для помещения в корпус, чтобы значительно уменьшать шум и потребление мощности при доработке существующих изделий, которые используют ИС. Использование ЧНСМ также должно улучшать конструкцию аналоговых схем на ИС, поскольку допустимые запасы по питанию будут подаваться на контактные площадки ИС при строгом и надежном управлении. Помимо этого, использование ЧНСМ обеспечивает возможность новых изделий, которые являются неосуществимыми в технологии предшествующего уровня техники. Например, некоторые аналоговые схемы на ИС с цифровыми схемами, которые не работают совместно в современной технологии, поскольку допустимые запасы по напряжению не могут доставляться к контактной площадке ИС, будут осуществимыми в рамках парадигмы изобретения. Другой пример включает в себя новые схемы и схемные архитектуры, которые станут осуществимыми при более низком уровне мощности. В других случаях ИС могут использовать мощность, захваченную из окружающей среды, посредством использования ЧНСМ для РЧ-антенны на монтажной подложке с соединениями с ИС. Другие примеры включают в себя схемы чрезвычайно низкого напряжения (в рабочем диапазоне в 0,25 В или менее), которые требуют помещения в корпус с чрезвычайно низким падением напряжения. Еще другие примеры включают в себя переконфигурируемые ИС с МЭМС-переключателями, управляемыми посредством датчиков и/или логических элементов, реализованных в аппаратных средствах и/или программном обеспечении.

[00790] В дополнение к выполнению токопроводящих путей для источников напряжения, ЧНСМ-материал может использоваться для разводки сигналов на монтажной подложке ИС (или подложке SiP). Использование ЧНСМ повышает качество межсоединения (по сравнению с текущим уровнем техники) посредством предоставления путей прохождения сигналов почти с нулевым сопротивлением. В некоторых вариантах реализации токопроводящие пути могут быть разведены на паре или парах ортогонально направленных слоев так, что они соединяются с контактными площадками ИС, штырьковыми выводами подложки или любым другим компонентом в корпусе. Во многих случаях использование ЧНСМ-материала для разводки сигналов уменьшает время проектирования за счет исключения итеративных мер по уменьшению отрицательных последствий конструкции, которые в настоящее время требуются вследствие вызываемых сопротивлением проблем синхронизации в соответствии с технологией текущего уровня техники. Использование ЧНСМ-материала также может сделать возможными допустимые запасы для большего числа ИС или других компонентов на подложке, которые в иных случаях удовлетворяли бы конструктивным требованиям при использовании в соответствии с технологией текущего уровня техники.

[00791] Различные варианты реализации изобретения включают в себя корпус ИС, содержащий подложку с набором компонентов (например, штырьковых выводов подложки, ИС низкого напряжения и т.д.) и все требуемые токопроводящие пути. В соответствии с различными вариантами реализации подложка может быть подложкой BGA, подложкой PGA, подложкой SiP, подложкой MCM, подложкой тонкопленочного пассивного компонента или т.п. Корпус ИС может иметь нескольких слоев, обеспечивающих возможность разводки одного или более токопроводящих путей на паре или парах ортогональных направленных слоев, отделенных изолятором, с конкретным соединением сквозных межсоединений, сконструированных с возможностью соответственно соединять все непрерывные токопроводящие пути.

[00792] Один или более токопроводящих путей обеспечивают межсоединения между набором компонентов и могут включать в себя межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (т.е. почти нулевым сопротивлением) для разводки сигналов на подложке. Согласно некоторым вариантам реализации межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00793] Некоторые варианты реализации включают в себя схему, имеющую источник напряжения, одну или более интегральных схем (например, с формирователем выходных сигналов пониженной мощности) и корпус ИС. Корпус ИС может иметь набор компонентов (например, контактных площадок ИС, штырьковых выводов подложки и т.д.), взаимно соединенных набором путей разводки сигналов, которые переносят сигналы между источником напряжения и одной или более интегральных схем. Корпус ИС может включать в себя подложку и сигнальную шину. Сигнальная шина может иметь один или более токопроводящих путей для разводки сигналов на подложке. В некоторых вариантах реализации один или более токопроводящих путей включают в себя межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (например, почти нулевым), имеющие первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. В некоторых вариантах реализации подложка может включать в себя РЧ-антенну с первым слоем РЧ-антенны, состоящим из ЧНС-материала, и вторым слоем РЧ-антенны, состоящим из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя РЧ-антенны.

[00794] Специалисты в данной области техники поймут, что традиционные межсоединения приводят к распределенному напряжению ʺпадение напряжения на сопротивленииʺ, инициирующему итеративные меры по уменьшению отрицательных последствий схемной конструкции, включая большее число слоев на подложке для того, чтобы разводить сигналы и уменьшать уровень шума между линиями. Помимо этого, шум не может гаситься, когда сопротивление является настолько повсеместным, что наиболее распространенное уменьшение отрицательных последствий заключается в том, чтобы обеспечивать разделение и изоляцию линий друг от друга, что использует больше ресурсов для разводки. Различные варианты реализации ЧНСМ-разводки уменьшают рассеяние мощности, вызываемое прохождением тока через сопротивление линий подложки, в дополнение к уменьшению напряжения ʺпадение напряжения на сопротивленииʺ сигнала до пренебрежимо малой величины, уменьшая потерянную мощность формирователя выходных сигналов ИС.

[00795] Различные варианты реализации используют ЧНСМ для разводки сигналов на монтажной подложке ИС. Использование ЧНСМ для разводки сигналов приведет к новым способам и материалам для помещения в корпус, чтобы значительно уменьшать шум и потребление мощности при доработке существующих изделий, которые используют ИС. Кроме того, использование ЧНСМ для того, чтобы разводить сигналы, улучшит конструкцию аналоговых схем на ИС, поскольку допустимые запасы по сигналам доставляются на контактные площадки ИС при строгом и надежном управлении. Помимо этого, использование ЧНСМ для разводки сигналов должно обеспечивать возможность создания новых изделий, которые являются неосуществимыми в технологии предшествующего уровня техники. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, аналоговые схемы на ИС с цифровыми схемами, которые не работают совместно в современной технологии, поскольку допустимые запасы по напряжению не могут доставляться на контактную площадку ИС. Новые изобретенные схемы и схемные архитектуры станут осуществимыми при более низком токе, более низкой мощности и более строгих допустимых запасах. ИС могут использовать мощность, собираемую из окружающей среды, посредством использования ЧНСМ для РЧ-антенны на монтажной подложке, с соединениями с ИС. Другие примеры включают в себя использование схем чрезвычайно низкого напряжения (в рабочем диапазоне в 0,25 В или менее), которые требуют помещения в корпус с чрезвычайно низким падением напряжения.

[00796] Фигура 40-I является блок-схемой 4000, показывающей набор примерных операций для изготовления РЧ-антенны, системы распределения питания и/или сигнальной шины с использованием ЧНСМ на подложке. ЧНСМ может быть изготовлено на основе типа материалов, применения ЧНСМ, размера компонента, использующего ЧНСМ, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей ЧНСМ, и т.д.

[00797] В вариантах реализации, показанных на фигуре 40-I, при первой операции 4010 осаждения осаждают первый слой материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) на подложке. В соответствии с различными вариантами реализации первый слой может содержать любой подходящий материал, к примеру, YBCO или BSCCO. Второй слой, состоящий из модифицирующего материала на первом слое ЧНС-материала, создающего ЧНС-межсоединения, осаждают во время второй операции 4020 осаждения. Второй слой может включать в себя любой подходящий материал, к примеру, хром, медь, висмут, кобальт, ванадий, титан, родий, бериллий, галлий, серебро или селен. Материал, используемый в качестве первого или базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик. Примеры включают затраты, требуемые рабочие характеристики, доступное оборудование, доступные материалы и/или другие соображения и характеристики. При операции 4030 обработки обрабатывают ЧНС-межсоединения, чтобы сформировать РЧ-антенну, систему распределения питания и/или сигнальную шину с одним или более токопроводящих путей, способных разводить сигналы на подложке.

[00798] В некоторых примерах токопроводящие пути, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов, могут быть использованы в корпусных интегральных схемах. Например, фигура 41A-I является блок-схемой корпуса интегральной схемы с внутрикорпусными соединениями, сформированными из модифицированного ЧНС-материала. Корпус 4402 интегральной схемы включает в себя кристаллы 4404 и 4406 и токопроводящий путь 4408 из модифицированного ЧНС-материала, электрически соединяющего кристалл 4404 с 4406. Типично для этих межкристальных соединений в корпусах интегральных схем используются традиционные проводящие материалы, например, медь и алюминий. Однако посредством использования токопроводящих путей, сформированных из модифицированного ЧНС-материала, межкристальная связь является более быстрой и более эффективной.

[00799] Другой пример модифицированных ЧНС-материалов, используемых при помещении в корпус интегральной схемы, показан на фигуре 41B. Корпус 4452 интегральной схемы на фигуре 41B включает в себя кристалл 4454, штырьковые выводы 4456, чтобы соединять кристалл с внешними компонентами, и модифицированный ЧНС-нанопровод 4458, чтобы электрически соединять штырьковые выводы 4456 с кристаллом 4454. В некоторых примерах штырьковые выводы 4456 также могут быть сформированы из модифицированного ЧНС-материала. Описанные выше преимущества, которые реализуются в результате использования модифицированных ЧНС-материалов для токопроводящих путей, могут быть использованы для того, чтобы более быстро и эффективно передавать сигналы в систему, в которой корпусная интегральная схема является компонентом.

[00800] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалисты в данной области техники осознают, что и другие системы, устройства, материалы и применения, которые включают в себя токопроводящие пути, могут использовать ЧНСМ, описанные здесь.

[00801] На фигурах размеры различных проиллюстрированных элементов или компонентов и поперечные размеры и толщины различных слоев не обязательно нарисованы в масштабе, и эти различные элементы могут быть произвольно увеличены или уменьшены для того, чтобы повысить понятность. Кроме того, сведения о компонентах абстрагированы на фигурах, чтобы исключать такие подробности, как точная геометрическая форма или размещение компонентов, а также определенные точные соединения между такими компонентами, если такие подробности являются лишними для подробного описания изобретения. Когда такие подробности являются лишними для понимания изобретения, показанные характерные геометрии, межсоединения и конфигурации предназначены иллюстрировать общие принципы разработки или принципы действия, а не быть исчерпывающими.

[00802] В некоторых вариантах реализации интегральная схема, компонент и/или устройство, которые включают в себя модифицированные ЧНС-материалы, могут быть описаны следующим образом:

[00803] Интегральная схема, содержащая: контактную площадку ввода-вывода; схему защиты от электростатических разрядов; токопроводящий путь, соединяющий контактную площадку ввода-вывода со схемой защиты от электростатических разрядов; и заземляющую сеть, соединенную со схемой защиты от электростатических разрядов; при этом токопроводящий путь и заземляющая сеть сформированы из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00804] Интегральная схема, содержащая: диэлектрическую подложку; токопроводящий путь, расположенный на диэлектрической подложке интегральной схемы, причем токопроводящий путь сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и при этом по меньшей мере часть токопроводящего пути является модифицированной лазером секцией, так что модифицированная лазером секция имеет более высокое сопротивление, чем остальная часть токопроводящего пути.

[00805] Интегральная схема, содержащая: диэлектрическую подложку; токопроводящий путь, расположенный на диэлектрической подложке интегральной схемы, причем токопроводящий путь сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и при этом множество секций токопроводящего пути включает в себя по меньшей мере одну модифицированную лазером секцию, так что эта по меньшей мере одна модифицированная лазером секция имеет более высокое сопротивление, чем остальная часть токопроводящего пути.

[00806] Интегральная схема, содержащая: токопроводящий путь, расположенный на диэлектрическом слое интегральной схемы, при этом токопроводящий путь сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и источник магнитного поля для создания магнитного поля, влияющего на часть токопроводящего пути таким образом, что модифицированный ЧНС-материал затронутой влиянием части токопроводящего пути является более резистивным, чем не затронутой влиянием части.

[00807] Интегральная схема, содержащая: токопроводящий путь, расположенный на диэлектрическом слое интегральной схемы, при этом токопроводящий путь сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и ячейку магниторезистивного оперативного запоминающего устройства (MRAM) для создания магнитного поля, влияющего на часть токопроводящего пути таким образом, что модифицированный ЧНС-материал затронутой влиянием части токопроводящего пути является более резистивным, чем не затронутой влиянием части.

[00808] Интегральная схема, содержащая: диэлектрическую подложку; токопроводящий путь, расположенный на диэлектрической подложке интегральной схемы, причем токопроводящий путь сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и при этом по меньшей мере часть токопроводящего пути имеет иные размеры, чем остальная часть токопроводящего пути, образуя элемент ограничения по току, так что критический ток элемента ограничения по току меньше критического тока остальной части токопроводящего пути.

[00809] Интегральная схема (ИС), содержащая: множество токопроводящих путей, при этом по меньшей мере один из множества токопроводящих путей состоит из межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; микроэлектромеханическую систему (МЭМС); и набор схем, соединенных с МЭМС через упомянутые один или более токопроводящих путей.

[00810] Интегральная схема (ИС), содержащая: один или более токопроводящих путей, состоящих из межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; сеть из одной или более микроэлектромеханических систем (МЭМС); и набор схем, соединенных с сетью МЭМС через упомянутые один или более токопроводящих путей.

[00811] Интегральная схема (ИС), содержащая: один или более токопроводящих путей, состоящих из межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; микроэлектромеханическую систему (МЭМС); и набор пассивных компонентов, соединенных с МЭМС через упомянутые один или более токопроводящих путей.

[00812] Корпус интегральной схемы (ИС), содержащий: монтажную подложку ИС, имеющую один или более токопроводящих путей, состоящих из межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; микроэлектромеханическую систему (МЭМС); и сеть компонентов, соединенных с МЭМС через упомянутые один или более токопроводящих путей.

[00813] Микроэлектромеханическая система (МЭМС), содержащая: один или более компонентов, включающих в себя первый слой, имеющий материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, имеющий модифицирующий материал, связанный с ЧНС-материалом первого слоя.

[00814] Микроэлектромеханическая система (МЭМС), содержащая: порт ввода, чтобы принимать входной сигнал снаружи МЭМС; компонент, выполненный с возможностью принимать входной сигнал и генерировать реакцию; и один или более токопроводящих путей, соединяющих компонент с портом ввода, чтобы позволить переносить входной сигнал к компоненту, при этом упомянутые один или более токопроводящих путей включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00815] Микроэлектромеханическая система (МЭМС), содержащая: порт вывода; компонент, выполненный с возможностью генерировать сигнал; и один или более токопроводящих путей, соединяющих компонент с портом вывода, чтобы позволить переносить сгенерированный компонентом сигнал к порту вывода, при этом упомянутые один или более токопроводящих путей включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00816] Интегральная схема (ИС), содержащая: монтажную подложку ИС; и радиочастотный (РЧ) компонент на монтажной подложке ИС, при этом РЧ-компонент включает в себя подсхемы, взаимно соединенные через один или более токопроводящих путей, содержащих модифицированное межсоединение с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющее первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00817] Интегральная схема (ИС), содержащая: радиочастотную (РЧ) антенну, имеющую один или более токопроводящих путей, при этом упомянутые один или более токопроводящих путей включают в себя модифицированное межсоединение с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющее первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00818] Монолитная микроволновая интегральная схема (ММИС), изготовленная из единого куска кремния, причем ММИС содержит: межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющие первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; радиочастотный (РЧ) фильтр, включающий в себя один или более пассивных элементов; РЧ-усилитель, соединенный с РЧ-фильтром посредством ЧНСМ; и РЧ-антенну, соединенную РЧ-усилителем посредством ЧНСМ.

[00819] Беспроводное устройство, содержащее: монолитную микроволновую интегральную схему (ММИС), имеющую радиочастотную (РЧ) схему приемника и передатчика, соединенную с источником питания, при этом РЧ-схема приемника и передатчика включает в себя: межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющие первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; радиочастотный (РЧ) фильтр, включающий в себя один или более пассивных элементов; РЧ-усилитель, соединенный с РЧ-фильтром посредством ЧНСМ; и РЧ-антенну, соединенную с РЧ-усилителем посредством ЧНСМ.

[00820] Интегральная схема (ИС), содержащая: подложку ИС, имеющую один или более токопроводящих путей, состоящих из межсоединения с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющего первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; набор схем, реализованных на подложке ИС; первый программируемый блок, соединенный с набором схем через упомянутые один или более токопроводящих путей, при этом первый программируемый блок включает в себя: процессор цифровых сигналов (ПЦС), реализованный на подложке; радиочастотный (РЧ) передатчик, соединенный с ПЦС; и встроенное ядро, реализованное на подложке ИС, при этом встроенное ядро является программируемым на выполнение одной или более функций и соединено с ПЦС; и набор программируемых блоков ЧНСМ, содержащих компоненты, изготовленные из ЧНСМ.

[00821] Интегральная схема, содержащая: подложку; и множество токопроводящих путей, расположенных на подложке; при этом по меньшей мере один из множества токопроводящих путей сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего ЧНС-материал, и модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом.

[00822] Интегральная схема, содержащая: первый компонент; второй компонент; и множество токопроводящих путей, включая конкретный токопроводящий путь, электрически соединяющий первый компонент со вторым компонентом; при этом конкретный токопроводящий путь сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00823] Сеть распределения питания для интегральной схемы, содержащая: токопроводящий путь для электрического соединения источника питания с по меньшей мере одним компонентом интегральной схемы, причем источник питания является внешним или внутренним по отношению к интегральной схеме, а токопроводящий путь расположен на подложке интегральной схемы; при этом токопроводящий путь сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00824] Сеть распространения синхросигналов для интегральной схемы, содержащая: формирователь синхросигналов; магистральный токопроводящий путь, электрически соединенный с формирователем синхросигналов, причем токопроводящий путь сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и множество токопроводящих путей с ветвлением, электрически соединенных с магистральным токопроводящим путем через множество сквозных межсоединений, причем множество токопроводящих путей с ветвлением сформированы из модифицированной ЧНС-пленки.

[00825] Сеть распространения сигналов для интегральной схемы, содержащая: множество токопроводящих путей, расположенных на подложке интегральной схемы; при этом по меньшей мере один из множества токопроводящих путей сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00826] Интегральная схема, содержащая: аналоговую схему; и схему компенсации, электрически соединенную с аналоговой схемой токопроводящим путем; при этом токопроводящий путь сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00827] Интегральная схема, содержащая: множество ячеек запоминающего устройства; и считывающий усилитель, электрически соединенный с ячейкой запоминающего устройства из множества ячеек запоминающего устройства; при этом множество ячеек запоминающего устройства соединены со считывающим усилителем через множество токопроводящих путей, при этом по меньшей мере один из множества токопроводящих путей сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00828] Процессор потоков данных, содержащий: функциональную ячейку; шину, электрически соединенную с функциональной ячейкой; и линию передачи инструкций, соединенную с функциональной ячейкой; при этом шина и линия передачи инструкций сформированы из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00829] Интегральная схема (ИС), содержащая: монтажную подложку ИС с одним или более токопроводящих путей, содержащих модифицированное межсоединение с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ), имеющее первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; радиочастотную (РЧ) антенну, реализованную на монтажной подложке ИС; и РЧ-схему, реализованную на монтажной подложке ИС, при этом РЧ-антенна соединена с РЧ-схемой через ЧНСМ.

[00830] Корпус ИС, содержащий: подложку; шину питания с одним или более токопроводящих путей для распределения питания, реализованных на подложке, при этом один или более токопроводящих путей включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; и один или более виртуальных узлов, сформированных заземляющими соединениями, разведенными по подложке, при этом заземляющие соединения включают в себя первый слой заземляющих соединений, состоящий из второго ЧНС-материала, и второй слой заземляющих соединений, состоящий из второго модифицирующего материала, связанного со вторым ЧНС-материалом первого слоя заземляющих соединений.

[00831] Улучшенный путь разводки сигналов для использования на подложке, причем путь разводки сигналов включает в себя один или более токопроводящих путей, при этом улучшение характеризуется тем, что один или более токопроводящих путей включают в себя первый слой, состоящий из материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00832] Система в одном корпусе (SiP), содержащая: множество кристаллов; и токопроводящий путь, электрически соединяющий первый кристалл из множества кристаллов со вторым кристаллом из множества кристаллов; при этом токопроводящий путь сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

Глава 9. Вращающиеся машины, сформированные из ЧНС-материалов

[00833] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37A-J по 43-J; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00834] Описываются вращающиеся машины, к примеру, электродвигатели, генераторы, устройства преобразования энергии и/или маховики, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных, щелевых и/или других новых материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В некоторых примерах вращающиеся машины включают в себя роторы, имеющие обмотки, сформированные из ЧНС-материалов, статоры, имеющие обмотки, сформированные из ЧНС-материалов, и/или другие компоненты, сформированные из ЧНС-материалов. Например, обмотки ротора состоят из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей слой YBCO и модифицирующий слой. Модифицированные ЧНС-материалы оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики вращающихся машин при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[00835] В некоторых примерах ЧНС-материалы изготавливают, исходя из типа материалов, применения ЧНС-материалов, размера компонента, использующего ЧНС-материалы, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей ЧНС-материалы, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления вращающейся машины, материал, используемый в качестве базового слоя модифицированной ЧНС-пленки, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя модифицированной ЧНС-пленки, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик.

[00836] Фигура 37A-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей вращающуюся машину 3700, использующую ЧНС-материалы. Вращающаяся машина 3700 включает в себя статор 3710 и ротор 3720, или якорь. Статор 3710, в этом примере постоянный магнит, имеющий северный (N) полюс и противоположный южный (S) полюс, создает магнитное поле в зазоре 3712, который содержит обмотку 3730 на основе ЧНС ротора 3720. Обмотка 3730 сформирована из модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов, таких как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и сформированный на базовом слое модифицирующий слой. Различные подходящие ЧНС-материалы подробно описываются здесь.

[00837] Аккумулятор 3726 или другой источник электричества прикладывает напряжение (переменного или постоянного тока) к обмотке 3730 на основе ЧНС через выводы 3728, вызывая протекание тока в обмотке 3730 на основе ЧНС. Обмотка 3730 на основе ЧНС оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока в обмотке 3730 при температурах более высоких, чем используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температурах окружающей среды (например, при ~21 градусе по Цельсию). Электрический ток в обмотке 3730 на основе ЧНС создает магнитное поле в магнитном поле статора 3710, давая крутящий момент на роторе 3720 и заставляя ротор 3720 вращаться в зазоре 3712 (т.е. обмотка 3730 вращается в пределы и за пределы страницы) или иным образом относительно статора 3710, к примеру, вокруг полуоси 3724 или другой несущей конструкции ротора 3720 и/или вокруг себя, к примеру, для роторов, которые не включают в себя несущую конструкцию.

[00838] В некоторых примерах ЧНС-материал, который образует обмотку 3730 или другие компоненты, может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, при ~80-135 K) и комнатными температурами (например, ~294K), или при других температурах ниже температуры, окружающей обмотку 3730 или соответствующую вращающуюся машину. Например, ЧНС-материал может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между 150 K и 313 K или выше.

[00839] Фигура 37B-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей вращающуюся машину 3750, имеющую систему охлаждения. Аналогично вращающейся машине 3700, показанной на фигуре 37A-J, вращающаяся машина 3750 включает в себя статор 3710 и ротор 3720, имеющий обмотку 3730 на основе ЧНС, которая оказывает чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при различных высоких температурах (например, при T>150 K). Вращающаяся машина 3750 включает в себя систему 3760 охлаждения, такую как криоохладитель или криостат, используемую для того, чтобы охлаждать обмотку 3730 до критической температуры используемого в обмотке 3730 вращающейся машины 3750 типа модифицированной ЧНС-пленки. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение обмотки 3710 до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре льда, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материала, используемого в обмотке 3730 ротора 3720, и может охлаждать обмотку 3730 до температуры ниже температуры окружающей обмотку 3730 среды.

[00840] В некоторых примерах система 3760 охлаждения может включать в себя или обмениваться данными с компонентом контроля (не показан). Компонент контроля может отслеживать, помимо прочего, температуру ЧНС-обмотки, ротора, статора и/или вращающейся машины, удельное сопротивление ЧНС-компонента и другие параметры. В ходе контроля компонент контроля может вынуждать систему охлаждения увеличивать и/или уменьшать применяемую температуру или охладитель, когда отслеживаемый параметр удовлетворяет определенному пороговому значению. Например, если отслеживаемая температура поднимается выше (или достигает) критической температуры ЧНС-материала, компонент контроля может вынуждать систему охлаждения понижать температуру ЧНС-материала. Конечно, специалисты в данной области техники поймут, что могут использоваться и другие технологии при контроле и/или регулировании работы системы охлаждения.

[00841] Хотя это показано на фигурах 37A-J и 37B-J обобщенно, вращающиеся машины 3700 или 3750 могут быть электродвигателем постоянного тока, электродвигателем переменного тока, генератором, генератором переменного тока, преобразователем механической энергии в электроэнергию, инвертором или другими машинами и устройствами, которые преобразуют электроэнергию в механическую энергию и/или одну форму электроэнергии в другую форму электроэнергии (например, переменный ток в постоянный ток). Более подробная информация касательно различных вращающихся машин, которые могут извлекать выгоду из реализации ЧНС-материалов, поясняется здесь.

[00842] В дополнение к самонесущей обмотке, показанной на фигурах 37A-J и 37B-J, ротор 3720 вращающейся машины 3700 может быть выполнен множеством способов, исходя из ряда факторов, включая тип вращающейся машины, использование или применение вращающейся машины, размер вращающейся машины, требования к работе вращающейся машины, тип ЧНС-материала и т.д. Фигуры 38A-J-38G-J являются принципиальными схемами различных роторов для использования во вращающихся машинах, которые используют модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы, хотя специалисты в данной области техники поймут, что другие роторы, конкретно не поясненные, также могут использовать ЧНС-материалы, поясненные здесь.

[00843] Фигура 38A-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3800, имеющий обмотку, сформированную из ЧНС-пленки 3802, и несущую конструкцию 3804, поддерживающую модифицированную ЧНС-пленку 3802. ЧНС-пленка 3802 может быть сформирована на несущей конструкции 3804, к примеру, посредством формирования ЧНС-пленки 3802 в виде ленты, фольги или другого аналогичного компонента. Несущая конструкция 3804 может быть образована из железа или других подходящих материалов (например, других магнитных материалов, керамики, аморфных металлов и т.д.), способных обеспечить опору ЧНС-пленке, обеспечить стойкость к магнитным полям, создаваемым протекающим через ЧНС-пленку 3802 током, и т.д.

[00844] Существуют различные методы получения и изготовления лент из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может быть введена текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения в растворе для того, чтобы формировать модифицированные ЧНС-пленки.

[00845] Фигура 38B-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3810, имеющий обмотку, сформированную в виде провода 3812 на основе ЧНС, и опорный слой 3814. Хотя на фигуре провод 3812 сформирован в рамках опорного слоя 3814, в некоторых случаях провод может быть самонесущим или формироваться вокруг опорного слоя 3814.

[00846] При формировании ЧНС-провода несколько ЧНС-лент или фольг могут размещаться сэндвичем с образованием макропровода. Например, обмотка может включать в себя несущую конструкцию и одну или более ЧНС-лент или фольги, поддерживаемых несущей конструкцией.

[00847] В дополнение к ЧНС-проводам, описанные здесь обмотки могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[00848] Фигура 38C-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3820, имеющий обмотку 3822, сформированную из ЧНС-материалов, таких как модифицированная ЧНС-лента или провод, и сердечник или вал 3824, такой как железный сердечник. В некоторых случаях число витков в обмотке 3822 выбирается на основе требуемого крутящего момента в роторе 3820 или других факторов. В некоторых случаях тип материала, используемого для обмотки 3822 и/или сердечника 3824, выбирается на основе требуемого крутящего момента в роторе 3820 или других факторов.

[00849] Фигура 38D-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3830, имеющий обмотку 3832, сформированную ЧНС-материалов, таких как модифицированная ЧНС-лента или провод, и круглый сердечник 3834, такой как железный сердечник. В некоторых случаях число витков в обмотке 3822 выбирается на основе требуемого крутящего момента в роторе 3830 или других факторов. В некоторых случаях тип материала, используемого для обмотки 3832 и/или сердечника 3834, выбирается на основе требуемого крутящего момента в роторе 3830 или других факторов.

[00850] Фигура 38E-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3840, имеющий стержни 3842, сформированные из ЧНС-материалов, таких как модифицированная ЧНС-лента или нанопровод, и несущую конструкцию 3844. Ротор 3840 может быть аналогичным роторам ʺс беличьей клеткойʺ, известным в данной области техники, или другим аналогичным роторам.

[00851] Фигура 38F-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3850, имеющий кольцо 3852, сформированное из ЧНС-материалов, и одно или более опорных колец 3854. В некоторых случаях ЧНС-кольцо 3852 может представлять собой одно непрерывное кольцо вокруг оси вращения ротора 3850. В некоторых случаях ЧНС-кольцо 3852 может представлять собой два или более дискретных кольца вокруг оси вращения ротора 3850.

[00852] Фигура 38G-J является принципиальной схемой, иллюстрирующей ротор 3860, имеющий несколько полос или стержней 3862, сформированных ЧНС-материалов, таких как модифицированные ЧНС-ленты или нанопровода, и несущую конструкцию 3864. В некоторых случаях ЧНС-полосы или стержни 3862 сформированы на несущей конструкции 3864, которая идет по длине ротора 3860. В некоторых случаях несущая конструкция 3864 поддерживает концы полос или стержней 3862, и ротор 3860 является аналогичным по конструкции ротору ʺс беличьей клеткойʺ.

[00853] Как упомянуто выше, специалисты в данной области техники поймут, что роторы, рассматриваемые для использования с описанными здесь ЧНС-материалами, могут принимать формы, отличные от форм, проиллюстрированных на фигурах 38A-J-38G-J. То есть ЧНС-материалы могут быть изготовлены множеством способов, чтобы достигать требуемых форм. ЧНС-материалы могут быть сформированы в провода, ленты, стержни, полосы, нанопровода, пленки, фольгу, другие формы или структуры и/или другие геометрии, способные на перемещение или перенос тока из одной точки в другую, с тем чтобы создавать магнитное поле. Хотя некоторые подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых обмоток, роторов, статоров и/или других компонентов, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине, в дополнение к отличиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур.

[00854] В некоторых примерах тип ЧНС-материалов, используемых в обмотках и/или других компонентах или устройствах, может быть определен типом применения, использующего ЧНС-материалы. Например, некоторые применения могут использовать ЧНС-материалы, имеющие ЧНС-слой BSCCO, тогда как другие варианты применения могут использовать ЧНС-слой YBCO. То есть описанные здесь ЧНС-материалы могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или провода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа машины или компонента, использующего ЧНС-материалы, помимо прочих факторов.

[00855] В дополнение к роторам, другие компоненты вращающейся машины могут использовать описанные здесь ЧНС-материалы. Например, статоры, имеющие проводящие обмотки, выводы между компонентами (к примеру, выводы аккумулятора) и другие компоненты, могут использовать ЧНС-материалы. Далее поясняются различные вращающиеся машины и компоненты, которые могут использовать описанные здесь ЧНС-материалы.

[00856] Фигурах 37A-J и 37B-J изображают вращающиеся машины, имеющие ротор с обмоткой из модифицированной ЧНС-пленки, которая переносит ток при чрезвычайно низком сопротивлении, чтобы создавать магнитное поле. Тем не менее, в некоторых примерах вращающаяся машина может включать в себя статор, имеющий обмотку из модифицированной ЧНС-пленки, которая переносит ток, чтобы создавать магнитное поле в зазоре, вмещающем ротор. Фигура 39-J является принципиальной схемой вращающейся машины 3900, имеющей статор с ЧНС-обмоткой. Вращающаяся машина 3900 включает в себя статор, имеющий несущую конструкцию 3912 и обмотку 3914, сформированную из модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов, таких как модифицированный ЧНС-провод или лента. Ротор 3920 сидит в зазоре 3915 статора 3910. Ротор 3920 включает в себя один или более ЧНС-компонентов, таких как стержни 3922, удерживаемые вместе несущей конструкцией 3924.

[00857] Как пояснено здесь, ЧНС-обмотка 3914 и/или ЧНС-стержни 3922 могут быть сформированы множеством способов с использованием множества различных материалов. Например, обмотка может быть сформирована из модифицированной ЧНС-ленты или провода.

[00858] Таким образом, описанные здесь ЧНС-материалы могут быть использованы в качестве или во множестве различных компонентов вращающейся машины, в том числе в качестве или в обмотке ротора, в качестве или в обмотке статора, в качестве или в стержне или роторе, в качестве или в ленте, в качестве или в кольце, в качестве вывода или другого соединительного элемента между компонентами и т.д. Множество вращающихся машин, включая электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока, вращающиеся преобразователи энергии (из переменного тока в постоянный ток, из постоянного тока в постоянный ток, из постоянного тока в переменный ток), маховики и другие, могут использовать такие пленки. Далее поясняются несколько примеров.

[00859] Фигура 40-J является принципиальной схемой щеточного электродвигателя 4000 постоянного тока, использующего ЧНС-материалы. Щеточный электродвигатель 4000 постоянного тока включает в себя статор 4010, образованный из постоянного магнита, ротор 4020, образованный из сердечника 4022 (например, железного, керамического, из аморфного металла, воздушного), и обмотку 4024 на основе ЧНС, полуось 4021 или другую опору, которая способствует вращению ротора 4020 в статоре 4010, щетки 4026, которые подают ток в обмотки 4024 из источника 4030 тока, и коммутатор 4028, который коммутирует обмотки 4024 ротора 4020.

[00860] Различные типы щеточных электродвигателей постоянного тока или шаговых электродвигателей могут использовать модифицированные ЧНС-пленки в качестве или в различных компонентах, включая щеточные электродвигатели постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC), щеточные электродвигатели постоянного тока шунтового возбуждения (SHWDC), щеточные электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением (SWDC), электродвигатели смешанного возбуждения (CWDC) и т.д.

[00861] Фигура 41-J является принципиальной схемой бесщеточного электродвигателя 4100 постоянного тока, использующего ЧНС-материалы. Бесщеточный электродвигатель 4100 постоянного тока включает в себя статор 4110, сформированный из несущей конструкции 4114 и обмотки 4112 из модифицированной ЧНС-пленки, датчиков 4116 на эффекте Холла и коммутаторов 4118 на эффекте Холла, и ротор 4120, сформированный из постоянного магнита, который вращается в статоре 4110. Различные типы бесщеточных электродвигателей постоянного тока или электродвигателей с электронной коммутацией могут использовать ЧНС-материалы в качестве или в различных компонентах.

[00862] Фигура 42-J является принципиальной схемой электродвигателя 4200 переменного тока, использующего ЧНС-материалы. Асинхронный электродвигатель 4200 переменного тока включает в себя статор 4210, имеющий ЧНС-обмотку 4214, намотанную вокруг полюсов 4212 статора 4210, и ротор 4220, имеющий проводящие элементы 4222 (которые могут быть ЧНС-материалами) и вал 4224 или другую несущую конструкцию, который(ая) вращается в статоре 4210.

[00863] Различные типы электродвигателей переменного тока могут использовать ЧНС-материалы в качестве или в различных компонентах, включая однофазные асинхронные электродвигатели (например, асинхронные электродвигатели с расщепленной фазой, асинхронные электродвигатели с конденсаторным пуском, асинхронные электродвигатели с постоянно включенным конденсатором, асинхронные электродвигатели с конденсаторным пуском и работой, асинхронные электродвигатели переменного тока с экранированным полюсом и т.д.) и трехфазные асинхронные электродвигатели (например, электродвигатели ʺс беличьей клеткойʺ, электродвигатели с фазным ротором и т.д.).

[00864] Конечно, специалисты в данной области техники поймут, что описанные здесь ЧНС-материалы могут использовать другие вращающиеся машины, включая универсальные электродвигатели, электродвигатели с печатным якорем или с радиальным зазором, серводвигатели, электростатические электродвигатели, моментные электродвигатели, шаговые электродвигатели, ступичные электродвигатели, вентиляторные электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока, электродвигатели с воздушным сердечником, маховики, магнитные муфты, силовые машины и/или другие вращающиеся машины.

[00865] Различные вращающиеся машины, описанные здесь, могут работать с улучшенными или усовершенствованными рабочими характеристиками за счет использования модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов. Например, вращающиеся машины могут демонстрировать меньшие потери на сопротивление из-за сопротивлений различных проводящих элементов, таких как обмотки, выводы, емкостные элементы и т.д. Из этого следует, что устройства, использующие вращающиеся машины, имеющие улучшенные рабочие характеристики, в свою очередь, могут извлекать преимущество из аналогичных улучшений. Примеры устройств, которые могут использовать вращающиеся машины, использующие модифицированные ЧНС-материалы, включают вентиляторы, турбины, дрели, насосы, поезда с электроприводом, колеса на электромобилях, электротягу поездного локомотива, электрические муфты, конвейерные ленты, роботы, транспортные средства, приборы, двигатели, технологическое оборудование, системы хранения информации, например, приводы жестких дисков, тренажерное оборудование, протезы, экзоскелеты, игрушки, роликовые коньки, садово-огородное оборудование, обувь, мебель и многие другие.

[00866] В некоторых вариантах реализации вращающаяся машина, которая включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описана следующим образом:

[00867] Вращающаяся машина, содержащая: узел статора; и узел ротора, расположенный с возможностью вращаться в узле статора, при этом узел ротора включает в себя несущую конструкцию и обмотку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала.

[00868] Ротор для использования во вращающейся машине, причем ротор содержит: несущую конструкцию; и обмотку, связанную с несущей конструкцией и сформированную из модифицированного ЧНС-материала.

[00869] Вращающаяся машина, содержащая: статор; и ротор, при этом ротор сформирован из материала, который оказывает чрезвычайно низкие сопротивления электрическому току при температурах выше 150 градусов Кельвина при стандартном давлении.

[00870] Узел ротора для использования во вращающейся машине, содержащий: структуру сердечника, сформированную из магнитного материала; и модифицированную ЧНС-пленку, выполненную с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированная ЧНС-пленка сформирована из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00871] Узел статора для использования во вращающейся машине, содержащий: несущую конструкцию; и модифицированную ЧНС-пленку, выполненную с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированная ЧНС-пленка сформирована из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00872] Обмотка, выполненная с возможностью переносить электрический ток, чтобы создавать магнитное поле во вращающейся машине, причем обмотка содержит: первый слой, при этом первый слой состоит из ЧНС-материала; и второй слой, при этом второй слой состоит из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00873] Вращающаяся машина, содержащая: узел статора, при этом узел статора включает в себя несущую конструкцию и обмотку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; и ротор, размещенный с возможностью вращаться в узле статора.

[00874] Статор для использования во вращающейся машине, содержащий: несущую конструкцию; и обмотку, связанную с несущей конструкцией и сформированную из модифицированного ЧНС-материала.

[00875] Вращающаяся машина, содержащая: ротор; и статор, при этом статор сформирован из материала, который оказывает чрезвычайно низкие сопротивления электрическому току при температурах выше 150 градусов Кельвина при стандартном давлении.

[00876] Вращающаяся машина, содержащая: узел статора; узел ротора, размещенный с возможностью вращаться в узле статора, при этом узел ротора включает в себя несущую конструкцию и обмотку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; и систему охлаждения, которая поддерживает сформированную из модифицированного ЧНС-материала обмотку при температуре между 135 K и 273 K.

[00877] Вращающаяся машина, содержащая: узел статора, при этом узел статора включает в себя несущую конструкцию и обмотку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала; узел ротора, размещенный с возможностью вращаться в узле статора; и систему охлаждения, которая поддерживает сформированную из модифицированной ЧНС-пленки обмотку при температуре более низкой, чем окружающая обмотку температура.

[00878] Вращающаяся машина, содержащая: статор; ротор, при этом ротор сформирован из материала, который оказывает чрезвычайно низкие сопротивления электрическому току при температурах между 150 K и 313 K; и компонент охлаждения, который поддерживает материал, оказывающий чрезвычайно низкие сопротивления электрическому току, при или ниже критической температуры этого материала.

[00879] Электродвигатель постоянного тока, содержащий: узел статора, при этом узел статора включает в себя зазор, выполненный с возможностью принимать узел ротора; и узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре статора, причем узел ротора содержит: структуру сердечника, сформированную из магнитного материала; и обмотку из модифицированного ЧНС-материала, выполненную с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00880] Асинхронный электродвигатель переменного тока, содержащий: узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре узла статора, при этом узел ротора сформирован из магнитного материала; и узел статора, выполненный с возможностью обеспечивать зазор, в котором принимать узел ротора, причем узел статора содержит: несущую конструкцию; и модифицированный ЧНС-материал, выполненный с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00881] Щеточный электродвигатель постоянного тока, содержащий: статор, сформированный из постоянного магнита; и ротор, сформированный из железного сердечника и модифицированной ЧНС-обмотки, при этом модифицированная ЧНС-обмотка переносит ток приблизительно при нулевом сопротивлении при температурах окружающей среды.

[00882] Электродвигатель постоянного тока, содержащий: узел статора, при этом узел статора включает в себя зазор, выполненный с возможностью принимать узел ротора; и узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре статора, причем узел ротора содержит: обмотку из модифицированного ЧНС-материала, выполненную с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00883] Асинхронный электродвигатель переменного тока, содержащий: узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре узла статора, при этом узел ротора сформирован из магнитного материала; и узел статора, выполненный с возможностью обеспечивать зазор, в котором принимать узел ротора, причем узел статора содержит: несущую конструкцию; и модифицированный ЧНС-материал, выполненный с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00884] Щеточный электродвигатель постоянного тока, содержащий: статор, сформированный из постоянного магнита; и ротор, сформированный из немагнитного сердечника и модифицированной ЧНС-обмотки, при этом модифицированная ЧНС-обмотка переносит ток при приблизительно нулевом сопротивлении при температурах окружающей среды.

[00885] Транспортное средство, содержащее: электродвигатель постоянного тока, при этом электродвигатель постоянного тока включает в себя: узел статора, при этом узел статора включает в себя зазор, выполненный с возможностью принимать узел ротора; и узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре статора, причем узел ротора содержит: структуру сердечника, сформированную из магнитного материала; и обмотку из модифицированного ЧНС-материала, выполненную с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00886] Электромобиль, содержащий: асинхронный электродвигатель, при этом асинхронный электродвигатель включает в себя: узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре узла статора, при этом узел ротора сформирован из магнитного материала; и узел статора, выполненный с возможностью обеспечивать зазор, в котором принимать узел ротора, причем узел статора содержит: несущую конструкцию; и модифицированный ЧНС-материал, выполненный с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00887] Автомобиль, содержащий: несущую конструкцию; несколько вращающихся машин, включающих в себя по меньшей мере один модифицированный ЧНС-компонент; систему охлаждения, соединенную с этими несколькими вращающимися машинами и выполненную с возможностью поддерживать температуру упомянутого по меньшей мере одного модифицированного ЧНС-компонента при температуре более низкой, чем температура, окружающая упомянутый по меньшей мере один модифицированный ЧНС-компонент; и компонент контроля, соединенный с системой охлаждения и выполненный с возможностью отслеживать состояние упомянутого по меньшей мере одного модифицированного ЧНС-компонента.

[00888] Прибор, содержащий: электродвигатель постоянного тока, при этом электродвигатель постоянного тока включает в себя: узел статора, при этом узел статора включает в себя зазор, выполненный с возможностью принимать узел ротора; и узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре статора, причем узел ротора содержит: структуру сердечника, сформированную из магнитного материала; и обмотку из модифицированного ЧНС-материала, выполненную с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00889] Электроприбор, содержащий: асинхронный электродвигатель, при этом асинхронный электродвигатель включает в себя: узел ротора, выполненный с возможностью вращаться в зазоре узла статора, при этом узел ротора сформирован из магнитного материала; и узел статора, выполненный с возможностью обеспечивать зазор, в котором принимать узел ротора, причем узел статора содержит: несущую конструкцию; и модифицированный ЧНС-материал, выполненный с возможностью переносить электрический ток, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[00890] Система, содержащая: подузел на основе ЧНС, включающий в себя: компонент, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС-материала; и интерфейс охладителя, выполненный с возможностью принимать или выпускать охладитель, используемый для поддержания модифицированного ЧНС-материала в ЧНС-состоянии.

[00891] Вращающаяся машина, содержащая: электрический подузел, при этом электрический подузел включает в себя модифицированный или щелевой ЧНС-материал и выполнен с возможностью принимать электроэнергию; и вращательный подузел, при этом вращательный подузел выполнен с возможностью выдавать энергию вращения на основе принимаемой электроэнергии.

Глава 10. Подшипники, сформированные из ЧНС-материалов

[00892] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37A-K по 41-K; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00893] Описываются узлы подшипников, такие как подшипники для использования во вращающихся машинах, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных, щелевых и/или других новых материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В некоторых примерах узлы подшипников включают в себя подшипники, имеющие обмотки и/или катушки, сформированные из ЧНС-материалов, или другие компоненты, сформированные из ЧНС-материалов. Например, обмотки подшипника состоят из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей слой YBCO и модифицирующий слой. ЧНС-материалы оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики узлов подшипников при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[00894] Как описано здесь, узлы подшипников, такие как узлы подшипников, которые используют вращающиеся подшипники на магнитной подвеске, могут использовать различные ЧНС-элементы, такие как модифицированные ЧНС-элементы. Фигура 37A-K является блок-схемой подходящей цепи 3700, включающей в себя узел подшипника, использующий ЧНС-материалы. Цепь 3700 включает в себя элементы, которые обеспечивают, управляют, модифицируют и/или поддерживают ток в ЧНС-катушке или обмотке узла 3710 подшипника. Цепь 3700 включает в себя выключатель 3730, источник 3735 питания, контроллер 3750 и необязательную систему 3720 охлаждения. Источник 3735 питания подает питание в узел 3710 подшипника через выключатель 3730, вызывая ток в ЧНС-катушке или обмотке узла 3710 подшипника. Контроллер 3750 управляет работой источника 3735 питания в узле 3710 подшипника.

[00895] В некоторых примерах ЧНС-катушка или обмотка в узле 3710 подшипника или других ЧНС-компонентах может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление электрическому току при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, при ~80-135 K) и комнатными температурами или температурами окружающей среды (например, при ~294K), или при других температурах ниже температуры, окружающей катушку или обмотку. Следовательно, схема может включать в себя систему 3720 охлаждения, такую как криоохладитель или криостат, используемый для того, чтобы охлаждать различные компоненты узла 3710 подшипника до критической температуры используемого в узле 3710 типа модифицированного ЧНС-материала. Например, система 3720 охлаждения может быть системой, способной на охлаждение узла 3710 подшипника до температуры, аналогичной температуре точки кипения жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре точки плавления воды, или до других температур, поясненных здесь. То есть система 3720 охлаждения может быть выбрана на основе типа и/или структуры модифицированного ЧНС-материала, используемого в узле 3710 подшипника, по окружающей среде, в которой находится узел подшипника, и т.д.

[00896] Различные системы, устройства и другие аппараты могут использовать узел 3700 подшипника или другие узлы подшипника и/или компоненты, описанные здесь. Фигура 37B-K является блок-схемой системы 3760, использующей узел подшипника, такой как узел 3700 подшипника. Система 3760 может включать в себя узел 3765 подшипника, такой как узел подшипника, включающий в себя электромагнитный статор и ротор, имеющие ЧНС-компоненты. Система 3760 также может включать в себя усилители 3770 мощности, которые могут включать в себя различные компоненты на основе ЧНС, которые усиливают сигналы, принятые из компонента 3770 формирования сигналов, такого как пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, чтобы управлять работой узла подшипника, помимо прочего. Кроме того, система 3760 может включать в себя различные другие схемные элементы 3775, способные принимать опорные сигналы 3780 и сигналы 3785 датчиков, чтобы обеспечивать контур управления с обратной связью относительно узла 3765 подшипника.

[00897] Система 3760 может быть включена в, составлять часть или действовать в качестве множества устройств, таких как электродвигатели и другие вращающиеся машины, игрушки, гироскопы, устройства накопления энергии, устройства преобразования энергии, устройства хранения информации, приборы, транспортные средства и другие устройства и аппараты, способные на использование вращающегося подшипника.

[00898] Далее поясняются различные типы и конфигурации узлов подшипника на магнитной подвеске. Фигура 38-K является принципиальной схемой узла 3800 подшипника на магнитной подвеске, такого как узел подшипника для использования во вращающейся машине. Узел 3800 подшипника включает в себя ЧНС-подшипник 3810, магнитный ротор 3820 и статор 3830. В ходе работы подшипник 3810 обеспечивает и/или создает магнитное поле, которое заставляет ротор левитировать в пространстве или зазоре 3840 между подшипником 3810 и статором 3830.

[00899] ЧНС-подшипник 3810 может быть сформирован из некоторых или всех описанных здесь ЧНС-материалов, таких как модифицированные и/или щелевые ЧНС-материалы, которые демонстрируют чрезвычайно низкое сопротивление току при температурах между 150 K и 313 K или выше. В некоторых примерах подшипник 3810 может быть сформирован из диска из ЧНС-материала (как показано), такого как диск, имеющий небольшую кривизну к центру, чтобы помогать поддерживать левитирующий ротор 3820 над подшипником 3810. В некоторых примерах подшипник 3810 может быть катушкой или обмоткой или другой компоновкой ЧНС-элементов, способных переносить ток при чрезвычайно низких сопротивлениях и создавать магнитное поле.

[00900] Ротор 3820 может быть постоянным магнитом, способным на левитацию и вращение между подшипником 3810 и статором 3830. Например, ротор 3820 может представлять собой диск, шайбу или другие объекты круглой формы. Ротор 3820 может быть образован из нескольких постоянных магнитов или может быть образован из электромагнита. Магнит или магниты ротора 3820 могут быть намагничены в различных конфигурациях полюсов, чтобы соответствовать потребностям машины, использующей узел 3800 подшипника. В некоторых примерах намагничивание может быть изотропным, анизотропным и может иметь рисунок из нескольких полюсов. Например, ротор 3820 может включать в себя первый магнитный элемент, соединенный со статором 3830, второй магнитный элемент, соединенный с подшипником 3810, и буферный магнит, который магнитно изолирует первый магнит от второго магнита.

[00901] Статор 3830 может включать в себя обмотку якоря, соединенную с источником питания, чтобы создавать магнитное поле, которое возбуждает ротор 3820. Статор может включать в себя позиционирующие и/или чувствительные компоненты, такие как чувствительный компонент на эффекте Холла, компонент электрооптического переключателя, чувствительный к радиочастотам компонент и т.д. Статор 3830 использует эти компоненты для того, чтобы определять информацию о работе ротора 3820, и заставляет обмотки якоря соответствующим образом регулировать полученное магнитное поле.

[00902] Узел 3800 подшипника, как пояснено здесь, может, конечно, использовать другие конфигурации подшипников. Фигура 39A-K является принципиальной схемой подшипника 3900, который включает в себя подложку 3910 и катушку или обмотку 3920, сформированную из ЧНС-материала, такого как модифицированный и/или щелевой ЧНС-материал. Подшипник 3900 переносит ток с чрезвычайно низким сопротивлением через катушку 3820, создавая магнитное поле, способное на левитацию магнитного ротора, такого как ротор 3820.

[00903] Фигура 39B-K является принципиальной схемой подшипника 3930, который включает в себя две или более подложек 3940, позиционированных вместе с образованием модифицированной ЧНС-петли 3950 (или петель), способных переносить ток для создания магнитного поля. Например, четыре треугольных подложки 3942, каждая из которых содержит полосу из ЧНС-материала 3952, позиционируются смежно друг с другом так, что полосы ЧНС-материала 3952 образуют петлю 3950, которая может осуществлять циркуляцию тока с чрезвычайно низким сопротивлением и создавать магнитное поле, способное на левитацию магнитного ротора, такого как ротор 3820.

[00904] В дополнение к дискообразным узлам подшипника, показанным на фигуре 38-K, и другие узлы подшипника могут использовать описанные здесь ЧНС-материалы. Фигуры 40A-K-40C-K являются принципиальными схемами различных конфигураций узла подшипника.

[00905] На фигуре 40A-K узел 4000 подшипника включает в себя вращающийся вал 4020, имеющий катушку 4025, расположенную на окружности в зазоре подшипника 4010. В некоторых случаях катушка 4025 вращающегося вала 4020 сформирована из ЧНС-материала, как описано здесь. В некоторых случаях подшипник 4010 сформирован из ЧНС-материала или включает в себя катушку или петлю, сформированную из ЧНС-материала, как описано здесь. Возбуждение катушки 4025 вала 4020 создает магнитное поле, которое заставляет вал левитировать относительно подшипника 4010. В некоторых случаях подшипник 4010 выполнен с различными формами с тем, чтобы помогать в позиционировании вала 4020 относительно подшипника 4010. Приложение второго магнитного поля статором и/или якорем (не показано) заставляет вал вращаться при левитации.

[00906] На фигуре 40B-K узел 4030 подшипника включает в себя вращающийся вал 4050, имеющий катушку 4055, которая окружает часть подшипника 4040. Следовательно, вращающийся вал 4050 может иметь форму шайбы. В некоторых случаях катушка 4055 вращающегося вала 4050 сформирована из ЧНС-материала, как описано здесь. В некоторых случаях подшипник 4040 сформирован из ЧНС-материала или включает в себя катушку или петлю, сформированную из ЧНС-материала, как описано здесь. Возбуждение катушки 4055 вала 4050 создает магнитное поле, которое заставляет вал левитировать относительно подшипника 4040. В некоторых случаях подшипник 4040 выполнен с различными формами с тем, чтобы помогать в позиционировании вала 4050 относительно подшипника 4040. Например, подшипник 4040 включает в себя подставку 4045, которая может помогать в центрировании вала 4050 над подшипником 4040. Приложение второго магнитного поля статором и/или якорем (не показано) заставляет вал вращаться при левитации.

[00907] На фигуре 40C-K узел 4060 подшипника включает в себя вращающийся вал 4080 и подшипник 4070, который включает в себя катушку 4075, сформированную из ЧНС-материала. Возбуждение катушки 4075 подшипника 4070 создает магнитное поле, которое заставляет вал 4080 левитировать относительно подшипника 4070. В некоторых случаях подшипник 4070 может действовать в качестве статора, используя катушку 4075 для того, чтобы обеспечивать поле, которое приподнимает или позиционирует вал 4080 в пространстве от подшипника 4070, также заставляя вал 4080 вращаться. В некоторых случаях приложение второго магнитного поля статором и/или якорем (не показано) заставляет вал вращаться при левитации. В некоторых случаях подшипник 4070 выполнен с различными формами с тем, чтобы помогать в позиционировании вала 4080 относительно подшипника 4070.

[00908] Конечно, специалисты в данной области техники поймут, что возможны и другие конфигурации. Например, валы, описанные на фигурах 40A-K-40C-K, могут работать в качестве подшипников, а подшипники - в качестве валов. Дополнительно, подшипники и/или валы могут включать в себя несколько ЧНС-элементов, таких как ЧНС-элементы, используемые для получения левитации валов относительно подшипников, ЧНС-элементы, используемые для вращения валов относительно подшипников, ЧНС-элементы, используемые для управления позиционированием и/или вращением валов, и т.д.

[00909] В качестве примера, фигура 41-K иллюстрирует пятиточечный узел 4100 подшипники-вал. Этот подшипниковый узел 4100 включает в себя несколько радиальных подшипников 4110 и вращающийся вал 4120. В некоторых случаях радиальные подшипники 4110 сформированы по меньшей мере частично из ЧНС-компонентов. В некоторых случаях вал сформирован из ЧНС-компонентов, магнитных материалов или других материалов. В некоторых случаях датчики, которые отслеживают перемещение вала и обеспечивают обратную связь с механизмом управления, сформированы из ЧНС-компонентов. Такой подшипниковый узел обеспечивает управление валом по 5 осям, такое как управление вращением вала, управление поступательным движением вала, управление перемещением и/или позиционированием вала в трехмерном пространстве, и т.д.

[00910] Как описано здесь, подшипники, роторы и/или статоры различных узлов подшипников могут включать в себя катушки, обмотки и/или диски, которые используют ЧНС-материалы, такие как модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы. Эти катушки, обмотки и/или диски могут использовать ленты, пленки, фольгу и/или провода, сформированные для ЧНС-материалов.

[00911] При формировании ЧНС-провода несколько ЧНС-лент или фольг могут размещаться сэндвичем с образованием макропровода. Например, катушка может включать в себя несущую конструкцию и одну или более ЧНС-лент или фольг, поддерживаемых несущей конструкцией.

[00912] В дополнение к ЧНС-проводам, подшипники, роторы и/или статоры могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[00913] В дополнение к нанопроводам, ЧНС-ленты или фольга также могут быть использованы в описанных здесь подшипниках, статорах и роторах. Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения в растворе для того, чтобы формировать ЧНС-материалы.

[00914] В некоторых примерах тип применения, использующего пленки, может определять тип материалов, используемых в ЧНС-материалах. Например, одни применения могут использовать ЧНС-материалы, имеющие ЧНС-слой BSSCO, тогда как другие применения могут использовать ЧНС-материалы, имеющие слой YBCO. То есть описанные здесь ЧНС-материалы могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или нанопровода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа узла подшипника или компонента, использующего ЧНС-материалы, помимо прочих факторов.

[00915] Описанные здесь ЧНС-материалы могут быть использованы в качестве или во множестве различных компонентов узла подшипника, используемого вращающейся машиной, в том числе в качестве или в обмотке подшипника, в качестве или в обмотке ротора, в качестве или в обмотке статора, в качестве или в стержне или роторе, в качестве или в ленте, в качестве или в кольце, в качестве вывода или другого соединительного элемента между компонентами и т.д. Большое множество разных вращающихся машин, включая электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и т.д., могут использовать такие пленки.

[00916] Различные типы щеточных электродвигателей постоянного тока или шаговых электродвигателей могут использовать модифицированные ЧНС-пленки в качестве или в различных компонентах, включая щеточные электродвигатели постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC), щеточные электродвигатели постоянного тока шунтового возбуждения (SHWDC), щеточные электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением (SWDC), электродвигатели смешанного возбуждения (CWDC) и т.д.

[00917] Различные типы электродвигателей переменного тока могут использовать модифицированные ЧНС-пленки в качестве или в различных компонентах, включая однофазные асинхронные электродвигатели (например, асинхронные электродвигатели с расщепленной фазой, асинхронные электродвигатели с конденсаторным пуском, асинхронные электродвигатели с постоянно включенным конденсатором, асинхронные электродвигатели с конденсаторным пуском и работой, асинхронные электродвигатели переменного тока с экранированным полюсом и т.д.) и трехфазные асинхронные электродвигатели (например, электродвигатели ʺс беличьей клеткойʺ, электродвигатели с фазным ротором и т.д.).

[00918] Конечно, специалисты в данной области техники поймут, что описанные здесь модифицированные ЧНС-пленки могут использовать и другие вращающиеся машины, включая универсальные электродвигатели, электродвигатели с печатным якорем или с радиальным зазором, серводвигатели, электростатические электродвигатели, моментные электродвигатели, шаговые электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и другие вращающиеся машины.

[00919] Различные узлы подшипника, описанные здесь, могут работать с улучшенными или усовершенствованными рабочими характеристиками за счет использования модифицированных ЧНС-пленок. Например, узлы подшипника могут демонстрировать меньшие потери на сопротивление из-за сопротивлений различных проводящих элементов, таких как обмотки, выводы, емкостные элементы и т.д., или могут служить дольше, поскольку определенные элементы не подвергаются износу вследствие трения. Из этого следует, что устройства, использующие узлы подшипника, имеющие улучшенные рабочие характеристики, в свою очередь, могут извлекать преимущество из аналогичных улучшений. Примеры устройств, которые могут использовать узлы подшипника, использующие модифицированные ЧНС-пленки, включают в себя вентиляторы, турбины, дрели, колеса на электромобилях, локомотивы, конвейерные ленты, роботы, транспортные средства, приборы, двигатели, технологическое оборудование, игрушки, гироскопы, электродвигатели и компоненты на основе МЭМС и многие другие устройства, использующие вращающиеся машины.

[00920] В некоторых вариантах реализации узел подшипника, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[00921] Узел подшипника, содержащий: подшипник, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС-материала; и ротор, сформированный из магнитного материала и позиционированный рядом с подшипником; при этом ротор левитирует относительно подшипника при создании магнитного поля током, протекающим в модифицированном ЧНС-материале подшипника.

[00922] Способ изготовления узла подшипника, содержащий: формирование подшипника из модифицированного ЧНС-материала; и позиционирование ротора рядом со сформированным подшипником так, что ротор способен левитировать относительно подшипника в ответ на магнитное поле, создаваемое током, проходящим через модифицированный ЧНС-материал подшипника.

[00923] Узел подшипника, содержащий: подшипник, сформированный из ЧНС-материала, который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление переносимому заряду при температурах выше 150 K.

[00924] Подшипник для использования в узле подшипника, содержащий: подложку; и катушку, сформированную по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС-материала.

[00925] Способ изготовления подшипника, содержащий: позиционирование подложки; и осаждение модифицированного ЧНС-материала в форме петли на позиционированную подложку.

[00926] Подшипник для использования в узле подшипника на магнитной подвеске, содержащий: подложку; и катушку, сформированную из ЧНС-материала, который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление переносимому заряду при температурах выше 150 K.

[00927] Узел подшипника, содержащий: подшипник, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС-материала; систему охлаждения, выполненную с возможностью поддерживать температуру подшипника между 150 K и 313 K; и ротор, сформированный из магнитного материала и позиционированный рядом с подшипником; при этом ротор левитирует над подшипником при создании магнитного поля током, протекающим в модифицированном ЧНС-материале подшипника.

[00928] Способ изготовления узла подшипника, содержащий формирование подшипника из модифицированного ЧНС-материала; соединение сформированного подшипника с системой охлаждения, выполненной с возможностью поддерживать температуру подшипника между 150 K и 313 K; и позиционирование ротора рядом со сформированным подшипником так, что ротор способен левитировать относительно подшипника в ответ на магнитное поле, создаваемое током, проходящим через модифицированный ЧНС-материал подшипника.

[00929] Узел подшипника, содержащий: подшипник, сформированный из ЧНС-материала, который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление переносимому заряду при температурах между 150 K и 313 K; и компонент охлаждения, который поддерживает температуру ЧНС-материала подшипника между 150 K и 313 K.

[00930] Вращающаяся машина, содержащая: подшипник, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС-материала; и вращающийся вал, сформированный из магнитного материала и позиционированный рядом с подшипником; при этом вращающийся вал отстоит на определенное расстояние от подшипника при создании магнитного поля током, протекающим в модифицированном ЧНС-материале подшипника.

[00931] Электродвигатель, содержащий: узел подшипника, при этом узел подшипника сформирован из ЧНС-материала, который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление переносимому заряду при температурах между 150 K и 313 K; и компонент питания, при этом компонент питания выполнен с возможностью подавать питание в узел подшипника для получения тока в ЧНС-материале узла подшипника.

[00932] Вращающаяся машина, содержащая: подшипник, выполненный с возможностью создавать магнитное поле; и ротор, выполненный с возможностью вращаться и позиционированный рядом с подшипником на основании напряженности магнитного поля; при этом подшипник или ротор включает в себя материал, который демонстрирует чрезвычайно низкое сопротивление заряду при температуре окружающей среды и стандартном давлении.

Глава 11. Датчики, сформированные из ЧНС-материалов

[00933] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-L по 88-L; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[00934] Описываются датчики, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных, щелевых и/или других новых материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В некоторых примерах датчики включают в себя компоненты, которые используют нанопровода из ЧНС-материалов. В некоторых примерах датчики включают в себя компоненты, которые используют ленту или фольгу, сформированную из ЧНС-материалов. В некоторых примерах датчики включают в себя компоненты, которые сформированы с использованием тонкопленочных ЧНС-материалов. ЧНС-материалы оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики датчиков при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[00935] Далее подробно описывается использование модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов в датчиках. В общем, возможны различные конфигурации датчиков, которые используют ЧНС-материалы и зависят от типа конструируемого датчика. Различные принципы, которые определяют конструкцию традиционных датчиков, могут применяться к датчикам, использующим описанные здесь ЧНС-материалы. Таким образом, хотя здесь показаны и описаны некоторые геометрии и конфигурации датчиков, разумеется, возможны многие другие. Кроме того, хотя описанные здесь различные примеры могут подчеркивать то, как конкретная система датчиков может использовать датчик или компонент датчика, сформированный из таких ЧНС-материалов, эти примеры предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Специалисты в данной области техники, которым представлены различные примеры в этом раскрытии, смогут выявить и другие компоненты в идентичной или аналогичной системе датчиков, которая может быть сформирована из таких ЧНС-материалов.

[00936] Фигура 37-L является блок-схемой, иллюстрирующей датчик 3700, имеющий компоненты, сформированные из модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов или по меньшей мере частично включающие их. Вообще говоря, датчик принимает стимулирующее воздействие (или измеряемую величину) s₁ и реагирует электрическим выходным сигналом s_out, который указывает величину, свойство или состояние стимулирующего воздействия. Неисчерпывающие примеры стимулирующих воздействий и связанных с ними величин, свойств или состояний проиллюстрированы в таблице A ниже.

Таблица A Неисчерпывающие примеры стимулирующего воздействия Электрическое Заряд, ток
Потенциал, напряжение
Электрическое поле (амплитуда, фаза, поляризация, спектр)
Удельная электропроводность
Проницаемость Магнитное Магнитное поле (амплитуда, фаза, поляризация, спектр)
Магнитный поток
Проницаемость Акустическое Амплитуда, фаза, поляризация волны
Спектр
Скорость волны Биологическое Биомасса (типы, концентрация, состояния) Химическое Компоненты (наименования, концентрация, состояния) Оптическое Амплитуда, фаза, поляризация, спектр волны
Скорость волны
Показатель преломления
Коэффициент излучения, отражения, поглощения Механическое Положение (линейное, угловое)
Ускорение
Сила
Механическое напряжение, давление
Деформация
Масса, плотность
Момент, крутящий момент
Скорость потока, интенсивность массопередачи
Форма, шероховатость, ориентация
Жесткость, податливость
Вязкость
Кристалличность, структурная целостность Излучение Тип
Энергия
Интенсивность Тепловое Температура
Поток
Удельная теплоемкость
Удельная теплопроводность

[00937] Датчик 3700 содержит один или более необязательных измерительных преобразователей 3705, датчик 3710 прямого действия и модуль 3715 постобработки. Каждый необязательный измерительный преобразователь преобразует первый сигнал, имеющий первый тип энергии, во второй сигнал, имеющий второй тип энергии. Например, первый измерительный преобразователь 3705a может преобразовывать сигнал s₁ механического стимулирующего воздействия в оптический сигнал s₂, который затем подается во второй измерительный преобразователь 3705b, который преобразует оптический сигнал s₂ в тепловой сигнал s₃, и т.д., чтобы получить промежуточный сигнал s_N+1. Датчик 3710 прямого действия также является измерительным преобразователем, но таким, который специально преобразует или конвертирует входной сигнал в электрический сигнал. Датчик 3710 прямого действия принимает промежуточный сигнал s_N+1 от одного или более измерительных преобразователей 3705 и преобразует его в электрический сигнал s_e. В некоторых датчиках измерительные преобразователи 3705 исклюены, и датчик 3710 прямого действия непосредственно принимает сигнал стимулирующего воздействия или измеряемую величину s₁. Полученный электрический сигнал, s_e, может быть модифицирован (например, оцифрован, усилен и т.д.) посредством модуля 3715 постобработки для того, чтобы получить один или более выходных сигналов s_out, которые указывают величину, свойство или состояние стимулирующего воздействия. Модуль 3715 постобработки может содержать, помимо прочего, входные и выходные контактные выводы, токопроводящие пути, различные аналоговые и цифровые электронные схемы постобработки, такие как процессоры данных, процессоры цифровых сигналов, специализированные интегральные схемы, усилители, фильтры, аналого-цифровые преобразователи, преобразователи емкости в напряжение, дифференциальные схемы, мостовые схемы и т.д.

[00938] Таблица B показывает неисчерпывающие примеры типов преобразований, которые могут быть выполнены посредством измерительных преобразователей 3705 и/или датчика 3710 прямого действия.

Таблица B Неисчерпывающие примеры типов преобразования энергии Термоэлектрическое Электроупругое Термооптическое Фотоупругое Фотомагнитное Спектроскопия Физическое преобразование Химическое преобразование Электрохимический процесс Фотоэлектрическое Термомагнитное Магнитоэлектрическое Электромагнитное Термоупругое Биохимическое преобразование

[00939] В некоторых примерах датчик 3700 может создавать неэлектрический выходной сигнал s_out, который интерпретируется человеком или оборудованием как указывающий величину, свойство или состояние стимулирующего воздействия. Например, датчик может создавать оптический выходной сигнал, указывающий движение. В таких примерах модуль 3715 постобработки может выполнять постобработку промежуточного электрического сигнала s_e от датчика 3710 прямого действия для того, чтобы создать неэлектрический выходной сигнал. В некоторых примерах датчик 3710 прямого действия и/или модуль 3715 постобработки могут быть исключены в таких примерах (например, если измерительный преобразователь 3705 создает оптический сигнал, который интерпретируется человеком).

[00940] Датчик 3700 может включать в себя другие компоненты, которые не показаны на фигуре 37-L, включая интерфейсные электронные схемы. Например, если датчик 3700 является активным датчиком, то такой датчик может включать в себя схемы возбуждения или другие источники возбуждения (например, источники оптического возбуждения). В качестве другого примера, схемы предварительной или постобработки сигналов могут выполнять обработку сигнала до или после того, как сигнал преобразуется любым из измерительных преобразователей 3705 и датчиком 3710 прямого действия. Примеры других компонентов, которые могут быть включены в состав датчика 3700, включают в себя процессоры, процессоры цифровых сигналов и специализированные интегральные схемы, усилители, фильтры, преобразователи света в напряжение, схемы возбуждения (например, генераторы тока, источники магнитного поля (например, индуктивные катушки или обмотки, включая тороиды, соленоиды и т.д.), источники опорного напряжения, формирователи сигналов управления и формирователи оптических сигналов управления), аналого-цифровые преобразователи, волноводы, осцилляторы, преобразователи емкости в напряжение, логометрические схемы, дифференциальные схемы, мостовые схемы, компоненты передачи данных, площадки/контуры заземления, антенны, развязывающие конденсаторы, компоненты, которые экранируют от источников шума (например, электрического, магнитного, механического шума и шума Зеебека), и источники питания, такие как аккумуляторные батареи.

[00941] Вообще говоря, датчик 3700 может включать в себя различные ЧНС-компоненты, сформированные полностью или частично из модифицированных, щелевых и/или других новых ЧНС-материалов. ЧНС-компоненты могут быть выполнены с возможностью, например, проводить электрические токи, преобразовывать или конвертировать сигнал в электромагнитный сигнал или из него (включая, например, электрические токи и напряжения) либо иным образом передавать или модифицировать электромагнитные сигналы. Например, один или более измерительных преобразователей 3705, датчик 3710 прямого действия, модуль 3715 постобработки или другие электронные схемы предварительной или постобработки дополнительно могут содержать ЧНС-компоненты, сформированные из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент или ЧНС-фольги, сформированной из ЧНС-пленок и/или тонких ЧНС-пленок. Следующий список предоставляет неисчерпывающие примеры компонентов в датчике 3700, которые могут использовать ЧНС-материалы.

- проводники (например, электроды, контакты, провода, проводящие дорожки/межсоединения на интегральной схеме и т.д.),

- индукторы, включая, помимо прочего, индуктивные катушки или обмотки, которые могут быть сформированы в виде соленоидов, тороидов, других трехмерных форм, отпечатаны на схемных платах и/или использованы в качестве источников магнитного поля,

- емкостные элементы (например, конденсаторы с параллельными обкладками, цилиндрические конденсаторы, плоские конденсаторы и т.д.),

- антенны.

[00942] Различные датчики и/или конфигурации датчиков могут использовать ЧНС-компоненты, которые сформированы из ЧНС-материалов, такие как вышеперечисленные ЧНС-компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, преобразовывать или конвертировать сигнал в электромагнитный сигнал или из него (включая, например, электрические токи и напряжения) либо иным образом передавать или модифицировать электромагнитные сигналы. Специалисты в данной области техники, которым представлены различные примеры ЧНС-материалов, воспринимающих систем и принципов восприятия в этом раскрытии, смогут реализовывать, без чрезмерного экспериментирования, другие датчики с одним или более ЧНС-компонентами.

[00943] Кроме того, хотя описанные здесь примеры могут подчеркивать то, как конкретная воспринимающая система может использовать конкретный ЧНС-компонент, эти примеры предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Специалисты в данной области техники, которым представлены различные примеры в этом раскрытии, смогут выявить другие компоненты в идентичной или аналогичной системе датчиков, которая может быть сформирована из ЧНС-компонентов.

[00944] Кроме того, специалисты в данной области техники поймут, что авторы изобретения предусмотрели, что ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных воспринимающих системах, которые содержат сочетание двух или более из дискретных воспринимающих систем и принципов восприятия, описанных здесь, даже если такие сочетания явно не описаны.

[00945] Дополнительно, хотя эта заявка приводит примеры схем, датчиков и других компонентов, которые могут быть использованы для того, чтобы выполнять конкретное измерение или характеризацию значения (например, измерение сопротивления, емкости, индуктивности, напряжения, тока, импеданса, напряженности электромагнитного поля и т.д.), такие примеры предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Различные альтернативы проведению таких измерений или характеризаций, к примеру, как указанные выше, будут совершенно очевидными специалистов в данной области техники. Кроме того, хотя различные датчики могут описываться как ʺобнаруживающиеʺ, ʺопределяющиеʺ или ʺвычисляющиеʺ конкретную неизвестную величину (например, неизвестное сопротивление), если в явной форме не указано иное, это не предназначено обозначать, что датчик должен непосредственно вычислять упомянутую величину. Вместо этого, специалисты в данной области техники поймут, что величина может быть определена посредством датчика косвенно или дедуктивно. В качестве иллюстрации, если датчик описывается как ʺобнаруживающий сопротивление элемента Aʺ, то это может охватывать определение постоянной времени RLC-схемы, которая включает в себя элемент A, поскольку на постоянную времени может оказывать непосредственное влияние неизвестное значение сопротивления.

[00946] Кроме того, хотя различные компоненты, такие как емкостные элементы или обкладки, могут быть описаны здесь как ʺметаллическиеʺ, ʺпроводящиеʺ или ʺпроводникиʺ, специалисты в данной области техники поймут, что в некоторых примерах емкостные элементы или обкладки могут быть сформированы вместо этого из полупроводящих материалов без отступления от объема изобретения.

[00947] На фигурах размеры различных изображенных элементов или компонентов и поперечные размеры и толщины различных слоев не обязательно нарисованы в масштабе, и эти различные элементы могут быть произвольно увеличены или уменьшены для того, чтобы повысить понятность. Кроме того, сведения о компонентах абстрагированы на фигурах, чтобы исключать такие подробности, как точная геометрическая форма или размещение компонентов, а также определенные точные соединения между такими компонентами, если такие подробности являются лишними для подробного описания изобретения. Когда такие подробности являются лишними для понимания изобретения, показанные характерные геометрии, межсоединения и конфигурации предназначены иллюстрировать общие принципы разработки или принципы действия, а не быть исчерпывающими.

[00948] Некоторые или все описанные здесь системы и устройства могут использовать недорогие системы охлаждения в тех применениях, где конкретные ЧНС-материалы, используемые при таком применении, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при температурах ниже температур окружающей среды. Как пояснено здесь, применение может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как система, которая охлаждает ЧНС-индуктор до температуры, аналогичной температуре точки кипения жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре точки плавления воды, или до других температур, поясненных здесь. Система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материалов, используемых при таком применении.

[00949] Множество преимуществ могут вытекать из использования ЧНС-материалов в воспринимающих системах. Например, использование ЧНС-материалов вместо ВТСП-материалов в датчике может исключить или уменьшить сложность систем охлаждения, которые необходимы для работы датчика, что может уменьшить его размер, вес и затраты на реализацию и эксплуатацию. Кроме того, ЧНС-материалы могут демонстрировать более сильную и более тонкую чувствительность к температуре и фотонам при более высоких (некриогенных) температурах, чем ВТСП-материалы, что может обеспечить улучшенные характеристики термоэлектрического, фотоэлектрического и других преобразований при более высоких температурах. Кроме того, ЧНС-материалы могут демонстрировать более сильную чувствительность к электромагнитным входным сигналам и/или обнаруживать меньшие токи и/или меньшие напряжения. Дополнительно, ЧНС-материалы могут переносить электромагнитный сигнал (к примеру, входные, промежуточные или выходные ток или напряжение) на гораздо большее расстояние, чем традиционные проводники, с меньшими потерями на сопротивление, что может приводить к более низкому шуму или меньшей потребности в усилении этих сигналов и/или обеспечивать более низкие уровни тока или большее разделение между воспринимающими компонентами. Вообще говоря, замена традиционных проводящих и схемных элементов, таких как медные проводники и традиционные конденсаторы и индукторы, на ЧНС-материалы может уменьшать потери на сопротивление, что позволяет повышать эффективность работы датчика, снижать потери тепла и/или улучшать другие рабочие характеристики, такие как устойчивость, точность, скорость реакции, срок службы, капитальные или эксплуатационные затраты, размер, вес, размер элемента, плотность датчика, чувствительность, избирательность, гистерезис, линейность, насыщение, повторяемость, разрешение, выходной импеданс и надежность. Например, использование ЧНС-материалов в различных компонентах датчика (например, фильтрах, осцилляторах, резонаторах, индукторах, конденсаторах, усилителях и т.д.) может позволить этим компонентам работать более идеально (например, с более высокой добротностью Q, более высоким усилением, более низким шумом и т.д.). Более идеализированная производительность, достигаемая такими компонентами, в свою очередь, может повышать общую производительность датчика.

[00950] Перед пояснением подробностей различных систем датчиков будут описаны несколько вариантов применения с целью привести систему 3700 датчиков в контексте. Фигура 87-L показывает пример аппарата или системы 8700, которая использует систему 3700 датчиков. Система 8700 принимает или передает сигналы через один или более портов, интерфейсов и/или компонентов 8715 ввода-вывода, таких как антенны, интерфейсы проводной передачи данных (например, высокоскоростные последовательные шины, контактные штырьковые выводы) и компоненты пользовательского интерфейса (например, дисплеи, динамики, клавишные панели и т.д.). Система включает в себя систему 3700 датчиков, в дополнение к логическим и управляющим схемам 8705 и/или аналоговым или РЧ-схемам, запоминающее устройство 8710, а также источник 8720 питания, все из которых могут содержаться в кожухе, корпусе или иным образом скомпонованы в виде блока. В других примерах одна или более систем 8700, таких как распределенная система датчиков, могут управляться полностью или частично одним или более логическими и управляющими компонентами 8705, которые являются удаленными относительно систем 8700.

[00951] Система 8700 может принимать одну из многих форм. В одном примере система является мобильным телефоном, смартфоном, переносным компьютером, планшетным компьютером или другим портативным электронным устройством. Согласно этому примеру, источник 8720 питания может быть аккумуляторной батареей, а система 3700 датчиков может содержать, помимо прочего, микрофон (например, чтобы обнаруживать речь и другие звуки), акселерометр (например, чтобы обнаруживать перемещение, ускорение или ориентацию устройства), датчики тактильного ввода (например, датчик сенсорного экрана и кнопки ввода экрана), светочувствительный датчик и/или датчик изображений (например, чтобы получать фотографии или видео), все из которых могут быть сформированы на одном или более полупроводниковых кристаллах. Логические и управляющие схемы 8705 могут включать в себя процессор, в то время как интерфейс и компонент 8715 ввода-вывода могут включать в себя антенну, USB-порт, клавиатуру или клавишную панель, указательное устройство, устройство отображения, динамик или другие известные элементы. Конечно, возможно множество других известных компонентов в этом примере портативного электронного устройства, но они не показаны, поскольку будут совершенно понятны специалистам в данной области техники.

I. Датчики положения, смещения и уровня

[00952] В некоторых примерах датчик 3700 может быть выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на положение или смещение физического объекта или уровня текучей среды, которая находится рядом с датчиком. Указание ʺположенияʺ означает указание угловых или линейных координат объекта относительно конкретного начала отсчета, тогда как указание ʺсмещенияʺ означает указание перемещения объекта из исходного положения.

I.A. Датчики уровня на основе сопротивления

[00953] Фигура 38A-L показывает принципиальную схему одного примера датчика 3800, выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на уровень криогенной (например, жидкий азот, жидкий гелий и т.д.) или низкотемпературной (например, жидкий фреон и т.д.) текучей среды 3830, которая храниться в криостате (или другом соответствующем контейнере) 3825 с глубиной D. Датчик 3800 содержит отрезок ЧНС-материала 3805, который может быть расположен на или в несущей конструкции 3810, которая удерживает отрезок ЧНС-материала практически параллельно с большой осью криостата. ЧНС-материал может быть сформирован в виде ЧНС-нанопровода, ЧНС-ленты, тонкой ЧНС-пленки и ЧНС-фольги или другой конфигурации. Часть отрезка ЧНС-материала может быть погружена, так что она находится в прямой или непосредственной близости к низкотемпературной текучей среде 3830. Датчик 3800 может содержать один или более источников 3815 тока или напряжения, выполненных с возможностью доставлять известный входной сигнал электрического тока или напряжения к отрезку ЧНС-материала. Датчик 3800 может дополнительно содержать нагреватель 3840, выполненный с возможностью рассеивать тепло в ЧНС-материал с тем, чтобы повышать температуру открытой части ЧНС-материала выше температуры низкотемпературной текучей среды 3830. Датчик 3800 также может содержать один или более амперметров, вольтметров или импедансметров 3820, которые могут быть подсоединены к отрезку ЧНС-материала в одном или более известных положений вдоль отрезка ЧНС-материала (например, посредством переключателя или другого соединительного устройства).

[00954] Как описано выше, удельное сопротивление ЧНС-материалов может сильно зависеть от температуры. Следовательно, состав отрезка ЧНС-материала может быть выбрана таким образом, что он демонстрирует первое, более низкое удельное сопротивление (R1), когда он погружен в низкотемпературную текучую среду 3830 (например, погружен ниже уровня D, показанного на фигуре 38A-L), и демонстрирует второе, более высокое удельное сопротивление (R2), когда он не погружен в низкотемпературную текучую среду (и в некоторых примерах - при нагреве нагревателем 3840). Таким образом, полное сопротивление отрезка ЧНС-материала будет иметь обратную зависимость от уровня D низкотемпературной жидкости в криостате. Обратная зависимость между уровнем и сопротивлением может быть определена теоретически или экспериментально (например, посредством процедуры калибровки). Дополнительно, измеренное удельное сопротивление в любой данной точке вдоль отрезка ЧНС-материала дает указание на то, находится эта точка выше или ниже уровня D низкотемпературной текучей среды.

[00955] Поэтому уровень низкотемпературной жидкости 3830 может быть определен следующим способом, который может быть реализован полностью или частично посредством считываемых компьютером инструкций. Входной сигнал тока или напряжения может прикладываться к отрезку ЧНС-материала; также, тепло может подводиться к отрезку ЧНС-материала, чтобы повысить температуру его открытой части. Сопротивление части отрезка ЧНС-материала может быть определено, например, непосредственно посредством использования импедансметра или косвенно посредством измерения результирующего напряжения или тока с использованием вольтметра или амперметра. С использованием измеренного сопротивления и определенной обратной зависимости между уровнем жидкости и сопротивлением, может быть определен уровень D низкотемпературной текучей среды. В некоторых примерах аппроксимированное может быть измерено удельное сопротивление в ответ на входной сигнал в одной или более известных точек вдоль отрезка ЧНС-материала, и измеренное удельное сопротивление может быть использовано для того, чтобы определить, какие части ЧНС-материала погружены, и, следовательно, определить текущий уровень D низкотемпературной текучей среды.

[00956] Описанные выше принципы и способы восприятия могут быть использованы в сочетании с другими конфигурациями ЧНС-материалов, которые располагаются непосредственно в или в непосредственной близости от жидкости, имеющей известную температуру. Например, хотя на фигуре 38A-L показан один отрезок ЧНС-материала 3805, множественные отрезки ЧНС-материала, ориентированные вдоль большой оси криостата, могут быть непрерывно состыкованы посредством дополнительного ЧНС-материала или проводящего материала с тем, чтобы образовать более длинный змеевидный или извилистый отрезок 3850 на или в несущей конструкции, как показано на фигуре 38B-L.

I.B. Потенциометрические датчики положения и уровня

[00957] Фигура 39A-L показывает принципиальную схему примера потенциометрического датчика 3900, имеющего сформированные из ЧНС-материалов компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал Vout, указывающий на смещение (ʺdʺ) или положение объекта. Датчик 3900 содержит делитель регулируемого напряжения или потенциометр 3905, такой как линейный или поворотный потенциометр, который содержит ЧНС-нанопровода, ЧНС-ленты, тонкие ЧНС-пленки, ЧНС-фольгу или другие образования из описанных выше ЧНС-материалов. Например, скользящий контакт и/или резистивный элемент потенциометра могут быть сформированы из ЧНС-материала. Объект, положение которого измеряется (не показан), механически соединен со скользящим контактом 3910. Положение объекта может быть определено посредством подключения источника 3915 входного напряжения (Vin) к двум концам потенциометра 3905 и измерения выходного напряжения (Vout) на скользящем контакте 3910. В случае линейного потенциометра может быть известно, что измеренное напряжение скользящего контакта является приблизительно пропорциональным смещению объекта. Для других типов потенциометров измеренное напряжение скользящего контакта может иметь другую известную взаимосвязь с входным напряжением (например, логарифмическую или экспоненциальную взаимосвязь).

[00958] Фигура 39B-L показывает принципиальную схему примера потенциометрического датчика 3950, имеющего сформированные из ЧНС-материалов ЧНС-компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на уровень или глубину D текучей среды 3975 в контейнере 3980. Элементы, показанные на фигуре 39B-L, аналогичны элементам, показанным на фигуре 39A-L. Посредством соединения поплавка 3965 со скользящим контактом 3910 потенциометра 3905, сформированным по меньшей мере частично из ЧНС-материала, уровень D текучей среды может быть определен с использованием принципов и способов, аналогичных описанным выше.

[00959] Фигура 40-L показывает поперечное сечение примера другого потенциометрического датчика 4000, имеющего сформированные из ЧНС-материалов ЧНС-компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал (Vout), указывающий на положение объекта. Датчик 4000 содержит первый гибкий или вдавливаемый лист 4005, имеющий проводящую поверхность 4020, которая действует в качестве контактной полоски, и вторую жесткую поверхность 4015, покрытую резистивным материалом 4010. Проводящая поверхность 4020 и/или резистивный материал 4010 может быть сформирован(а) из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Два листа физически отделены сепараторами 4040. Один из листов может быть заземлен (или иным образом поддерживаться при известном напряжении), а другой лист подключен последовательно с известным входным импедансом Rin и источником 4025 напряжения Vin. Когда объект 4030, такой как палец, прижимает гибкий лист на расстоянии d от конца датчика, проводящая поверхность 4020 контактирует с резистивным материалом 4010 и выходное напряжение Vout на двух листах изменяется известным образом, например, таким образом, что оно приблизительно пропорционально расстоянию d объекта от конца датчика. Следовательно, посредством измерения выходного напряжения на двух листах (Vout) может быть определено положение объекта 4030. Такие потенциометрические датчики положения могут быть использованы в многочисленных применениях, включая, например, устройства аудиоуправления и органы управления на других типах потребительской и коммерческой электроники. Разумеется, возможно множество других применений.

[00960] Хотя фигуры 38-L-40-L показывают несколько примеров потенциометрических датчиков, показанные примеры не предназначены быть исчерпывающими и приведены в иллюстративных целях. Другие потенциометрические датчики могут быть сконструированы содержащими ЧНС-компоненты, как будет понятно. Например, любой потенциометрический датчик, который измеряет положение или другое стимулирующее воздействие с использованием изменяющегося сопротивления, может содержать резистивные, проводящие или другие ЧНС-компоненты, сформированные из ЧНС-материалов. Например, ссылки на скользящий контакт и потенциометр являются только примерами для таких датчиков: датчик, использующий ЧНС-материалы, может использовать любой делитель регулируемого напряжения, элемент с переменным импедансом или другую структуру, чтобы обеспечить известный переменный электрический выходной сигнал на основе некоего данного входного смещения или положения.

I.C. Емкостные датчики смещения

[00961] В некоторых примерах датчик 3700 включает в себя емкостный датчик смещения, который содержит емкостную пластину или структуру, сформированную по меньшей мере частично из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материалов. В качестве неисчерпывающих примеров, емкостный датчик смещения, имеющий одну или более емкостных пластин или структур, сформированных из ЧНС-материала, может быть (1) униполярным датчиком, который использует единственный конденсатор, образованный из двух емкостных пластин или структур (как показано на фигурах 42-L, 44-L и 45-L), (2) дифференциальным датчиком, который использует два конденсатора, образованные из трех или более емкостных пластин или структур (как показано на фигуре 41-L), или (3) емкостным мостовым датчиком, который использует множественные емкостные пластины или структуры, размещаемых в мостовой конфигурации (как показано на фигуре 43-L).

[00962] Фигура 41-L иллюстрирует общие принципы действия емкостных датчиков смещения. Как показано, емкостный датчик 4100 смещения использует подвижную емкостную пластину или структуру 4110, которая может быть смещена относительно неподвижных емкостных пластин или структур 4105a и 4105b на расстояние Δ. В результате измененной геометрии пластин емкости C1 и C2, которые существуют между подвижной пластиной 4110 и неподвижными емкостными пластинами 4105a и 4105b, изменяются на известную величину, которая может быть определена теоретически и/или экспериментально. Измененные емкости изменяют выходное напряжение (Vout), которое наблюдается в ответ на источник 4150 ввода. Таким образом, посредством контроля выходного напряжения (Vout) может быть определено смещение (Δ) объекта, который механически соединен с перемещающейся емкостной пластиной или структурой 4110.

[00963] Датчики, показанные на фигурах 42-L, 43-L и 45-L, работают на аналогичных принципах. Например, двухпластинчатый однополюсный датчик 4200, показанный на фигуре 42A-L, имеет неподвижную контрольную пластину 4205, отделенную от подвижной воспринимающей пластины 4210 диэлектриком (например, воздухом); расстояние d между двумя пластинами зависит от перемещения подвижной воспринимающей пластины. Емкость C1 между двумя пластинами меняется с расстоянием d. Как показано на фигурах 42B-L и 42C-L, двухпластинчатый однополюсный датчик может быть реализован с использованием МЭМС-технологии. Например, подвижная воспринимающая пластина 4210 может быть подвергнута микрообработке таким образом, что она поддерживается гибкой подвеской 4220, что позволяет ей перемещаться по отношению к микрообработанной контрольной пластине 4205, имеющей жесткую подвеску 4225. В емкостном датчике 4300, показанном на фигуре 43-L, две подвижных пластины 4310a и 4310b могут перемещаться относительно четырех стационарных пластин 4305a-d, размещаемых в мостовой конфигурации. В емкостном датчике 4500, показанном в виде в сечении по фигуре 45-L, центральный проводник 4510 цилиндрического конденсатора может быть подвижным емкостным элементом. Глубина (d), на которую он вставляется в неподвижную внешнюю емкостную структуру 4505, влияет на емкость между проводником 4510 и внешней структурой 4505. Хотя описывается цилиндрический конденсатор, в других примерах могут быть использованы поперечно подвижные емкостные пластины. Конечно, различные показанные емкостные датчики смещения также могут использовать дополнительные интерфейсные электронные схемы (например, инвертор 4155 и усилитель/синхронный детектор 4355) для того, чтобы создавать полезный электронный сигнал, указывающий на смещение или измененные емкости.

[00964] Фигура 44-L показывает схематический вид примера емкостного датчика 4400 положения, имеющего сформированные из ЧНС-материалов компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, который указывает на положение проводящего объекта. Как показано на фигуре 44-L, когда объект 4410, расстояние или смещение которого измеряется, также является проводящим, емкостный датчик 4400 может быть емкостным зондом, имеющим одну емкостную пластину или элемент 4405 сформированные по меньшей мере частично из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала и выполненные с возможностью емкостной связи с проводящим объектом 4410. Емкостная пластина или элемент 4405 могут быть соединены с центральным проводником кабеля 4355 и/или другой электроникой, выполненной с возможностью измерять емкость между емкостной пластиной или элементом 4405 и проводящим объектом 4410. Емкость связи может зависеть от расстояния (a) между емкостной пластиной или элементом 4405 и проводящим объектом 4410. Следовательно, датчик 4400 дает выходное напряжение, которое соотносится известным образом с расстоянием между зондом и объектом. В некоторых примерах датчик 4400 также может быть использован для того, чтобы обнаруживать непроводящие объекты.

[00965] Примерные конфигурации емкостных датчиков смещения, показанных на фигурах 41-L-45-L, не предназначены быть исчерпывающими, и могут быть использованы различные конфигурации емкостных пластин или элементов, которые демонстрируют измененный электрический выходной сигнал в ответ на смещение одной или более емкостных пластин или элементов. Например, пластины или элементы, которые описаны выше как подвижные, могут быть неподвижными, и наоборот. В качестве другого примера, могут быть использованы другие емкостные элементы, имеющие геометрии, отличные от пластин и цилиндров. В качестве еще одного другого примера, емкостные датчики смещения могут включать в себя экранирующие элементы и/или предохранительные кольца и могут включать в себя один или более отделяющихся диэлектриков, таких как жидкие, эластомерные или прочие деформируемые/нежесткие диэлектрики. В любой из конфигураций одна или более емкостных пластин или элементов (или других элементов датчика) могут быть полностью или частично сформированы из ЧНС-материала.

[00966] Емкостные датчики смещения, которые включают в себя сформированные из ЧНС-материалов компоненты, могут быть использованы во многих применениях, включая высокоточное позиционирование (например, при обработке и тестировании полупроводников), накопители на дисках, метрологию станков, тестирование сборочных линий, точные измерения толщины и сложные воспринимающие системы, в которых сила, давление или температура вызывают смещение, и другие применения, как будет понятно.

I.D. Индуктивные датчики, включая датчики смещения с переменной индуктивностью

[00967] В некоторых примерах датчик 3700 содержит датчик смещения с переменной индуктивностью, который содержит одну или более катушек (или других индуктивных компонентов), сформированных по меньшей мере частично из ЧНС-материала (например, ЧНС-катушек). Фигура 46A-L показывает принципиальную схему примера датчика 4600 с линейным переменным дифференциальным трансформатором, имеющего сформированные из ЧНС-материалов ЧНС-компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на положение объекта. Фигура 46B-L показывает вид в разрезе датчика 4600 с соответствующими упрощенными схематичными обозначениями. Датчик 4600 с линейным переменным дифференциальным трансформатором включает в себя первичную катушку 460, две вторичные катушки 4610, 4615, соединенные в противофазе и расположенные по обе стороны от первичной катушки, и ферромагнитный сердечник 4620, вставленный между первичной и вторичными катушками (например, вставленный коаксиально в цилиндрическое отверстие между катушками и направленный вдоль коаксиального полюса 4630). Хотя это не показано, катушки могут быть расположены в несущем материале, который предотвращает их прямой контакт с сердечником. Одна или более из первичной и/или вторичных катушек могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Первичная катушка 4605 возбуждается сигналом опорного напряжения (Vref), а измеряется дифференциальное выходное напряжение (Vout) на двух вторичных катушках. Смещение ферромагнитного сердечника 4620 из его центрального положения, равноотстоящего от двух вторичных катушек, изменяет магнитное сопротивление в тракте и тем самым связь между первичной и вторичными катушками. Следовательно, можно отслеживать выходное напряжение (Vout), чтобы определять смещение ферромагнитного сердечника и тем самым смещение объекта, который механически соединен с ферромагнитным сердечником.

[00968] В других примерах (не показаны) датчик 3700 может вместо этого содержать поворотный переменный дифференциальный трансформатор, который включает в себя поворотный ферромагнитный сердечник и одну или более катушек, состоящих из ЧНС-материалов. Такой датчик может работать на аналогичных принципах, что и датчик 4600 с линейным переменным дифференциальным трансформатором, чтобы измерять угловое смещение.

[00969] В еще одних других примерах индуктивных датчиков (не показаны) одна или более катушек механически соединены с объектом, положение которого измеряется. В таких примерах механическое смещение объекта приводит к смещению одной или более катушек относительно других катушек, что изменяет уровень связи между катушками. Следовательно, смещение объекта может быть определено посредством измерения выходного напряжения на одной или более вторичных катушек. В некоторых примерах предусмотрены одна или более катушек, и объект или сердечник перемещается для того, чтобы генерировать измеримый выходной сигнал от катушек.

[00970] Конечно, эти примеры не предназначены быть исчерпывающими, и различные конфигурации датчиков с переменной индуктивностью или других индуктивных датчиков также могут использовать ЧНС-материал в катушке или другом компоненте, как будет понятно.

[00971] Датчики смещения с переменной индуктивностью, которые включают в себя сформированные из ЧНС-материалов ЧНС-компоненты, могут быть использованы во многих применениях, включая обратную связь по положению в сервомеханизмах, измерительных головках и автоматизированное измерение в станках, и других применениях, как будет понятно.

I.E. Вихретоковые датчики положения

[00972] Фигура 47-L показывает схематический вид в поперечном сечении примера вихретокового датчика 4700, имеющего сформированные из ЧНС-материалов компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на положение объекта. Датчик 4700 содержит контрольную катушку 4710 и воспринимающую катушку 4715, которые обе намотаны вокруг ферритового сердечника 4720. Одна или более из катушек могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Хотя это не показано, датчик 4700 также может включать в себя металлическую преграду или другую преграду, которая направляет электромагнитное поле к передней стороне датчика. Вихретоковый датчик 4700 может быть использован для того, чтобы измерять расстояние d между датчиком и проводящим объектом 4705. Датчик 4700 наводит вихревые токи в проводящем объекте, который создает магнитное поле, противодействующее воспринимающей катушке, и тем самым изменяет ее магнитный импеданс. Измененный магнитный импеданс, который зависит от расстояния d, может измеряться, например, посредством обнаружения рассовмещения между воспринимающей катушкой и контрольной катушкой. В некоторых примерах контрольная катушка может быть исключена, и измененный магнитный импеданс может быть определен, например, посредством измерения абсолютного магнитного импеданса воспринимающей катушки или посредством определения изменения тока, требуемого для поддержания постоянного магнитного поля.

[00973] Хотя фигура 47-L показывает один пример двухкатушечной конфигурации вихретокового датчика, показанный пример служит только в качестве иллюстрации; различные подходящие конфигурации сердечника (включая ферромагнитные, ферримагнитные и неферритовые сердечники, такие как воздушные или диэлектрические сердечники) и катушек/обмоток (включая соленоиды, тороиды и другие компоновки), которые могут быть использованы в качестве вихретокового датчика, могут содержать катушки или обмотки, сформированные из ЧНС-материала. Кроме того, различные вихретоковые датчики также могут использовать ЧНС-катушки, независимо от используемого режима работы или измерения. Например, конструкция вихретокового датчика с одной катушкой, который обнаруживает объект посредством определения тока, требуемого для поддержания постоянного магнитного поля, также может включать в себя катушку, сформированную из ЧНС-материала.

[00974] Вихретоковые датчики, имеющие ЧНС-материалы, могут использоваться для различных применений, в том числе в качестве датчика положения, а также для того, чтобы воспринимать или измерять толщину непроводящего покрытия, толщину материала, проводимость, покрытие, трещины и поверхностные дефекты, и других применений, как будет понятно.

I.F. Поперечные индуктивные датчики положения

[00975] Фигура 48-L показывает схематический вид примера поперечного индуктивного бесконтактного датчика 4800, имеющего сформированные из ЧНС-материалов компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на положение ферромагнитного объекта 4805. Фигура 49-L показывает схематический вид в поперечном сечении примера поперечного индуктивного бесконтактного датчика 4800, имеющего сформированные из ЧНС-материалов компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на положение объекта. Датчик 4800 содержит катушку 4810, намотанную вокруг сердечника 4815, такого как ферритовый сердечник. Катушка может быть сформирована из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Когда датчик подводится близко к ферромагнитному объекту 4805, индуктивность катушки изменяется таким образом, который зависит от расстояния d. Измененная индуктивность может быть обнаружена генриметром 4820. Следовательно, расстояние d между ферромагнитным объектом 4805 и датчиком 4800 может быть определено посредством измерения изменений индуктивности. Как показано на фигуре 49-L, за счет связи неферромагнитного объекта 4930 с ферромагнитным объектом, таким как ферромагнитный диск 4935, датчик 4800 может быть использован для того, чтобы косвенно определять расстояние d до неферромагнитного объекта 4930 с использованием идентичных способов, описанных выше.

[00976] Хотя фигуры 48-L и 49-L показывают два примера конфигурации поперечных индуктивных бесконтактных датчиков, показанные примеры служат только в качестве иллюстрации, и возможны различные другие подходящие конфигурации сердечника (включая ферромагнитные, ферримагнитные и неферритовые сердечники, такие как воздушные или диэлектрические сердечники) и/или катушек/обмоток (включая соленоиды, тороиды и другие компоновки), как будет понятно. Различные поперечные индуктивные бесконтактные датчики могут содержать катушки или обмотки, сформированные из ЧНС-материала. Кроме того, различные поперечные индуктивные бесконтактные датчики могут использовать ЧНС-катушки независимо от точного режима работы и измерения.

I.G. Датчики положения на эффекте Холла

[00977] Фигура 50-L показывает схематический вид, иллюстрирующий принципы действия датчика 5000 на эффекте Холла, имеющего сформированные из ЧНС-материалов ЧНС-компоненты и выполненного с возможностью создавать выходной сигнал, указывающий на магнитное поле и/или положение объекта. Как показано, в ответ на входной ток I (например, постоянный ток), приложенный к двум контактным выводам проводящей полосы 5005, магнитное поле (B) создает поперечную разность потенциалов Холла (V_H) на двух других контактных выводах проводника. Выходной сигнал V_H (т.е. его знак и амплитуда) зависит как от абсолютной величины, так и от направления магнитного поля (B) и приложенного электрического тока (I). Проводящая полоса 5005 может быть сформирована из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Хотя это не показано, датчик 5000 на эффекте Холла может быть реализован в аналоговой или двухуровневой форме посредством интегрирования датчика с интерфейсными схемами, таким как усилители или пороговые электронные схемы (такие как триггер Шмитта), соответственно.

[00978] Выходной сигнал датчика 5000 на эффекте Холла (или просто ʺдатчика Холлаʺ) может быть использован для того, чтобы непосредственно измерять магнитное поле. Датчик 5000 на эффекте Холла также может быть скомбинирован с источником магнитного поля, таким как постоянный магнит или другой источник магнитного поля (например, соленоид или тороид), чтобы обнаруживать положение. В некоторых примерах датчика на эффекте Холла постоянный магнит или другой источник магнитного поля соединяется с объектом, положение которого измеряется. Следовательно, в таких примерах магнитное поле, обнаруженное датчиком Холла, указывает на положение объекта по отношению к датчику Холла, поскольку магнитное поле, которое достигает проводящей полосы, будет варьироваться в зависимости от положения объекта относительно проводящей полосы. Фигура 51-L показывает один пример этого общего класса датчиков положения на эффекте Холла. Как показано, магнит 5105 или другой источник магнитного поля помещен в или на объекте-поплавке 5110 так, что поплавок перемещается вверх и вниз вдоль штыря 5125 относительно неподвижного датчика 5120 Холла, расположенного наверху штыря.

[00979] В качестве другого примера, проиллюстрированного фигурами 52A-L и 52B-L, датчик на эффекте Холла может включать в себя источник 5210 магнитного поля (такой как постоянный магнит), который является прерываемым подвижным ферромагнитным объектом, таким как пластина или лопасть 5215. Как показано на фигуре 52A-L, когда лопасть 5215 находится в первом положении, которое создает воздушный зазор 5205 между датчиком и магнитом, поток из источника магнитного поля достигает датчика 5000 Холла через зазор. Как показано на фигуре 52B-L, когда лопасть 5215 находится во втором положении, которое занимает зазор 5205, лопасть шунтирует магнитный поток таким образом, что он не достигает датчика 5000 Холла. Следовательно, в таких примерах обнаруживаемое датчиком Холла магнитное поле может указывать на положение или смещение объекта, соединенного с лопастью. Лопасть может иметь прямолинейное или вращательное движение. Такие датчики могут быть использованы в автомобильных распределителях, хотя разумеется, возможно множество других применений.

[00980] Различные другие датчики используют механизм магнитоэлектрического преобразования датчика 5000 Холла. Например, датчики могут использовать несколько (например, четыре) датчиков Холла, выполненных в мостовой или другой сетевой компоновке и возбуждаемых постоянным магнитом (или другим источником магнитного поля), чтобы измерять линейное или угловое пространственное положение или движение. В качестве другого примера, датчик Холла может измерять ток, переносимый через проводник, посредством обнаружения создаваемого током магнитного поля. В качестве еще одного другого примера, датчик Холла может быть использован для того, чтобы отслеживать возмущения в магнитном поле, которые являются следствием приведения датчика в непосредственную близость с металлической конструкцией, ферромагнитной или ферримагнитной конструкцией или с другим типом объекта, который возмущает магнитное поле.

[00981] Хотя фигуры 50-L-52-L показывают различные примеры датчиков на эффекте Холла, показанные примеры служат только в качестве иллюстрации. Различные другие подходящие конфигурации или геометрии датчика на эффекте Холла и/или других компонентов (включая постоянные магниты, соленоиды, тороиды и другие источники магнитного поля), используемых для того, чтобы охарактеризовать положение объекта или другие типы стимулирующего воздействия, могут включать ЧНС-материалы. Например, различные конфигурации могут использовать датчик на эффекте Холла, который содержит проводящую полосу 5005, созданную из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. В качестве другого примера, различные конфигурации могут использовать источник магнитного поля (например, соленоид или тороид), созданный из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала.

[00982] Датчики на эффекте Холла могут использоваться для множества применений, включая без ограничения: датчики скорости вращения (для антиблокировочных систем, автомобильных спидометров, накопителей на дисках, электронных систем зажигания, тахометров, колесиков часов, валов и зубьев шестерни), электронные компасы, органы управления электродвигателем, датчики/переключатели положения/движения, автомобильное зажигание и впрыск топлива, датчики расхода текучей среды, магнитные датчики, датчики тока и датчики давления. Датчики на эффекте Холла могут быть включены в состав, например, автомобилей, смартфонов, принтеров, клавиатур, промышленных машин и некоторых глобальных систем позиционирования, и другие применения, как будет понятно.

I.H. Магниторезистивные датчики положения

[00983] Различные магниторезистивные датчики используют характеристики анизотропного магнитосопротивления проводящего элемента. Магниторезистивные датчики могут быть использованы во многих из тех же конфигураций и применений, что и датчик Холла, в том числе в качестве детектора близости, положения или вращения. Магниторезистивный датчик обнаруживает изменения в магнитном поле (к примеру, в поле, созданном постоянным магнитом или другим источником магнитного поля, таким как соленоид или тороид) за счет контроля сопротивления магниторезистивного проводящего элемента, которое изменяется в ответ на измененное магнитное поле. Различные конфигурации магниторезистивных датчиков могут использовать ЧНС-компоненты, такие как ЧНС-нанопровода, ЧНС-ленты, тонкие ЧНС-пленки, ЧНС-фольга или другие образования из ЧНС-материала. Например, магниторезистивный датчик может использовать магниторезистивный проводящий элемент, сформированный из тонкой ЧНС-пленки, ЧНС-фольги или другого образования. В качестве другого примера, магниторезистивный датчик может использовать источник магнитного поля (такой как соленоид, тороид или другую индуктивную обмотку), сформированный из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок и/или ЧНС-фольги.

I.I. Магнитострикционные датчики положения

[00984] Различные магнитострикционные датчики используют структуру, сформированную из магнитострикционных материалов, чтобы преобразовывать магнитную энергию в кинетическую энергию, или наоборот. Один пример магнитострикционного датчика положения использует ультразвуковые волны для того, чтобы обнаруживать положение постоянного магнита (или другого источника магнитного поля), который является подвижным вдоль длины волновода. Эта система может использовать один или более волноводов, источников магнитного поля, пьезоэлектрических датчиков и/или датчиков магнитного сопротивления. Различные конфигурации магниторезистивных датчиков могут содержать волноводы, источники магнитного поля, датчики магнитного сопротивления или другие ЧНС-компоненты, сформированные из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок и/или ЧНС-фольги. Применения магнитострикционных датчиков положения включают гидравлические цилиндры, машины для литья под давлением, кузнечное оборудование, подъемники, горнодобывающее оборудование, прокатные станы, прессы и другие устройства, которые требуют высокого разрешения на больших расстояниях, и иные применения, как будет понятно.

I.J. Радарные датчики положения

[00985] Различные радарные датчики положения, такие как импульсные радарные системы и радарные системы с непрерывным излучением (включая, помимо прочего, радар с непрерывным излучением и частотной модуляцией, импульсный доплеровский радар, указатель движущихся целей, системы с быстрой перестройкой частоты, радар с синтезированной апертурой, радар с обратной синтезированной апертурой, радар с фазированной антенной решеткой), передают импульсы или незатухающие волны высокочастотных радиосигналов из антенны и измеряют электромагнитные сигналы, отражаемые от целевого объекта, чтобы определять его местоположение, дальность, высоту, направление и/или скорость. Такие системы могут использовать задержку отраженного сигнала и/или сдвиги частоты для того, чтобы определять положение и/или скорость целевого объекта. Различные конфигурации радарных датчиков положения могут содержать передатчики, синхронизаторы, источники питания, осцилляторы, модуляторы, волноводы, дуплексеры/мультиплексоры, антенны, фильтры, приемники, компоненты предварительной и постобработки и управления и/или другие ЧНС-компоненты, сформированные из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок и/или ЧНС-фольги.

I.K. Другие датчики положения, смещения и уровня

[00986] Другие типы датчиков, которые содержат ЧНС-компоненты, сформированные по меньшей мере частично из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала, могут давать выходной сигнал, указывающий на положение (например, близость), смещение объекта и/или уровень текучей среды. Неисчерпывающие примеры других датчиков положения, смещения и уровня, которые могут содержать ЧНС-компоненты, которые сформированы по меньшей мере частично из ЧНС-материала, включают следующее: (1) оптические датчики близости, смещения и положения, которые могут включать в себя источник света, фотодетекторы (например, фотодиоды, фототранзисторы, ПЗС-матрицы, КМОП-матрицы формирования изображений) и компоненты направления и модификации света (например, линзы, зеркала, волоконно-оптические кабели, фильтры), такие как (a) оптические мостовые датчики, (b) оптические детекторы близости, которые используют поляризованный свет, (c) волоконно-оптические датчики, (d) датчики Фабри-Перо, (e) решеточные датчики, (f) линейные оптические датчики и (g) другие оптические датчики положения, смещения и уровня; (2) ультразвуковые датчики положения, смещения и уровня; (3) датчики толщины и абляции, включая (a) датчики абляции (например, измерители обрыва проводов, датчики с измерительным преобразователем излучения, световодные датчики, емкостные или резонансные измерители абляции), (b) тонкопленочные датчики измерения толщины (например, емкостные датчики, использующие электроды, и оптические датчики); (4) датчики уровня, включая, например (a) резистивные датчики уровня, (b) оптические датчики уровня, (c) магнитные датчики уровня, (d) емкостные датчики уровня (например, имеющие коаксиальные емкостные пластины) и (e) датчики уровня линий передачи (например, датчики, которые обнаруживают отражательную способность от поверхности раздела ʺжидкость-парʺ); (5) указательные устройства, включая оптические указательные устройства, указательные устройства на основе магнитного датчика и инерционные и гироскопические указательные устройства; и (6) спутниковые навигационные системы, к примеру, глобальные системы позиционирования, глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) и т.д.

II. Датчики занятости и движения

[00987] В некоторых примерах датчик 3700 может быть выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на присутствие людей или животных в отслеживаемой области (ʺзанятостьʺ) или движение объекта. Такие датчики могут быть использованы в игрушках, бытовой электронной аппаратуре, системах безопасности, системах наблюдения, системах управления энергопотреблением, персональных системах безопасности, приборах и во множестве других типов систем.

II.A. Емкостные датчики занятости/движения

[00988] Емкостные датчики могут определять занятость или движение людей/животных посредством измерения эффектов емкости тела людей или животных. Фигура 53-L показывает один пример емкостного датчика 5300 занятости или движения. Как показано, датчик 5300 может содержать одну или более емкостных пластин 5305 или других емкостных структур (включая, например, испытательную пластину 5305a и контрольную пластину 5305b), экраны (к примеру, приводимые экраны), источник ввода и датчик 5330 емкости или другие датчики, выполненные с возможностью обнаруживать изменения емкости между различными емкостными пластинами или элементами (например, изменения относительно известной опорной емкости Cref 5320), вызываемые присутствием человека 5325 или животного. Изменение емкости может быть результатом того, что человек 5325 образует емкости связи с окружающими его средами, включая емкости связи с испытательной пластиной 5305a и контрольной пластиной 5305b (C1 5310a и C2 5310b соответственно). Некоторые или все эти компоненты могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала.

II.B. Трибоэлектрические детекторы

[00989] Различные трибоэлектрические датчики обнаруживают движение человека, животного или другого объекта посредством обнаружения возмущений в статическом или квазистатическом электрическом поле (например, 5415), которые вызываются движением человека или животного, переносящего поверхностный заряд, вызываемый трибоэлектрическим эффектом (или, в разговорной речи, ʺстатическое электричествоʺ). Фигура 54-L показывает один пример униполярного трибоэлектрического детектора 5400 движения. Как показано, трибоэлектрические датчики могут содержать одну или более электродных пластин 5405 или других электродных конструкций и преобразователь 5410 импеданса или другие электронные схемы постобработки для обнаружения изменений заряда на электродных пластинах/структурах, вызываемых перемещением человека 5420, животного или другого носителя заряда. Эти компоненты могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала.

II.C. Оптоэлектрические датчики движения

[00990] Различные оптоэлектрические датчики движения обнаруживают движение человека, животного или другого объекта в отслеживаемой области посредством обнаружения видимого или инфракрасного света, отражаемого от или излучаемого из объекта, который создает оптическую контрастность между объектом и окружающими его средами.

Обнаруженный свет может исходить из источника света (такого как светоизлучающий диод, дневной свет, лунный свет, лампа накаливания, лазер и т.д.) или от самого движущегося объекта (например, среднее и дальнее ИК-излучение от человеческого тела). Фигура 55-L является схематическим видом, который иллюстрирует общую конструкцию оптоэлектронного датчика 5500 движения. Как показано, датчик может содержать одно или более фокусирующих устройств 5505 (например, линзы, включая линзы с точечным отверстием, фасеточные линзы, пластмассовые линзы Френеля, и зеркала, включая параболические рефлекторы, и т.д.); один или более светодетектирующих элементов 5510 (например, болометры, термоэлектрические батареи, пироэлектрические элементы, фотоэлектрические элементы, фоторезистивные элементы, фоторезисторы, пленку ПВДФ, ПЗС-датчики, КМОП-датчики формирования изображений и т.д.); и электронику 5515 постобработки, такую как усилители и компараторы, выполненные с возможностью выполнять постобработку сигнала, полученного светодетектирующими элементами. Некоторые или все эти компоненты могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материалов. Например, как подробнее описано здесь, различные светодетектирующие элементы могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Как показано, когда объект 5525 (к примеру, человек) перемещается в поле зрения фокусирующего устройства 5505 (как показано стрелкой), изображение 5520 объекта перемещается и за счет этого создает фотонный поток на светодетектирующем элементе 5510, отличный от фотонного потока, вызываемого изображением статической окружающей среды. Светочувствительный элемент реагирует измененным или возмущенным напряжением. Это возмущение обнаруживается электроникой постобработки. Оптоэлектронные детекторы могут быть использованы в системах безопасности, при управлении энергопотреблением, в бытовой электронной аппаратуре, игрушках и т.д.

II.D. Оптические датчики присутствия

[00991] Различные оптические датчики присутствия обнаруживают присутствие объекта в отслеживаемой области посредством обнаружения изменения количества света, которое отражается или поглощается объектом. Фигура 56-L является схематическим видом, который иллюстрирует пример оптического детектора 5600 присутствия. Как показано, оптический детектор присутствия включает в себя источник света или излучатель 5615 (к примеру, светодиод), возбуждаемый драйвером 5625, который создает световой луч в поле зрения светочувствительного датчика 5620 (такого как описанные здесь). Статический фон отражает конкретное количество света обратно в светочувствительный датчик, который создает фоновый выходной сигнал. Когда объект 5640 появляется в поле зрения светочувствительного датчика 5620, он отражает или поглощает свет по-другому, чем статическая окружающая среда. Следовательно, светочувствительный датчик и преобразователь 5630 света в напряжение создают обнаруживаемый выходной сигнал, отличающийся от обычного фонового сигнала, в ответ на различный коэффициент отражения/поглощения света объекта. Как показано, оптический детектор присутствия может включать в себя различные элементы фокусировки и направления, такие как линза 5605 и световод 5610, чтобы создавать световой луч 5645 и/или принимать отраженный свет. Кроме того, датчик может включать в себя процессор 5635, выполненный с возможностью возбуждать источник 5615 света и обрабатывать выходной сигнал светочувствительного датчика 5620. Некоторые или все эти компоненты могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материалов. Например, как подробнее описано здесь, различные элементы светочувствительных датчиков могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала. Такие детекторы могут быть использованы в роботах, сушилках для рук, раковинах, туалетах, выключателях света и других потребительских, коммерческих и бытовых изделиях.

II.Е. Датчики движения на основе давления

[00992] Различные датчики движения на основе давления обнаруживают проникновения или другое движение в закрытом, контролируемом пространстве посредством контроля изменений давления воздуха, которые вытекают из внезапного перемещения дверей, окон, людей или других объектов. Фигура 57-L является схематическим видом в поперечном сечении, который иллюстрирует пример датчика 5700 градиента давления воздуха. Как показано, датчик 5700 градиента давления воздуха может включать в себя камеру 5725, образованную отчасти из двух противостоящих стенок: металлической или металлизированной гибкой мембраны 5710 или диафрагмы (такой как металлизированная пластмассовая мембрана или металлическая фольга) и жесткой металлической или металлизированной пластины 5705, которая включает в себя вентиляционное отверстие 5715. Эти две металлических поверхности, которые могут быть сформированы из ЧНС-материалов, совместно имеют емкость связи. Следовательно, отклонения мембраны 5710 (от нейтрального положения, показанного пунктирной линией), вызываемые внезапными изменениями давления воздуха, могут быть определены с использованием емкостного датчика 5720, например, датчика, который использует описанные здесь системы и способы емкостного восприятия смещения. Конечно, как описано выше, относительно емкостных датчиков смещения, другие компоненты таких датчиков движения могут быть сформированы из ЧНС-материалов. В других примерах датчик 5700 градиента давления воздуха может включать в себя другие типы датчиков смещения, чтобы определять отклонение мембраны, к примеру, другие датчики смещения, описанные здесь. В таких примерах мембрана и/или жесткая пластина может не быть металлической или металлизированной.

II.F. Другие детекторы занятости и движения

[00993] Другие типы датчиков, которые содержат ЧНС-компоненты, сформированные по меньшей мере частично из нанопроводов, лент, тонких пленок, фольги или других образований из ЧНС-материала, могут давать выходной сигнал, указывающий на занятость или движение. Различные примеры других датчиков занятости, присутствия или движения, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают: радарные системы (как описано здесь), другие датчики давления/градиента давления воздуха, акустические датчики, фотоэлектрические датчики, которые обнаруживают прерываемый световой луч, контактные коврики или другие чувствительные к давлению поверхности, детекторы механического напряжения или деформации, встроенные в защищенной области, переключающие датчики, включая электромагнитные выключатели, вибродатчики, инфракрасные детекторы движения, ультразвуковые детекторы, видеодетекторы движения, системы распознавания лиц, лазерные детекторы, сигнализационные датчики, язычковые переключатели, детекторы неоднородностей, триангуляционные датчики, проводные перчатки и датчики доплеровской РЛС.

III. Датчики скорости и ускорения

[00994] В некоторых примерах датчик 3700 может быть одно- или многоосным датчиком скорости или акселерометром, выполненным с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на скорость или ускорение объекта соответственно. Датчик скорости может измерять линейную или угловую скорость или скорость движения объекта. Акселерометр может измерять ускорение по координатам или надлежащее ускорение объекта, например, посредством измерения веса в расчете на единицу испытываемой массы или удельной силы. Акселерометры могут быть использованы для того, чтобы определять, помимо прочего, ориентацию, ускорение по координатам (т.е. изменение скорости объекта в пространстве), колебания, удары и падения. Несколько акселерометров могут быть использованы для того, чтобы обнаруживать разности в ускорении, например, в качестве градиентометров.

[00995] Датчики скорости или акселерометры могут быть использованы во множестве применений, включая без ограничения: автомобили (например, для измерений ускорения или скорости, оценки цепей привода/двигателя и тормозных систем, системы электронного контроля устойчивости, срабатывания подушки безопасности), поезда, вулканология, коммерческое или промышленное оборудование, измерения/мониторинг колебаний, измерения сейсмической активности, измерения наклона, гравиметры, мониторинг работоспособности машин, оборудование летательных аппаратов/авионика, инерциальные навигационные системы или системы наведения, медицинское оборудование и потребительские изделия, включая системы видеоигр, спортивный инвентарь и другую портативную электронику, такую как мобильные телефоны, записывающие видеокамеры и фотокамеры (например, для определений стабилизации и/или ориентации изображения), смартфоны, аудиопроигрыватели, планшетные компьютеры, переносные компьютеры, персональные цифровые устройства и другие мобильные компьютеры.

[00996] В некоторых примерах датчики положения/смещения, скорости и/или ускорения могут быть использованы взаимозаменяемо вследствие математической взаимосвязи между этими величинами. В качестве первого примера, в низкочастотных или малошумных применениях датчики смещения и способы, описанные в другом месте здесь, могут использоваться для восприятия скорости и ускорения. Может быть выполнена дополнительная постобработка, например, дифференцирование, выходного сигнала датчика смещения, чтобы определить одну или более математических производных сигнала, которые указывают на скорость или ускорение. В качестве второго примера, в среднечастотных или среднешумных применениях описанные здесь датчики скорости и способы могут использоваться для восприятия ускорения. Может быть выполнена дополнительная постобработка, например, дифференцирование, выходного сигнала датчика скорости, чтобы определять математическую производную сигнала, которая указывает на ускорение. В качестве третьего примера, описанные здесь системы и способы восприятия ускорения и/или скорости могут быть использованы для того, чтобы определять скорость и/или положение/смещение соответственно. Может быть выполнена дополнительная постобработка, например, математическое интегрирование, выходных сигналов датчика ускорения и/или скорости, чтобы определять скорость и/или положение/смещение объекта соответственно.

III.A. Электромагнитные датчики скорости

[00997] Фигура 58-L показывает схематический вид, иллюстрирующий принципы действия электромагнитного датчика скорости. Как показано, датчик 5800 содержит две или более индукционные катушки 5810 и 5815, соединенные во встречно-последовательном направлении вокруг подвижного постоянного магнитного сердечника 5805; катушки могут быть частично или полностью сформированы из ЧНС-материала. По закону Фарадея перемещение магнитного сердечника в катушке наводит напряжение в катушке, пропорциональное скорости сердечника. Следовательно, можно измерять выходное напряжение на двух катушках, чтобы определить скорость сердечника и, следовательно, скорость объекта, соединенного с сердечником. Показанная компоновка катушек предназначена быть только иллюстративной, и могут использоваться другие геометрии, включая использование одной или более катушек, навитых вокруг подвижного поворотного магнитного сердечника для измерений угловой скорости. Показанный датчик может быть использован, например, для восприятия скорости колебаний.

III.B. Акселерометры, имеющие ускоряемые массы

[00998] Как проиллюстрировано на фигуре 59-L, различные акселерометры 5900 определяют ускорение (a) объекта 5905, соединенного с корпусом 5910 акселерометра, посредством измерения смещения относительно крупной подвижной сейсмической, инерционной или ускоряемой массы 5915, имеющей известный вес и соединенной с корпусом акселерометра пружинами 5920, консолями, шарнирами или другими упругими элементами. Чтобы измерять смещение, акселерометр 5900 может использовать один или более датчиков смещения, таких как описанные здесь датчики смещения. В таких примерах (включая примеры, подробнее описанные здесь далее), ускоряемая масса, компоненты датчика смещения и/или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

III.C. Емкостные акселерометры

[00999] Различные емкостные акселерометры определяют смещение ускоряемой массы и, следовательно, ускорение объекта посредством использования способов емкостного преобразования смещения, например, с использованием принципов и систем, аналогичных описанным здесь в отношении емкостных датчиков смещения. Как показано на фигуре 60-L, в таких примерах датчик 6000 может содержать (1) подвижную ускоряемую массу 6005, поддерживаемую пружинами или другими упругими элементами 6020 (такими как кремниевые пружины) и выполненную с возможностью перемещаться в корпусе 6025 датчика, и (2) две или более емкостных пластины 6015, 6010, 6005 или элемента, которые могут включать в себя саму ускоряемую массу 6005, подвижные емкостные пластины или элементы, например, соединенные с подвижной ускоряемой массой (не показаны), и/или стационарные емкостные пластины или элементы 6005, 6010, положения которых являются неподвижными относительно корпуса 6025 акселерометра. Любые из этих компонентов или других компонентов датчика 6000 могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов. Перемещение ускоряемой массы во время ускорения заставляет емкости между различными емкостными элементами (например, C1, C2) изменяться вследствие измененных относительных положений емкостных элементов. Измененные емкости могут быть обнаружены любым подходящим способом (включая дифференциальные методы и другие способы, описанные здесь) и тем самым использованы для того, чтобы вывести смещение ускоряемой массы, которое, в свою очередь, может быть использовано для того, чтобы определять ускорение объекта 6030, соединенного с корпусом 6025 акселерометра. В некоторых примерах емкостный акселерометр может быть подвергнут микрообработке, например, с использованием МЭМС-технологий или других методов.

III.D. Пьезорезистивные акселерометры

[001000] Различные пьезорезистивные акселерометры определяют смещение ускоряемой массы и, следовательно, ускорение объекта, соединенного с акселерометром, посредством использования пьезорезистивных элементов. В таких примерах датчик может содержать (1) подвижную ускоряемую массу, поддерживаемую пружинами, шарнирами или другими упругими элементами и выполненную с возможностью перемещаться в корпусе акселерометра, и (2) пьезорезистивные элементы тензодатчика, которые измеряют вызываемую смещением ускоряемой массы деформацию в пружине или упругих элементах (дополнительное пояснение пьезорезистивных тензодатчиков приведено здесь). Любые из этих компонентов могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов. В некоторых примерах пьезорезистивный акселерометр может быть подвергнут микрообработке, например, с использованием МЭМС-технологий или других методов.

[001001] Фигура 61-L показывает покомпонентный вид одного примера пьезорезистивного акселерометра 6100. Как показано, пазы в подкладочном слое 6110 и базовом слое 6105 образуют полость, в которой ускоряемая масса 6115 может перемещаться в ответ на ускорение. Во внутреннем слое кремния ускоряемая масса 6115 соединена с опорным кольцом 6120 через упругий шарнир 6125. Интегрированные тензодатчики 6130 на шарнире выдают выходные сигналы с контактных выводов, которые указывают смещение ускоряемой массы и, следовательно, ускорение корпуса.

III.Е. Пьезоэлектрические акселерометры

[001002] Различные пьезоэлектрические акселерометры определяют смещение ускоряемой массы и, следовательно, ускорение объекта, соединенного с акселерометром, посредством использования пьезоэлектрических элементов. Как показано на фигуре 62-L, в таких примерах датчик 6200 может содержать (1) подвижную ускоряемую массу 6205, выполненную с возможностью перемещаться относительно корпуса 6220 акселерометра и соединенную с корпусом через пружину, шарнир или другой упругий элемент 6210, и (2) пьезоэлектрические элементы 6225, такие как элементы, сформированные из ЧНС-материалов, кристалла кварца, титаната бария, титаната свинца цирконита, метаниобита свинца или других керамических пьезоэлектрических материалов и выполненные с возможностью реагировать на перемещения ускоряемой массы (например, сдвиг, сжатие, сгиб или другие типы перемещения) электрическим сигналом. Любые из этих компонентов могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов. Как показано, когда корпус акселерометра ускоряется, он перемещается относительно ускоряемой массы, которая прикладывает силу (например, сдвигающую, сжимающую или изгибающую силу) к пьезоэлектрическим элементам, вызывающую электрический выходной сигнал, указывающий на ускорение. Хотя показана сжимающая сила, в других конфигурациях пьезоэлектрический элемент может подвергаться другим типам сил от ускоряемой массы. В некоторых примерах пьезоэлектрический акселерометр может быть подвергнут микрообработке, например, с использованием МЭМС-технологий или других методов. В некоторых примерах пьезоэлектрические элементы могут быть пьезоэлектрическими пленками, расположенными на подвижной ускоряемой массе и/или на пружинах, шарнирах или подвергнутых микрообработке консолях, которые поддерживают ускоряемую массу.

III.F. Акселерометры с нагретыми пластинами

[001003] Различные акселерометры с нагретыми пластинами определяют смещение нагретой ускоряемой массы и, следовательно, ускорение объекта, соединенного с акселерометром, посредством использования температурных датчиков, чтобы определять флуктуации температуры, вызываемые перемещением ускоряемой массы. Фигура 63-L показывает один пример акселерометра 6300 с нагретыми пластинами (с исключенным ускоряемым компонентом), который содержит (1) подвижную ускоряемую массу 6305, выполненную с возможностью перемещаться относительно корпуса акселерометра и поддерживаемую консольной балкой 6310 или шарниром, (2) нагревательный элемент 6315 (такой как резистор), выполненный с возможностью нагревать ускоряемую массу до заданной температуры, (3) один или более теплоотводов 6320, отделенных от ускоряемой массы теплопроводным газом 6325 и выполненных с возможностью принимать тепло от ускоряемой массы через газ, (4) один или более температурных датчиков 6330, таких как термоэлементы, расположенных в, на или около консольной балки или шарнира (или другого компонента) и выполненных с возможностью определять флуктуации температуры в консольной балке (или другом компоненте), которые являются результатом смещения ускоряемой массы из своего нейтрального положения. Любые или все из этих компонентов или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

[001004] В еще одних других примерах газ, нагретый резистором или другим нагревательным элементом, может быть использован в качестве сейсмической массы. Акселерометр может использовать термоэлементы или другие температурные датчики, чтобы обнаруживать флуктуации температуры, вызываемые перемещением нагретого газа, которое получается в результате во время ускорения (т.е. из конвективной силы). В таких примерах нагревательный элемент, температурные датчики и/или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

III.G. Другие типы датчиков скорости и акселерометров

[001005] Другие типы датчиков, которые содержат ЧНС-компоненты, сформированные по меньшей мере частично из ЧНС-нанопроводов, ЧНС-лент, тонких ЧНС-пленок, ЧНС-фольги или других образований из ЧНС-материала, могут давать выходной сигнал, указывающий на скорость или ускорение. Неисчерпывающие примеры датчиков скорости и акселерометров (включая гироскопы и гравитационные детекторы, такие как инклинометры или детекторы угла наклона), которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают следующие типы датчиков скорости или ускорения: спутниковые навигационные системы, такие как глобальные системы позиционирования и глобальные навигационные спутниковые системы, роторные гироскопы (такие как гироскопы на основе магнитной левитации), гравиметры (включая (a) гравиметры, которые используют сферу на магнитной подвеске и которые могут использовать сформированные из ЧНС-материала катушки или сферы, и (b) гравиметры, которые содержат катушку и магнит, покрытые по меньшей мере частично ЧНС-материалом), монолитные кремниевые гироскопы, оптические гироскопы, проводящие гравитационные датчики (например, ртутные выключатели, электролитические датчики наклона), датчики наклона, использующие матрицу фотодетекторов, пьезоэлектрические датчики, подвергнутые микрообработке емкостные (МЭМС) датчики, датчики сдвиговых колебаний, подвергнутые микрообработке поверхностно-объемные емкостные датчики, подвергнутые микрообработке объемные пьезоэлектрические резистивные датчики, емкостные датчики на основе подпружиненной массы, электромеханические серводатчики (на основе баланса усилия сервопривода), компенсационные датчики, тензометрические датчики, резонансные датчики, термические датчики (например, на основе субмикронного КМОП-процесса), магнитно-индукционные датчики, датчики на основе переменного магнитного сопротивления, оптические датчики, датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), лазерные датчики, датчики реакции по постоянному току, трехосные датчики, модально подстраиваемые датчики на основе принципа ударного молотка, маятниково-интегрирующие гироскопические датчики и встроенные в подушку сиденья датчики. Другие неисчерпывающие примеры датчиков, которые могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают в себя следующие типы датчиков: (1) датчики свободного падения; (2) инклинометры; (3) лазерные дальномеры; (4) линейные кодеры; (5) жидкостные емкостные инклинометры; (6) одометры; (7) угловые кодеры; (8) датчики Сельсина; (9) датчики внезапного движения; (10) тахометры; (11) ультразвуковые толщиномеры; и (12) датчики гидролокатора (SONAR).

IV. Датчики силы, деформаций и тактильные датчики

[001006] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на силу, деформацию и/или касание, приложенные к объекту. Аналогично другим типам датчиков, датчики силы или деформации, содержащие ЧНС-материал, могут представлять собой (1) количественные датчики, выполненные с возможностью измерять силу или деформацию и отражать измеренное значение в электрическом выходном сигнале, или (2) качественные датчики, выполненные с возможностью определять силу или деформацию свыше (или ниже) порогового значения.

IV.A. Пьезоэлектрические кабели

[001007] Фигура 64-L показывает один пример пьезоэлектрического кабеля, который может быть использован для того, чтобы выдавать выходной сигнал, который указывает на силу, деформацию и/или касание. Как показано, коаксиальный пьезоэлектрический датчик 6400 включает в себя пьезоэлектрический материал 6405, такой как пьезоэлектрический полимер или пьезоэлектрический порошок, который составляет часть диэлектрика между жилой 6415 центрального проводника и оболочкой 6410 внешнего проводника коаксиального кабеля. Когда кабель подвергается действию сжимающей или растягивающий силы, он создает реагирующие заряд или напряжение, которые снимаются проводниками. Такие кабели могут использоваться по различным назначениям, включая мониторинг колебаний и автомобильного трафика. Эти кабели могут быть приспособлены таким образом, что жила центрального проводника и/или экран внешнего проводника сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

IV.B. Сложные датчики силы (включая датчики нагрузки)

[001008] Сложные датчики силы, или мессдозы, могут (1) преобразовывать неизвестную силу в промежуточный сигнал с использованием первого измерительного преобразователя, и (2) преобразовывать промежуточный сигнал в электрический выходной сигнал с использованием второго измерительного преобразователя (т.е. датчика прямого действия). Фигура 65A-L показывает один пример сложного датчика 6500 силы, который имеет пружину 6510 или другой измерительный преобразователь силы в смещение, который преобразует приложенную силу 6505 в смещение; смещение затем измеряется датчиком 6515 смещения, таким как датчик с линейным переменным дифференциальным трансформатором или любой другой тип датчика смещения, как описано выше. Фигура 65B-L показывает второй пример сложного датчика 6550 силы, который имеет сильфон 6555, диафрагму или другой измерительный преобразователь силы в давление, который преобразует приложенную силу в находящуюся под давлением текучую среду. Созданное давление текучей среды затем измеряется датчиком 6560 давления, таким как описанные здесь. В третьем, не показанном примере неизвестная сила, через механические компоненты (такие как упругий элемент), деформирует один или несколько тензодатчиков (описанных здесь), которые могут размещаться в мостовой конфигурации. Тензодатчики преобразуют деформации в электрический сигнал.

[001009] Другие сложные датчики силы/мессдозы включают в себя: датчики, которые работают с использованием различных принципов действия (консоль, изгибающаяся балка, сжимаемые, растягиваемые, универсальные, сдвиговые, крутящего момента, полые) и/или с различными конструкциями (например, изгибающаяся балка, параллельная балка или бинокулярная балка, контейнер, продольная балка, одностоечные, многостоечные, плоскоспиральные, ʺпусковая кнопкаʺ, односторонняя продольная балка, двусторонняя продольная балка, ʺsʺ типа, со штоковой полостью, цифровая электродвижущая сила, диафрагма/мембрана, кольцо с кручением, кольцо с изгибом, кольцевой динамометр или нагрузочный штифт). Любые сложные датчики силы, такие как описанные здесь, могут использовать ЧНС-материалы, например, в датчике прямого действия (таком как описанные здесь), который преобразует промежуточный сигнал в электрический выходной сигнал.

IV.C. Тензодатчики

[001010] Различные тензодатчики измеряют деформацию (деформирование) объекта за счет создания и/или измерения пьезорезистивных изменений сопротивления, которые являются результатом деформации. Фигура 66-L показывает один пример проволочного тензометра 6600, который может быть использован для того, чтобы получить выходной сигнал, который указывает на деформацию. Как показано, тензодатчик содержит резистивный элемент 6610 (например, провод или фольгу), связанный с упругой изоляционной подкладкой 6605, которое может прилипать или иным образом соединяться с объектом, который испытывает приложенную деформацию. Измененное сопротивление может измеряться с использованием моста Уитстона или другого датчика сопротивления. Резистивный элемент и/или датчик сопротивления может быть сформирован из ЧНС-материалов. Хотя могут быть использованы различные формы, зачастую резистивный элемент образован в змеевидном формате, имея несколько продольных сегментов, которые гораздо длиннее поперечных сегментов. Несколько тензодатчиков могут быть расположены упорядочено (например, чтобы измерять деформации по различным осям); они также могут быть размещены в мостовых конфигурациях. В некоторых примерах тензодатчики также могут включать в себя компоненты температурной компенсации, выполненные с возможностью компенсировать резистивные изменения, которые вытекают из изменений температур. ЧНС-материалы также могут быть внедрены в другие типы тензодатчиков, включая полупроводниковые тензодатчики.

IV.D. Тактильные датчики с переключателем

[001011] Различные тактильные датчики с контактным переключателем обнаруживают контактное усилие в заданной точке. Фигура 67-L показывает один пример тактильного датчика 6700 с переключателем. Как показано на виде в поперечном сечении по фигуре 67-L, датчик 6700 содержит заземленную гибкую или вдавливаемую проводящую поверхность 6705 (например, гибкую фольгу, пленку, такую как майлар или полипропилен с отпечатанными проводящими чернилами), отделенную от неподвижных проводников 6710 (таких как фольга, проводящая дорожка или проводящие чернила, отпечатанные или иным образом расположенные на жесткой подкладке 6740) сепаратором 6735, который имеет отверстия 6720. Неподвижный проводник соединяется с нагрузочным резистором 6730. Когда приложенное усилие (f) от объекта 6740 отклоняет гибкий проводник вниз через отверстие, гибкий проводник контактирует с неподвижным проводником 6710b и заземляет нагрузочным резистором, понижая выходное напряжение. Если предусмотрена более чем одна воспринимающая область, то они могут быть мультиплексированы мультиплексором 6725. Конечно, и другие конфигурации могут быть использованы для того, чтобы добиться аналогичного эффекта включения/выключения (например, гибкий проводник, а не неподвижный проводник, может соединяться с нагрузочным резистором; две гибких проводящих поверхности могут быть использованы вместо неподвижных проводников). При любой такой конфигурации переключателей нагрузочный резистор, гибкие проводящие поверхности, неподвижные проводники и/или любые другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

IV.E. Пьезорезистивные тактильные датчики

[001012] Различные пьезорезистивные тактильные датчики обнаруживают контактное усилие в заданной точке посредством обнаружения изменений сопротивления пьезорезистивного элемента, которые являются результатом контактного усилия. Фигура 68-L показывает вид в поперечном сечении одного примера пьезорезистивного тактильного датчика 6800. Как показано, датчик 6800 включает в себя один или более проводящих толкателей 6805, отделенных от проводящей пластины 6815 или другой проводящей поверхности чувствительным к усилию резистором 6810, таким как проводящий эластомер или чувствительные к давлению чернила. Приложенное усилие (f) на проводящем толкателе 6805a может приводить к изменению в контактной области резистора и/или изменению толщины резистора, любое из которых приводит к изменению сопротивления между толкателем и пластиной, что может быть обнаружено и обработано, чтобы определять, что возникло контактное усилие. Фигура 69-L показывает другой пример пьезорезистивного тактильного датчика 6900. Как показано, датчик включает в себя два или более электрода 6905, 6910, которые могут быть сформированы во встречно-гребенчатой или другой конфигурации и расположены на пластике или другом пленочном носителе (не показан), который приводит электроды в контакт с полупроводящим полимером 6915, который демонстрирует чувствительное к усилию сопротивление. В любых пьезорезистивных тактильных датчиках резистивные элементы, проводящие элементы и/или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

IV.F. Емкостные тактильные датчики

[001013] Различные емкостные тактильные датчики обнаруживают контактное усилие в заданной точке посредством обнаружения изменения емкости, вызываемого либо (1) измененной геометрией емкостных элементов (например, измененными расстояниями между элементами или измененной площадью поверхности элементов) в датчике вследствие приложенной механической силы, либо (2) присутствием проводящего объекта (например, человеческого пальца), который емкостно связывается с емкостными элементами в датчике, таким образом, который может меняться в зависимости от расстояния между объектом и емкостными элементами. Все типы емкостных тактильных датчиков, включая подробнее описанные здесь, могут содержать компоненты, включая емкостные элементы, такие как электроды и другие проводники, которые сформированы из ЧНС-материалов.

[001014] Вообще говоря, первый класс емкостных датчиков может пониматься как содержащие измерительный преобразователь силы в смещение (например, кнопка, соединенная с пружиной, или другой тип упругого компонента, такой как заполненная эластомером камера), который в ответ на приложенное усилие производит смещение емкостного элемента, которое датчик измеряет с использованием емкостного датчика смещения. Используемый емкостный датчик смещения может быть одним из емкостных датчиков смещения, описанных здесь, например, на фигурах 41-L-45-L. Фигура 70-L показывает вид в поперечном сечении примера емкостного тактильного датчика 7000, который включает в себя первый гибкий или вдавливаемый проводящий электрод 7005 или емкостный элемент, отделенный упругим диэлектриком 7010 от второго проводящего электрода 7015 или емкостного элемента. Второй электрод может быть снабжен рисунком или иным образом расположен на жестком основании 7020. Используемый диэлектрик может иметь высокую диэлектрическую проницаемость. Когда объектом 7025 прикладывается усилие (f) 7030, первый гибкий электрод 7005 может деформироваться, изменяя емкость между двумя электродами. Датчик 7000 может обнаруживать измененную емкость и анализировать ее, чтобы определять, какое было приложено усилие. Измененная емкость может измеряться любым способом, известным в данной области техники, включая измерение временной задержки, вызываемой переменной емкостью, или посредством использования датчика 7000 в качестве части осциллятора и измерения частотной характеристики осциллятора.

[001015] Фигура 71A-L показывает другой пример емкостного тактильного датчика 7100, который содержит пару электродов 7105a, 7105b, расположенных на или иным образом соединенных с нижней стороной поверхности 7110 касания, такой как поверхность сенсорного экрана из стекла или чистого полимера. Электрод 7105b является заземленным. Два электрода могут быть размещены во встречно-гребенчатой конфигурации или в любой другой подходящей конфигурации. Пара электродов имеет базовую емкость Ca связи, которая отслеживается датчиком 7120 емкости, который использует известные в данной области техники способы, такие как описанные выше, чтобы измерять емкость. Когда проводящий объект 7115 (например, палец) приближается к поверхности, он емкостно связывается с первым электродом 7105a и вторым электродом 7105b (как показано посредством Cat и Cbt), что изменяет полную емкость, измеряемую датчиком 7120 емкости. Емкости связи между объектом и двумя электродами 7105 могут быть функцией расстояния объекта от электродов и приложенного усилия (если проводящий объект является деформируемым). Хотя показаны только два электрода, может быть использована матрица, сетка (например, из строк и столбцов) или любая другая конфигурация из множественных электродов. Если используются множественные электроды, могут отслеживаться различные емкости между различными комбинациями множественных электродов, чтобы обнаружить положение тактильного контакта.

[001016] Фигура 71B-L показывает другой пример емкостного тактильного датчика 7150, который содержит незаземленный электрод 7105, расположенный на или иным образом соединенный с нижней стороной поверхности касания, такой как стеклянная или полимерная поверхность сенсорного экрана. Электрод имеет базовую емкость связи с землей (Ca), которая отслеживается датчиком 7120 емкости. Когда проводящий объект 7115 (например, палец), который имеет свою собственную емкость связи с землей (Cgnd), приближается к поверхности, он образует емкость связи с электродом 7105 (как указано посредством Cat), что изменяет полную емкость, измеряемую датчиком 7120 емкости. Емкость связи между электродом 7105 и проводящим объектом 7115 является функцией расстояния объекта от электрода и приложенного усилия (если проводящий объект является деформируемым). Хотя показан один электрод, может быть использована матрица, сетка (например, из строк и столбцов) или любая другая конфигурация из множественных электродов, и могут отслеживаться емкости между множественными электродами и землей, чтобы обнаружить положение тактильного контакта.

IV.G. Другие типы датчиков силы, деформаций и тактильных датчиков

[001017] Неисчерпывающие примеры датчиков силы, деформации и тактильных датчиков, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают: (1) чувствительные к давлению (контактные) коврики, (2) датчики, которые уравновешивают неизвестную силу силой тяготения известной массы, (3) датчики, которые определяют ускорение известной массы, к которой прикладывается неизвестная сила, (4) датчики, которые уравновешивают неизвестную силу электромагнитно созданной силой, (5) датчики, которые преобразуют неизвестную силу в давление текучей среды и затем измеряют результирующее давление текучей среды, (6) любые пьезоэлектрические тактильные датчики, включая датчики, сконструированные с пьезоэлектрическими пленками, используемыми в активном или в пассивном режимах, к примеру, активные датчики касания с ультразвуковой связью, датчики, имеющие пассивные пьезоэлектрические полосы, расположенные в резиновой оболочке или другой поверхности касания, переключатели на основе пьезоэлектрических пленок, которые могут использовать пьезоэлектрическую пленку, наслаиваемую или иным образом расположенную на подпружиненной балке, ударные переключатели на основе пьезоэлектрических пленок и датчики колебаний на основе пьезоэлектрических пленок, (7) МЭМС-датчики, включая тактильные МЭМС-датчики пороговых значений, которые образованы из кремниевых материалов и имеют механический гистерезис, (8) акустические датчики касания, включая датчики, которые распознают звуковые волны, распространяющиеся в объекте, возникающие в результате касания пользователем их поверхности, или используют технологии поверхностных акустических волн, чтобы измерять поглощение ультразвуковых волн, проходящих через панель сенсорного экрана, (9) оптические датчики, включая датчики, которые используют светодиоды и фотодетекторы, чтобы обнаруживать изменения силы света, которые являются результатом события касания, и (9) пьезоэлектрические датчики силы, включая датчики, которые используют пьезоэлектрические генераторы или резонаторы, чтобы обнаруживать приложенную силу.

[001018] Неисчерпывающие примеры датчиков силы, плотности и уровня, которые могут быть по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают: (1) бхангметры; (2) гидрометры; (3) магнитные уровнемеры; (4) радиоизотопные плотномеры; (5) датчики крутящего момента; и (6) вискозиметры.

[001019] Неисчерпывающие примеры применений датчиков силы, деформации и тактильных датчиков, описанных здесь, включают: робототехнику; дисплеи с чувствительным к прикосновению (сенсорным) экраном, клавиатуры и другие устройства; биомедицинские устройства, такие как стоматологическое оборудование, дыхательные мониторы и протезирование; промышленное оборудование, такое как счетные переключатели для сборочных линий, автоматизированных процессов, вращения вала; обнаружение ударных воздействий; учет и контроль в коммунальном хозяйстве; торговые автоматы; и музыкальные инструменты.

V. Датчики давления

[001020] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на давление.

V.A. Сложные датчики давления

[001021] Датчики давления, которые содержат ЧНС-материал, могут включать в себя сложные датчики давления, в которых неизвестное давление действует на один или более деформируемых элементов (таких как трубки Бурдона, диафрагмы, капсулы, сильфоны, баллистические стволы, мембраны, тонкие пластины или другие компоненты, которые претерпевают структурное изменение под давлением), создавая механическое смещение, которое измеряется датчиком смещения, таким как датчики смещения, описанные здесь. Фигура 57-L, описанная ранее, иллюстрирует один такой сложный датчик давления, который может использовать емкостный датчик, чтобы измерять смещение.

V.B. Пьезорезистивные датчики давления

[001022] Различные датчики давления измеряют давление с использованием пьезорезистивных элементов. Такие датчики давления могут использовать ЧНС-компоненты, такие как пьезорезистивные элементы, резистивные элементы или проводящие элементы, сформированные полностью или частично из ЧНС-материалов. Фигура 72-L показывает вид в поперечном сечении примера сложного датчика 7200 давления, который может быть использован в качестве анероидного барометра. Как показано, датчик содержит камеру 7205 повышенного давления, имеющую вентиляционное отверстие 7220 и диафрагму 7210, которая реагирует на давление p механическим смещением. Диафрагма механически соединена с тензодатчиком 7215 (таким как описанные здесь), так что тензодатчик выдает электрический сигнал, указывающий на механическое смещение диафрагмы, в электронику 7225 постобработки. В некоторых примерах диафрагма может быть сформирована из кремния с использованием технологий микрообработки.

[001023] Фигура 73-L показывает вид в поперечном сечении другого примера датчика 7300 давления, который может быть сформирован полностью или частично из ЧНС-материала. Как показано, датчик содержит камеру 7325 повышенного давления, имеющую вентиляционное отверстие 7320 и диафрагму 7305, которая реагирует на давление сгибанием; тонкая диафрагма может быть изготовлена посредством микрообработки или иной обработки кремния. В или на мембране и поддерживающей ее ободной конструкции встроены один или более пьезорезистивных элементов 7310, 7315 (например, пьезорезистивные тензодатчики), которые могут быть сформированы посредством избирательной диффузионной обработки, имплантации, легирования или иной обработки областей кремния примесями. Когда давление отклоняет мембрану 7305, деформация отклонения вызовет изменение сопротивления пьезорезистивных элементов в мембране, что может быть обнаружено с использованием датчика сопротивления. В некоторых примерах один или более пьезорезистивных элементов могут быть соединены в мост Уитстона или в другой мостовой конфигурации.

[001024] Конечно, возможны другие конфигурации пьезорезистивных датчиков давления, включая без ограничения пьезорезистивные датчики давления, которые используют промежуточную выдвижную нажимную пластину (или другую защитную структуру), и датчики, которые имеют упаковку, выполненную с возможностью способствовать измерению абсолютного давления, разности давлений или манометрического давления. В некоторых примерах пьезорезистивные элементы могут быть скомпенсированы по температуре (например, посредством термостабильных резисторов или других схем температурной компенсации), либо может быть выполнена другая постобработка, чтобы компенсировать сдвиги сопротивления пьезорезистивных элементов вследствие температуры.

V.C. Датчики давления на основе переменного магнитного сопротивления

[001025] Различные датчики давления измеряют давление посредством обнаружения изменений магнитного сопротивления дифференциального трансформатора, которые являются результатом смещения магнитопроводящей диафрагмы. Такие датчики давления могут использовать ЧНС-компоненты, например, катушки, другие проводники или магнитопроводящие элементы, сформированные полностью или частично из ЧНС-материалов. Фигуры 74A-L и 74B-L показывают виды в поперечном сечении части датчика 7400 давления на основе переменного магнитного сопротивления. Как показано, датчик 7400 содержит узел, который образован из катушки 7415, намотанной вокруг Е-образного сердечника 7410, и магнитопроводящую диафрагму 7405, которая отделена от этого узла воздушным зазором. Фигура 74A-L показывает диафрагму в нейтральном положении с воздушным зазором D1. Как показано на фигуре 74B-L, когда давление изменяется, диафрагма отклоняется (в направлении, которое зависит от изменения давления), что изменяет размер воздушного зазора на D2. Размер воздушного зазора модулирует индуктивность узла катушка-сердечник. Таким образом, изменение индуктивности узла может измеряться, чтобы определять давление. Датчик 7400 типично содержит два узла катушка-сердечник, расположенные на противоположных сторонах от диафрагмы и выполненные в виде дифференциального трансформатора, так что могут быть определены изменения индуктивности, а значит, и давления.

V.D. Другие датчики давления

[001026] Неисчерпывающие примеры датчиков давления, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают следующее: (1) датчики давления ртутного столба; (2) сложные датчики давления, такие как емкостные датчики давления с кремниевой диафрагмой, которые используют датчик преобразования давления в смещение (например, мембрану, диафрагму (к примеру, кремниевую диафрагму), сильфон и т.д.), создавая смещение (например, кремниевой диафрагмы, которая действует в качестве емкостной пластины, или другой емкостной пластины), которое измеряют с использованием емкостных датчиков смещения и методов, таких как описанные здесь; (3) оптоэлектронные датчики давления, включая датчики, которые используют интерферометры Фабри-Перо, чтобы измерять отклонение диафрагмы или аналогичного элемента преобразования давления в смещение; (4) датчики давления косвенного действия, которые используют расходомер в качестве датчика дифференциального давления; (5) вакуумные датчики, такие как манометры Пирани, ионизационные манометры (включая вакуумные датчики Байярда-Альперта), газометры на основе влекущей силы и мембранные вакуумные датчики (включая, например, МЭМС-реализации на основе кремния); (6) барографы; (7) барометры; (8) манометры наддува; (9) ионизационные манометры с раскаленной нитью; (10) манометры Мак-Леода; (11) стационарные скважинные датчики; и (12) датчики с управлением по времени и давлению.

VI. Датчики расхода

[001027] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на объемный расход или массовый расход текучей среды, такой как жидкость или газ (или связанную с ним величину, такую как локальная или средняя скорость текучей среды).

VI.A. Датчики расхода для определения градиента давления

[001028] Различные датчики расхода измеряют расход посредством использования одного или более датчиков давления, чтобы обнаружить градиент давления газа или другой текучей среды, вызываемый введением гидравлического сопротивления, такие как диафрагменные расходомеры, пористые пробки штекеры и трубки Вентури (т.е. трубки, имеющие клиновидные профили). Типично, такие датчики могут быть использованы для того, чтобы измерять поток невязких несжимаемых жидкостей. Фигура 75-L показывает вид в поперечном сечении одного примера датчика 7500 расхода для определения градиента давления. Как показано, датчик 7500 содержит первую камеру 7505, которая включает в себя емкостный датчик 7510 давления, имеющий вторую камеру 7550. После того, как газ проходит через первое отверстие или впуск 7540 в первую камеру 7505, он имеет первое давление P1 в первой камере. Газ затем проходит через узкий канал 7525, имеющий относительно высокое сопротивление давлению, во вторую камеру 7550, в которой он имеет второе, отличное давление P2. Газ затем протекает из второй камеры через отверстие или выпуск 7530. Перепад давлений (между P1 и P2), вызываемый узким, резистивным отверстием, определяется посредством измерения отклонения мембраны 7555 с использованием емкостных пластин 7520. В таких примерах емкостные пластины и/или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов. Хотя на фигуре 75-L показан емкостный датчик давления, вместо него могут быть включены другие типы датчиков давления, включая те, которые содержат ЧНС-материалы, такие как датчики давления с переменной индуктивностью или пьезорезистивные датчики давления, описанные здесь.

VI.B. Датчики интенсивности теплопередачи

[001029] Различные датчики интенсивности теплопередачи, или термоанемометры, измеряют расход посредством обнаружения интенсивности рассеяния тепла в протекающей среде (например, текучей среде), которая может быть определена посредством анализа температуры протекающей среды, перепада температур и/или сигнала мощности нагрева. Примеры датчиков интенсивности теплопередачи включают следующее: (1) тепловые анемометры и пленочные термоанемометры, (2) термоанемометры из трех частей, содержащие два термодетектора (например, резистивные, полупроводниковые или оптические термодетекторы) и размещенный между ними нагревательный элемент, (3) термоанемометры из двух частей, содержащие первую часть, которая является опорным температурным датчиком среды, и вторую часть, дополнительно содержащую нагреватель и температурный датчик, термически соединенный с нагревателем (оба температурных датчика могут быть терморезисторами), и (4) датчики микропоточной теплопередачи, включая МЭМС-датчики потока газа, которые могут использовать термоэлементы в качестве температурных датчиков, консольные конструкции и/или конструкций датчиков с саморазогревающимися резисторами. Применения термоанемометров включают в себя измерения турбулентности (например, в аэродинамических трубах), спектров обтекания и следов лопасти (например, в радиальных компрессорах).

[001030] Фигура 76-L показывает принципиальную схему одного примера датчика 7600 - теплового анемометра с постоянной температурой. Как показано, датчик 7600 содержит провод или пленку 7615 с сопротивлением (например, проводящую пленку, осажденную на изоляторе, таком как керамическая подложка), который(ая) нагревается до температуры сверх температуры текучей среды, которая протекает мимо него (нее) (показано стрелками). Текучая среда будет охлаждать нагретый провод или нагретую пленку с интенсивностью, связанной со скоростью потока. Следовательно, расход может быть определен посредством либо (1) определения мощности, требуемой для того, чтобы поддерживать постоянную температуру в проводе или пленке, либо (2) поддержания неизменяющегося постоянного напряжения в проводе или пленке и определения уменьшения температуры провода или пленки, вызываемого текучей средой, протекающей мимо него (нее) (которое в некоторых примерах может быть определено посредством измерения температурно-зависимого сопротивления горячего провода или горячей ленты). На фигуре 76-L компенсационная резистивная мостовая схема 7610, соединенная с сервоусилителем 7605, обеспечивает то, что поддерживается постоянная температура; выходное напряжение Vout указывает массовый расход.

[001031] Конечно, могут быть использованы различные конфигурации горячих проводов или горячих пленок, включая провода, поддерживаемые опорными иглами, и проводящие пленки, расположенные на клиновидных, полусферических, цилиндрических, конических, параболических и плоских опорных поверхностях. Кроме того, множество других типов схем могут быть использованы для того, чтобы определять мощность, требуемую для поддержания постоянной температуры, и/или измерять изменение температуры в горячем проводе или горячей пленке. В любом примере термоанемометра, таком как описанные здесь, различные компоненты цепи, такие как резисторы, горячие провода/горячие пленки, температурные датчики, проводники и/или усилители, могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

VI.C. Ультразвуковые датчики расхода

[001032] Различные датчики расхода измеряют расход посредством использования ультразвуковых волн, чтобы обнаружить время прохождения или задержку, сдвиг частоты и/или сдвиг фаз, затрагиваемый протекающей средой. В некоторых примерах ультразвуковые датчики расхода могут быть реализованы на основе доплеровского эффекта. В других примерах ультразвуковые датчики расхода могут обнаруживать изменение фактической ультразвуковой скорости в протекающей среде. Ультразвуковые расходомеры могут содержать пьезоэлектрические элементы или другие компоненты, выполненные с возможностью действовать в качестве ультразвуковых генераторов и/или ультразвуковых приемников, и различные схемы (к примеру, формирователи сигналов, осцилляторы, модуляторы/демодуляторы, усилители, трансформаторы, электроды, проводники, генераторы синхросигналов и селекторы/переключатели), выполненные с возможностью создавать ультразвуковые сигналы и/или обнаруживать сдвиги частоты, время прохождения или задержки либо сдвиги фаз в ультразвуковых сигналах. Любые из этих компонентов или других компонентов могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

VI.D. Другие датчики расхода

[001033] Различные примеры датчиков расхода, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают следующее: (1) датчики транспортировки, которые определяют перемещение маркера (например, поплавка, радиоактивного элемента, краски (например, окрашенной текучей среды) или другого газа/жидкости), введенного в протекающую текучую среду, расход которой определяется, (2) электромагнитные датчики расхода по постоянному току и переменному току, которые регистрируют напряжение на сигнальных электродов в ответ на пересечение линий магнитной индукции проводящей текучей средой, (3) датчики ветра, которые обнаруживают изменения скорости газа, например, с использованием пары пьезоэлектрических или пироэлектрических элементов, (4) кориолисовы датчики массового расхода для непосредственного измерения массового расхода, которые могут использовать вибрационные трубки с входом и выходом, управляемыми системами электромеханического привода, (5) датчики влекущей силы, которые измеряют поток текучей среды с использованием элемента для измерения влекущей силы, соединенного с жестким основанием гибкой балкой или другой упругой консолью, деформация которой под действием потока измеряется с использованием тензодатчиков, таких как описанные здесь, (6) механические расходомеры, такие как расходомерное ведро с хронометром, поршневые счетчики/вращающиеся поршни, счетчики с переменным сечением, турбинные расходомеры, счетчики Вольтмана, односопловые счетчики, лопастные счетчики, многосопловые счетчики, колеса Пельтона, счетчики с овальными шестернями, дисковые счетчики, (7) расходомеры на основе давления, такие как счетчики с трубкой Вентури, расходомерные диафрагмы, трубки Далла, трубки Пито и многоотверстные датчики давления, (8) оптические расходомеры, (9) датчики с использованием способов течения в открытых каналах, таких как отношение уровня к потоку, отношение площади к скорости, тестирование на основе окрашивания и акустическая доплерометрия, (10) тепловые массовые расходомеры, (11) электромагнитные, ультразвуковые и кориолисовы расходомеры (включая описанные здесь), (12) криогенные датчики расхода, (13) расходомеры воздуха, (14), газомеры, (15) водомеры и (16) датчики с использованием измерения расхода лазерным доплеровским методом.

VII. Акустические датчики, включая микрофоны

[001034] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, таким как микрофон, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на акустический ввод. Большинство примеров акустического датчика содержит перемещающуюся диафрагму и измерительный преобразователь смещения (такие как описанные здесь), выполненный с возможностью давать электрический сигнал, указывающий на отклонение диафрагмы в ответ на акустический ввод. Измерительный преобразователь смещения или другие компоненты в акустическом датчике могут содержать ЧНС-материал. Некоторые примеры акустических датчиков могут содержать дополнительные компоненты, такие как интерфейсные электронные схемы, глушители, фокусные отражатели или линзы либо другие компоненты. Акустические датчики, такие как микрофоны, могут использоваться для многочисленных применений, включая, без ограничения, слуховые аппараты, устройства записи, системы караоке, системы передачи голоса по IP-протоколу (VOIP), фильмопроизводство, телефоны (включая мобильные телефоны), звукотехнику, портативные компьютеры, системы распознавания речи, сложные датчики, микровесы, ПАВ-устройства и датчики колебаний.

VII.A. Конденсаторные микрофоны

[001035] Различные конденсаторные микрофоны измеряют звуковой сигнал посредством использования емкостных технологий восприятия смещения, чтобы обнаруживать перемещение диафрагмы, вызываемое акустической энергией сигнала. Фигура 77-L показывает принципиальную схему одного примера конденсаторного микрофона 7700. Схемы, показанные на фигуре 77-L, в общем являются очевидными из фигуры, а значения компонентов зависят от применения и поэтому исключены из этого пояснения. Как показано, конденсаторный микрофон имеет диафрагму 7702 с первым электродом 7705 или емкостным элементом, расположенным на ней или иным образом соединенным с ней и выполненным с возможностью реагировать на акустическое давление посредством перемещения относительно неподвижной задней пластины 7710. Неподвижная задняя пластина соединена с источником 7720 заряда, таким как внешний источник питания, электретный слой, внутренний источник питания или фантомный источник питания. Перемещение диафрагмы и за счет этого первого электрода относительно задней пластины 7710 производит емкостный разряд, который может быть обнаружен и усилен, генерируя электрический сигнал, указывающий на звуковой сигнал. Как показано, в некоторых примерах конденсаторный микрофон 7700 также может содержать цепь обратной связи, выполненную с возможностью возбуждать второй электрод 7715, который действует в качестве актуатора, чтобы обеспечить механическую обратную связь (например, отклонение диафрагмы 7702 посредством электростатической силы), например, чтобы повышать линейность и частотный диапазон. В некоторых примерах первый электрод 7705 и второй электрод 7715 могут быть сформированы со встречно-гребенчатым рисунком на диафрагме 7702. В конденсаторном микрофоне электроды, другие проводники и/или другие компоненты цепи (например, конденсаторы, резисторы и усилители) могут быть образованы полностью или частично ЧНС-материалом. В некоторых примерах диафрагма может быть изготовлена в кремнии. В некоторых примерах сама диафрагма может действовать в качестве подвижной пластины воспринимающего конденсатора. Конечно, в некоторых примерах источник заряда может быть соединен с перемещающимся электродом 7705, а не с неподвижной задней пластиной 7710. В некоторых примерах конденсаторный микрофон может включать в себя две диафрагмы, которые электрически соединены для обеспечения ряда диаграмм направленности (например, кардиоиды, всенаправленной и ʺвосьмеркиʺ).

[001036] В некоторых радиочастотных (РЧ) или высокочастотных примерах конденсаторных микрофонов дополнительный РЧ-сигнал, генерируемый малошумящим генератором, либо (1) модулируется (например, частотно модулируется) посредством изменений емкости, вызываемых отклонением диафрагмы, либо (2) модулируется (например, амплитудно модулируется) посредством резонансной схемы, которая включает в себя воспринимающий конденсатор. Демодулятор дает малошумный аудиочастотный сигнал. В таких примерах некоторые или все компоненты малошумящего генератора и/или резонансной схемы (например, проводящие, резистивные, емкостные или индуктивные элементы) также могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

[001037] Конденсаторные микрофоны, которые включают ЧНС-материалы, могут быть использованы в многочисленных применениях, включая, без ограничения, телефонные передатчики, микрофоны караоке и высококачественные студийные или лабораторные микрофоны.

VII.B. Электретные микрофоны

[001038] Различные электретные микрофоны измеряют звуковой сигнал посредством использования емкостных технологий восприятия смещения, чтобы обнаруживать перемещение электретной диафрагмы, вызываемое акустической энергией сигнала. Фигура 78-L показывает схематический вид в поперечном сечении одного примера электретного микрофона 7800. Как показано, электретный микрофон содержит металлизированную электретную диафрагму 7820 (которая в некоторых примерах может быть сформирована из тефлона FEP или фольги), которая дополнительно содержит слой 7805 металлизации, расположенный на или соединенный с электретным слоем 7810 или элементом, и отделена от металлической или металлизированной задней пластины 7815 воздушным зазором. Два металлических элемента 7805, 7815 могут быть соединены через резистивный или импедансный элемент 7825. Металлические элементы и/или резистивный элемент могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материала. Смещение электретной диафрагмы создает измененное выходное напряжение на резистивном элементе. Электретный слой 7810 сформирован из постоянно электрически поляризованного, типично кристаллического, диэлектрического материала. В некоторых примерах электретный микрофон может не использовать приложенное напряжение смещения постоянным током; в других (например, для обнаружения ультразвука) напряжение смещения постоянным током прикладывается. В некоторых примерах электретный микрофон может включать в себя предусилитель. Электретные микрофоны, которые включают ЧНС-материалы, могут быть использованы в многочисленных применениях, включая, без ограничения, гарнитуры; мобильную электронику, такую как телефоны, мобильные телефоны; мобильные компьютеры, такие как переносные компьютеры и планшетные компьютеры; высококачественные записывающие микрофоны; и небольшие устройства записи.

VII.C. Динамические микрофоны

[001039] Различные динамические микрофоны измеряют звуковой сигнал посредством использования методов электромагнитной индукции, чтобы обнаружить перемещение диафрагмы, вызываемое акустической энергией сигнала. Фигура 79-L показывает схематический вид в поперечном сечении динамического микрофона 7900 с подвижной катушкой. Как показано, микрофон 7900 содержит диафрагму 7905, соединенную с подвижной индукционной катушкой 7910, которая может быть сформирована полностью или частично из ЧНС-материалов. Когда диафрагма смещается в ответ на акустическую волну, катушка перемещается в магнитном поле магнита 7915, создавая варьирующееся выходное напряжение на катушке, указывающее на смещение за счет электромагнитной индукции. Другие примеры динамических микрофонов включают ленточные микрофоны, которые включают в себя металлическую ленту (зачастую гофрированную ленту), позиционированную в магнитном поле магнита. Колебания ленты, вызываемые акустической волной, могут создавать выходной электрический сигнал на ленте, указывающий на ее колебания. Лента и/или другие компоненты ленточного микрофона могут быть сформированы из ЧНС-материалов. В некоторых примерах лента может быть сформирована из ЧНС-нанопроводов.

VII.D. Твердотельные акустические детекторы

[001040] Различные твердотельные акустические детекторы измеряют механические вибрации в твердотельном датчике, например, чтобы обнаружить, охарактеризовать или измерять стимулирующее воздействие (такое как давление, текучая среда, влажность, газообразные молекулы, смещение, механическое напряжение, сила, температура, химические вещества, соединения, биомолекулы, масса или микроскопические частицы), которое модулирует акустические характеристики датчика, такие как скорость распространения акустических волн в твердом теле, фазовая скорость и/или коэффициент затухания. Твердотельные акустические детекторы могут быть использованы, например, в гравиметрических и акустических датчиках вязкости. Твердотельные акустические детекторы могут содержать один или более пьезоэлектрических элементов, таких как тонкопленочный пьезоэлектрик, кварцевый кристалл или другой пьезоэлектрический кристалл, расположенный на, под или иным образом в контакте с электродами, которые могут быть выполнены встречно-гребенчатыми и могут быть сформированы из ЧНС-материалов. Различные пьезоэлектрические элементы могут быть расположены на, под или в подложке, такой как кремниевая подложка. В других примерах пьезоэлектрические элементы могут быть электродами (которые могут быть сформированы из ЧНС-материалов), расположенными на, в или иным образом соединенными с пьезоэлектрической пластиной или кристаллом (например, посредством фотолитографии).

[001041] В некоторых примерах твердотельный акустический детектор содержит как (1) пьезоэлектрический элемент-ʺпередатчикʺ на одном конце пластины или пути, выполненный с возможностью генерировать акустические волны из электрического сигнала, так и (2) пьезоэлектрический элемент-ʺприемникʺ на другом конце пластины или пути, выполненный с возможностью принимать акустические волны, модулированные стимулирующим воздействием во время распространения волн от передатчика и через пластину или по пути и преобразовывать эти акустические волны в электрические сигналы. В некоторых примерах промежуточная пластина или путь между передатчиком и приемником может включать в себя химически избирательный, клейкий, сорбционный, гигроскопичный или другой тип мембраны, покрытия, пленки или другой поверхности, механические, химические, электрические или другие свойства которой изменяются в присутствии определенного химического, механического или другого стимулирующего воздействия. Примеры твердотельных акустических датчиков включают изгибные пластинчатые датчики, пластинчатые датчики на поверхностных акустических волнах и датчики, которые используют следующие типы акустических волн: объемная акустическая волна, сдвиговые колебания по толщине, поперечно-горизонтальные акустические поверхностные колебания, поперечно-горизонтальная поверхностная акустическая волна (или поверхностная поперечная волна), волна Лява, приповерхностная объемная волна и волна Лэмба.

[001042] В зависимости от используемого типа конструкции и режима работы, твердотельные акустические датчики могут быть использованы для того, чтобы обнаруживать, измерять или характеризовать давление, крутящий момент, удар, силу, массу, пар, точку росы, влажность, биомолекулы, химические вещества, температуру, толщину или другое стимулирующее воздействие.

VII.Е. Другие акустические датчики

[001043] Неисчерпывающие примеры акустических датчиков, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают следующее: (1) резистивные микрофоны, включая угольные микрофоны и пьезорезистивные микрофоны, содержащие пьезорезистивные измерительные преобразователи (например, чувствительные к механическому напряжению резисторы в датчике давления с подвергнутой микрообработке диафрагмой или порошок, удельное объемное сопротивление которого чувствительно к давлению), выполненные с возможностью преобразовывать акустический сигнал в электрический выходной сигнал; (2) волоконно-оптические микрофоны (включая волоконно-оптические интерферометрические микрофоны), которые могут содержать источник света (например, лазерный источник), оптический интерферометр (например, интерферометр Майкельсона) и отражательную пластинчатую диафрагму и которые могут быть использованы в применениях, имеющих агрессивные среды или требующих устойчивости к электромагнитным помехам/радиопомехам (EMI/RFI), таких как структурные акустические испытания, промышленные турбины, турбореактивные двигатели или ракетные двигатели, промышленный и исследовательский акустический мониторинг, МРТ и ослабление шума струи; (3) лазерные микрофоны, которые нацеливают лазер на частицы или поверхность окна или другую плоскую поверхность, которая реагирует на акустические давления колебаниями, и затем анализируют отраженный свет; (4) пьезоэлектрические микрофоны, которые используют пьезоэлектрический элемент (например, пьезоэлектрический кристалл, пьезоэлектрический керамический диск или пьезоэлектрическую пленку) для того, чтобы непосредственно преобразовывать акустическое давление или другое механическое напряжение в электрический сигнал, указывающий на звуковой сигнал, и могут использоваться, например, для устройств с активацией голосом, измерений кровяного давления, измерений подводных звуков, контактных микрофонов и звукоснимателей в приборах; (5) МЭМС-датчики, которые могут включать в себя диафрагму, образованную из кремния, и могут быть выполнены с возможностью использовать идентичные или аналогичные принципы восприятия смещения конденсаторного микрофона; (6) геофоны; (7) гидрофоны; (8) сейсмометры; (9) ультразвуковые датчики; и (10) датчики SONAR.

VIII. Датчики влажности и влаги

[001044] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материалы и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на влагу или влажность пробы. Используемый здесь термин ʺвлагаʺ означает количество воды, содержащейся в жидкости или твердом теле из-за абсорбции или адсорбции, которая может быть удалена без изменения ее химических свойств. Используемый здесь термин ʺвлажностьʺ может означать абсолютную влажность (массу водяного пара в расчете на единицу объема влажного газа) или относительную влажность (отношение фактического давления пара в воздухе при любой температуре к максимуму давления насыщенного пара при той же температуре). Датчики влажности и влаги могут использоваться для многочисленных применений, включая, помимо прочего, испытания фармацевтических продуктов (препаратов), измерение погоды и исследование почвы.

VIII. A. Емкостные датчики влажности и влаги

[001045] Различные датчики влажности и влаги измеряют влажность или влагу посредством определения того, как проба (например, проба воздуха или твердая проба), введенная в диэлектрический зазор между электродами воспринимающего конденсатора, влияет на их емкость. В некоторых примерах датчиков влажности воспринимающий конденсатор является воздушным конденсатором, а проба воздуха вводится между емкостными электродами или пластинами. В других примерах датчиков влажности электроды воспринимающего конденсатора разделены диэлектрическим материалом, на диэлектрическую постоянную которого оказывает сильное влияние влажность или влага, таким как гигроскопичная полимерная пленка. В некоторых примерах датчик влажности является тонкопленочным датчиком влажности, имеющим два электрода, размещенные во встречно-гребенчатой или другой конфигурации и покрытые диэлектрической пленкой, на диэлектрическую постоянную которой также могут оказывать влияние влажность или влага. В некоторых примерах датчиков влаги твердая или жидкая проба вводится в пространство между двумя емкостными электродами (например, емкостными пластинами). Любой подходящий способ может быть использован для того, чтобы определять абсолютную емкость (или изменение емкости, например, относительно опорного значения) воспринимающего влажность или влагу конденсатора (например, с использованием системы осциллятора). В некоторых примерах могут быть использованы дифференциальные методы для того, чтобы обнаруживать значения емкости. В некоторых примерах датчик влаги или влажности может также включать в себя схемы температурной компенсации и/или использовать другие схемы постобработки, чтобы компенсировать влияние температуры. Фигура 80-L показывает один пример упрощенной схемы датчика 8000 влажности, выполненного с возможностью измерять влажность пробы воздуха с использованием воспринимающего конденсатора 8050. Схемы, показанные на фигуре 80-L, в общем являются очевидными из фигуры, а значения компонентов зависят от применения и поэтому исключены из этого пояснения. В емкостных датчиках влажности и влаги электроды воспринимающего конденсатора, другие компоненты цепи (например, резисторы, проводящие дорожки, потенциометры, другие конденсаторы, индукторы, усилители, диоды, схемы температурной компенсации и т.д.) могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

VIII.B. Электропроводные датчики влажности и влаги

[001046] Различные датчики влажности и влаги измеряют влажность или влагу посредством определения того, как проба влияет на сопротивление воспринимающего влагу проводящего элемента (типично неметаллического проводника), такого как твердые полиэлектролиты или пленка полистирола, обработанного серной кислотой, сопротивление которого сильно зависит от влажности или влаги. В таких датчиках может быть использован любой известный способ для того, чтобы определять абсолютное сопротивление (или изменение сопротивления, например, относительно опорного значения) воспринимающего влагу или влажность проводника. В некоторых примерах дифференциальные методы могут быть использованы для того, чтобы обнаружить значения сопротивления. В некоторых примерах датчик влаги или влажности также может включать в себя схемы температурной компенсации и/или использовать другую постобработку, чтобы компенсировать влияние температуры. Фигуры 81A-L и 81B-L показывают соответственно виды сверху и в поперечном сечении одного примера электропроводного датчика 8000 влажности или влаги, выполненного с возможностью измерять влажность или влагу пробы. Как показано, датчик содержит два проводящих электрода 8105a, 8105b, каждый из которых соединен с контактным выводом 8110a, 8110b, расположенные во встречно-гребенчатой или другой конфигурации на подложке 8120 и покрытые или иным образом соединенные с гигроскопичным проводящим слоем 8115, сопротивление которого меняется в зависимости от влажности и/или влаги. Хотя показана плоская подложка, другие конфигурации подложки (например, наконечник зонда) могут быть использованы в других примерах. В некоторых примерах датчик влажности может быть твердотельным датчиком влажности, который использует пористую оксидную поверхность или слой (например, пористый слой оксида алюминия), который дает возможность проникновения молекул воды. Электроды могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

[001047] В почве и в других твердых телах водный компонент твердого тела может быть первичным фактором его электропроводности. Следовательно, другие примеры электропроводных датчиков влаги включают в себя электропроводные датчики почвы или других твердых тел, которые содержат два или более электродных зонда, выполненные с возможностью вставки в почву или другую твердую пробу. Посредством приложения входных электрических сигналов к электродам (например, переменного тока) датчик определяет удельную электропроводность почвы или твердого тела и тем самым определяет влагосодержание почвы или твердого тела. В других примерах электропроводных датчиков почвы или твердых тел две или более катушек могут быть использованы для того, чтобы измерять удельную электропроводность твердого тела. Например, датчик может содержать первую передающую катушку для наведения вихревых токов в почве или твердом теле и приемную катушку для перехвата части вторичного наведенного электромагнитного поля. В таких примерах электроды и/или катушки могут быть сформированы из ЧНС-материалов.

VIII.C. Другие датчики влажности и содержания влаги

[001048] Неисчерпывающие примеры датчиков влажности или влаги, которые могут содержать компоненты, сформированные по меньшей мере частично из ЧНС-материала, включают следующее: (1) датчики теплопроводности, которые измеряют удельную теплопроводность газа и/или используют датчики на основе термистора и которые могут включать в себя терморезисторы или другие компоненты, сформированные полностью или частично из ЧНС-материалов, (2) оптические гигрометры, которые могут определять температуру точки росы газа, могут содержать зеркало, температура поверхности которого точно регулируется (например, посредством термоэлектрического теплового насоса), и фотодетектор, чтобы обнаруживать изменения отражательных свойств зеркала вследствие конденсации воды, и/или могут включать в себя фотодетекторы, тепловые насосы, светодиоды, контроллеры, температурные датчики и/или другие компоненты, сформированные из ЧНС-материалов, и (3) осциллирующие гигрометры, которые могут обнаруживать изменяющуюся массу охлажденной пластины, могут быть частично реализованы посредством ПАВ-датчиков и/или содержать охладитель на основе эффекта Пельтье, теплоотвод и пьезоэлектрический элемент, (4) гравиметрические гигрометры, которые сравнивают массу пробы воздуха с равным объемом сухого воздуха, и (5) психрометры, которые содержат два термометра.

IX. Детекторы излучения и частиц

[001049] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материалы и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на присутствие, энергию и/или другие характеристики ионизирующего излучения, включая альфа частицы, бета-частицы, нейтроны и космические лучи и ионизирующие фотоны (например, высокочастотное ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение).

IX.A. Сцинтилляционные детекторы

[001050] Различные сцинтилляционные детекторы обнаруживают или измеряют ионизирующее излучение посредством детектирования света, испускаемого из сцинтилляционного материала в ответ на ионизирующее излучение. Сцинтилляционные детекторы могут содержать сцинтилляционный материал, который флуоресцирует или иным образом производит свет в ответ на ионизирующее излучение (например, люминофор, щелочно-галогенидные кристаллы (например, йодистый натрий), йодид цезия, органические жидкости или пластик (например, содержащий антрацен)), оптический фотонный детектор и/или фотоумножитель или электронный умножитель (такой как трубка фотоумножителя или канальный фотоумножитель, который дополнительно может содержать фотокатод, изогнутую структуру канального усиления и анод). В некоторых примерах сцинтилляционный детектор также содержит усилители, схемы счета и/или другие схемы постобработки. В сцинтилляционных детекторах оптические фотонные детекторы, фотоумножители или электронные умножители, усилители, схемы счета и/или другие схемы постобработки могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов. Если ЧНС-материалы используются для оптического фотонного детектора, высокая чувствительность ЧНС-материалов к фотонам и/или их чрезвычайно низкое сопротивление может исключить необходимость в фотоумножителе и/или уменьшить величину фотоумножения, требуемую для того, чтобы получить полезный сигнал, даже при температурах окружающей среды.

IX.B. Ионизационные детекторы

[001051] Различные ионизационные детекторы, или газодетекторы, обнаруживают или измеряют ионизирующее излучение посредством детектирования образования ионных пар в ответ на ионизирующее излучение. Фигура 82-L иллюстрирует один пример датчика 8200 с ионизационной камерой. Как показано, датчик с ионизационной камерой содержит камеру 8205, заполненную газом, твердым телом или жидкостью, которые ионизируются в ответ на ионизирующее излучение (например, аргон, гелий, азот, метан или воздух), и два электрода противоположной полярности 8215, 8210, смещенные источником напряжения (т.е. анод и катод, которые могут быть расположены, например, в конфигурации параллельных пластин, в виде коаксиальных цилиндров и/или другим образом). В некоторых примерах стенки камеры могут образовывать один из электродов. Ток ионизации, полученный на электродах в ответ на ионизирующее излучение, может измеряться гальванометром или электрометром. В датчике с ионизационной камерой электроды и/или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

[001052] Другие типы детекторов излучения на основе ионизации или газодетекторов, известных в данной области техники, такие как пропорциональные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера и/или проводные камеры, некоторые из которых могут иметь аналогичную конструкцию с датчиком 8200 с ионизационной камерой, могут аналогично использовать электроды, провода и/или другие компоненты, сформированные полностью или частично из ЧНС-материалов.

IX.C. Другие детекторы излучения и частиц

[001053] Неисчерпывающие примеры датчиков излучения и частиц, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают, например: (1) полупроводниковые или твердотельные детекторы излучения и частиц, такие как (a) алмазные детекторы, (b) кремниевые диоды (или другие диоды), включая диоды с диффузионным переходом, поверхностно-барьерные диоды, ионно-имплантированные детекторы, детекторы эпитаксиального слоя, литийдрейфовые детекторы с p-n-переходом и лавинные детекторы, и (c) германиевые детекторы, все из которых могут содержать полупроводниковый материал (например, Si, Ge, CdTe, HGI₂ или GaAs) со сформированными на нем по меньшей мере двумя контактами (например, в конфигурации с параллельными пластинами или коаксиальной конфигурации), (2) конденсационные и пузырьковые камеры, которые могут содержать катушки, сформированные из ЧНС-материалов, (3) дозиметры (включая, например, дозиметры с кварцевой нитью, плоские пленчатые дозиметры, термолюминесцентные дозиметры и твердотельные (на основе MOSFET-транзисторов или кремниевых диодов) дозиметры), (4) микроканальные пластины, (5) твердотельные трековые детекторы ядерных частиц, (6) искровые камеры, (7) нейтронные детекторы, (8) датчики на сверхпроводящем туннельном переходе и (9) микрокалориметры.

X. Датчики температуры

[001054] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, указывающий на абсолютную или относительную температуру объекта или материала (например, относительно опорного объекта). Такие датчики могут быть использованы во множестве применений, включая без ограничения защиту схем, схемы задержки с самосинхронизацией, термореле системы подогрева, расходомеры, детекторы уровня жидкости, схемы защиты от сверхтоков с самосбросом, метеорологию, климатологию, электронные медицинские термометры, схемы с размагничивающей катушкой, системы климат-контроля, контроль температуры охладителя или температуры масла и измерение температуры газовых турбин, двигателей, печей и других промышленных систем и процессов.

X.A. Терморезистивные датчики

[001055] Различные температурные датчики могут содержать ЧНС-материал и обнаруживать или измерять абсолютную или относительную температуру посредством детектирования вызываемых температурой изменений сопротивления воспринимающего элемента, включая (1) резистивные термодетекторы, (2) детекторы с p-n-переходом, которые могут использовать диодный транзистор или транзистор с переходами в качестве воспринимающего элемента, могут быть сформированы в кремниевой подложке и/или использованы для температурной компенсации, (3) кремниевые датчики с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС), такие как датчики, внедренные в микрообработанные структуры или корпусированные в виде дискретных кремниевых датчиков, которые могут быть сформированы из кремниевой ячейки n-типа, металлизированной на одной стороне и с контактами на другой, и (4) терморезисторы. Любые из этих температурных датчиков могут содержать ЧНС-материалы, например, в воспринимающем температуру (термочувствительном) элементе и/или в проводящих элементах, таких как проводка, электроды и т.п.

[001056] Резистивные термодетекторы 8300, к примеру, термодетекторы, показанные на фигурах 83A-L-83C-L, содержат воспринимающий элемент 8305, сформированный из металла (например, платины или вольфрама), сплава или другого проводящего или полупроводящего материала (такого как германий), имеющего сопротивление, которое сильно зависит от температуры (типично с положительным температурным коэффициентом), который расположен на, вмонтирован в или иным образом поддерживается несущей конструкцией 8310. Например, как показано на фигуре 83A-L, воспринимающий элемент 8305a может быть тонкой пленкой, расположенной на плоской подложке (например, кремниевой мембране) или на другой несущей конструкции 8310a в змеевидной или другой конфигурации. В качестве другого примера, как показано на фигуре 83B-L, воспринимающий элемент 8305b может быть проволокой, навитой вокруг несущей конструкции 8310b (такой как стеклянный сердечник), и/или со стеклом, однородно сплавленным вокруг нее. В качестве еще одного другого примера, как показано на виде в сечении по фигуре 83C-L, воспринимающий элемент 8305c может быть проволокой, сформированной в конфигурации катушки, форма которой поддерживается несущей конструкцией 8310c (которая может представлять собой, например, герметизированный корпус, заполненный инертным газом, или керамический цилиндр). Воспринимающий элемент 8305 может быть соединен с одним или более выводных проводов, например, выводными проводами, изолированными силиконовым каучуком, ПТФЭ-изоляторов, стекловолокна или керамики. Воспринимающий элемент 8305 может быть подсоединен проводами в любой подходящей конфигурации, включая, например, двухпроводную, трехпроводную или четырехпроводную конфигурацию (включая, например, четырехпроводное соединение Кельвина). Кроме того, хотя это не показано на фигурах с 83A-L по 83B-L, детектор 8300 также может содержать кожух, корпус или другой защитный элемент (например, покрытие). Другие примеры резистивных датчиков температуры включают в себя углеродные детекторы. В некоторых примерах вместо воспринимающего элемента, сформированного из традиционных проводящих металлов, сплавов или других материалов, воспринимающий элемент вместо этого может быть сформирован полностью или частично из ЧНС-материала (например, ЧНС-нанопровода, ЧНС-пленки и т.д.), поскольку сопротивление ЧНС-материалов может демонстрировать сильную температурную зависимость. Также другие компоненты резистивного термодетектора (к примеру, контакты, проводка и т.д.) могут быть сформированы из ЧНС-материалов.

[001057] Термистор содержит воспринимающий элемент, сформированный из материалов, имеющих очень сильно зависящее от температуры сопротивление, таких как оксиды металлов, кремний или германий, и может иметь дополнительные компоненты, такие как контакты и выводные провода. Воспринимающие элементы могут быть сформированы во вкраплениях, стержнях, цилиндрах, прямоугольных слоях, кристаллах и толстых пленках. Термисторы включают в себя полимерные термисторы с ПТКС; шариковые термисторы (например, неизолированные, покрытые стеклом/эпоксидной смолой или инкапсулированные); термисторы с кристаллами, которые могут иметь поверхностные контакты для выводных проводов; термисторы, изготовленные посредством осаждения полупроводникового материала на кремнии, стекле, оксиде алюминия или другом типе подложки; и печатные термисторы (например, термисторы с терморезисторными чернилами, отпечатанными на керамическую подложку), и термисторы с положительным температурным коэффициентом (например, термисторы с керамическими ПТКС-материалами). Различные другие термисторы могут использовать ЧНС-материалы, например, в качестве воспринимающего элемента и/или в контактах и/или выводных проводах, как будет понятно.

X.B. Другие термодетекторы

[001058] Неисчерпывающие примеры датчиков температуры, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают: (1) термопары и термоэлементы, которые могут содержать узел воспринимающего элемента или переход, имеющий неизолированные или изолированные провода или пленки, оконечные нагрузки, защитные трубки и/или обогреваемые карманы, включая тонкопленочные термопары, имеющие связанные переходы из фольги и размещаемые любым подходящим образом, например, либо со свободными нитями или как матрица; (2) оптические температурные датчики, такие как флюорооптические датчики, которые используют соединения-люминофоры; (3) инфракрасные оптические датчики; (4) интерферометрические датчики; (5) датчики на основе термохромных растворов; (6) акустические температурные датчики (включая ПАВ-датчики температуры и датчики температуры на поверхностных волнах); (7) датчики с биметаллическими полосками; (8) датчики температуры на эффекте кулоновской блокады; (9) кремниевые датчики температуры на основе ширины запрещенной зоны; (10) датчики температуры, используемые в калориметрах; (11) пьезоэлектрические датчики температуры, (12) датчики температуры выхлопных газов, (13) датчики Гардона, (14) датчики теплового потока, (15) микроволновые радиометры и (16) сетчатые радиометры.

XI. Химические датчики

[001059] В некоторых примерах датчик 3700 может содержать ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, указывающий на присутствие, величину, концентрацию или другую характеристику одного или более целевых химических веществ. Такие датчики могут быть использованы в мониторинге кислорода, выхлопных системах, мониторинге глюкозы, мониторинге углекислого газа, аналитическом оборудовании, при мониторинге производственных процессов, управлении качеством, мониторинге окружающей работников среды, определении взрывчатых веществ или летучих органических соединений (VOC), в ʺэлектронных носахʺ, при медицинском мониторинге содержания кислорода и малых газовых примесей, в алкогольно-респираторных трубках, при обнаружении боевых отравляющих веществ, обнаружении загрязняющих окружающую среду веществ или обнаружении утечек углеводородного топлива.

XI.A. Электрические и электрохимические датчики

[001060] Различные химические датчики определяют электрический эффект аналита на материал и/или измеряют электрические свойства аналита, к примеру, датчики со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ, электрохимические датчики, потенциометрические датчики, кондуктометрические датчики, амперометрические датчики, эластомерные хемирезисторы, хемиконденсаторы и хем-FET, некоторые из которых описываются подробнее здесь. Различные электрические и электрохимические датчики могут использовать компоненты, сформированные из ЧНС-материалов.

XI.B. Химические датчики со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ

[001061] Различные химические датчики со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ могут обнаруживать присутствие, тип, концентрацию или другую характеристику одного или более целевых веществ (например, окисляющихся газов), например, посредством детектирования изменений сопротивления полупроводникового воспринимающего слоя, которые являются результатом изменений концентрации целевого вещества. Типично, химический датчик со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ включает в себя полупроводящий воспринимающий слой, электрические контакты, выводы и/или другие электрические соединения, чтобы определять сопротивление слоя, и нагревательный элемент (например, термистор) для регулирования температуры. В некоторых примерах датчик может быть сформирован в монолитно интегрированной матрице датчиков, которая может включать в себя внутрикристальные системы управления и компоненты сбора данных. Фигура 84-L показывает один пример схемы химического датчика 8400 со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ SnO₂. Схемы, показанные на фигуре 84-L, в общем являются очевидными из фигуры, а значения компонентов зависят от применения и поэтому исключены из этого пояснения. Фигура 84-L иллюстрирует, что полупроводниковый воспринимающий слой (8405) может быть включен в мостовую схему Уитстона или другую мостовую конфигурацию, например, в сочетании с термистором 8410 или другим нагревательным элементом. Неисчерпывающие примеры полупроводящих слоев, которые могут быть использованы, включают: SnO₂, тонкие или толстые пленки оксида олова (включая беспримесные пленки, пленки, легированные Pt или Pd, и пленки, сформированные на кремниевых устройствах), диоксид титана, легированный родием TiO₂ и ZnO. Неисчерпывающие примеры целевых веществ, которые могут быть обнаружены, включают кислород, монооксид углерода, водород, метан и другие углеводороды. В любом химическом датчике со структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ некоторые или все компоненты, включая воспринимающий слой, электрические контакты, выводы, нагреватели и/или другие компоненты (например, резисторы, усилители или другие компоненты интерфейса), могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

XI.C. Электрохимические датчики

[001062] Фигура 85-L показывает схематический вид примера электрохимического датчика 8500, который может быть, например, потенциометрическим датчиком (например, датчиком, который измеряет напряжение, например, вследствие окислительно-восстановительной реакции), амперометрическим датчиком (например, датчиком, который измеряет ток) и/или кондуктометрическим датчиком (например, датчиком, который измеряет электропроводность, удельное сопротивление и/или емкостный импеданс), или другим типом электрохимического элемента. Как показано, электрохимический датчик содержит два или более электрода, которые могут включать в себя индикаторный электрод, электрод 8510 сравнения, чтобы корректировать электрохимические потенциалы, созданные электродами и электролитом, рабочий электрод 8515, где протекают химические реакции, и вспомогательный электрод 8520. Электроды частично или полностью погружены в раствор 8525 электролита, который может иметь растворенный в нем аналит, и соединены, например, через провода, с электрическим управляющим и/или измерительным компонентом (например, потенциостатом, бипотенциостатом, полипотенциостатом, амперостатом, электрометром или гальваностатом). В некоторых примерах один или более из электродов и/или проводов могут быть сформированы из платины, палладия, покрытых углеродом материалов и/или ЧНС-материалов, могут быть сформированы в тонко- или толстопленочное образование, и/или могут быть обработаны, чтобы повысить их скорости реакции/сроки службы. В некоторых примерах датчик может содержать другие компоненты, например, мембрану, такую как ионно-селективная мембрана или кислородопроницаемая пленка (такая как тефлон). Примеры таких датчиков включают, помимо прочего, pH-метры и кислородные датчики Кларка (которые могут быть использованы, например, для мониторинга уровня глюкозы).

XI.D. Другие химические детекторы

[001063] Различные примеры химических датчиков, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают (1) эластомерные хемирезисторы или полимерные проводящие композиты, которые набухают вследствие сорбции конкретных химических мишеней и тем самым демонстрируют измененное (т.е. увеличенное) сопротивление в присутствии химической мишени (в некоторых примерах такие хемирезисторы могут быть сформированы в тонкую пленку); (2) хемиемкостные датчики, которые имеют емкостные элементы (например, два встречно-гребенчатых или параллельных электрода или две параллельных пластины), разделенные диэлектриком (таким как чувствительный к воде полимер), который поглощает конкретные химические мишени, так что емкостные элементы демонстрируют измененную емкость в присутствии химической мишени (в некоторых примерах такие хемиемкостные датчики могут быть сформированы в тонкопленочных или МЭМС-конфигурациях); (3) хем-FET (включая ISFET, MEMFET, SURFET и ENFET), которые включают в себя полевой транзистор (FET), затвор которого заменен и/или покрыт одним или более слоев химически селективных материалов (таких как газоселективные мембраны, ионно-селективные мембраны или ферментные мембраны), так что FET реагирует по-разному (например, с различной проводимостью) в присутствии выбранных целевых веществ, таких как целевые газы, целевые ионы или целевые ферменты; (4) фотоионизационные детекторы, которые могут использовать высокоэнергетический ультрафиолетовый (УФ) свет, чтобы ионизировать молекулы, и электрометр, чтобы измерять полученный при ионизации небольшой ток; (5) устройства на основе акустических волн (включая кварцевый кристалл или другие датчики на основе микровесов, ПАВ-датчики, датчики акустических колебаний поверхностной волны и изгибные датчики на поверхностных волнах и их разновидности), другие массовые или гравиметрические датчики и микроконсоли, все из которых могут обнаруживать изменения механических свойств структуры, вызываемые изменением массы или поверхностного напряжения структуры, которое является результатом сорбции целевой молекулы на поверхности структуры, например, на химически селективном покрытии; (6) спектрометры на основе подвижности ионов, которые могут использовать электрическое отклоняющее поле, чтобы отделять ионы, имеющие различные подвижности ионов; (7) тепловые химические датчики, которые используют температурные датчики (например, термисторы), покрытые химически чувствительным материалом, таким как фермент, иммобилизованный в матрице, чтобы обнаруживать тепло, выделяемое или поглощаемое при химической реакции на покрытии; (8) пеллисторы и другие каталитические датчики, которые могут обнаруживать горючие газы; (9) спектроскопические системы, включая инфракрасные и ультрафиолетовые спектроскопические системы, включая недисперсионные ИК-системы, (10) волоконно-оптические измерительные преобразователи, которые могут содержать источник света, оптический детектор и оптрод, который содержит реагент, фазовую мембрану или индикатор, который, в присутствии аналита, претерпевает изменения своих оптических характеристик, которые могут быть обнаружены посредством отражения, поглощения, поверхностного плазмонного резонанса, люминесценции (флюоресценции и фосфоресценции), хемилюминесценции или методов исчезающих волн; (11) биодатчики, которые обнаруживают организмы, мембраны, ткани, клетки, органоиды (органеллы), нуклеиновые кислоты, ферменты, рецепторы, белки и/или антитела; (12) датчики (например, тепловые, электрохимические или оптические), которые содержат ферментативный слой; (13) пьезоэлектрики; (14) утилизируемые химические датчики и биодатчики; (15) электронные носы и языки (т.е. электронные датчики запаха и вкуса); (16) алкогольно-респираторные трубки (анализаторы содержания алкоголя в выдыхаемом воздухе); (17) датчики углекислого газа; (18) детекторы монооксида углерода; (19) каталитические шариковые датчики; (20) датчики со структурой ʺполупроводник-изолятор-полупроводникʺ; (21) датчики водорода; (22) датчики сероводорода; (23) инфракрасные точечные датчики; (24) микроволновые химические датчики; (25) датчики оксида азота; (26) ольфактометры; (27) пеллисторы; (28) датчики на основе наностержня из оксида цинка; (29) датчики на основе ядерного квадрупольного резонанса (NQR); (30) датчики переключения ионных каналов; (31) пьезоэлектрические датчики; (32) термометрические датчики; и (33) и магнитные датчики.

XII. Светочувствительные датчики

[001064] В некоторых примерах датчик 3700 может быть фотодатчиком, который содержит ЧНС-материалы и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, указывающий на измеряемый световой сигнал. Такие датчики могут использоваться для множества применений, включая, без ограничения, мобильные устройства, фотокамеры, записывающие видеокамеры, портативные компьютеры, такие как планшетные компьютеры, мобильные телефоны, средства медицинской диагностики, медицинскую визуализацию, ядерную физику и физику элементарных частиц, астрономию, компьютерную томографию и сканеры изображений.

XII.A. Фотокатоды, фотоэлементы и фотоумножители

[001065] Различные фотодатчики могут содержать ЧНС-материалы и обнаруживать или измерять свет посредством использования фотокатода, т.е. отрицательно заряженного электрода, который покрыт фоточувствительным соединением. Эти фотодатчики включают в себя фотоэлементы и фотоумножители, включая, например, канальные фотоумножители. В таких примерах электроды, диноды или другие компоненты могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

XII.B. Квантовые фотодатчики

[001066] Различные квантовые фотодатчики могут содержать ЧНС-материал и обнаруживать или измерять свет посредством преобразования поступающего светового сигнала непосредственно в электрический сигнал через фотоэффект, включая (1) фотодиоды, имеющие PN- или PIN-конфигурацию, включая лавинные фотодиоды, которые могут выполнены интегрально с преобразователем тока в напряжение, (2) фототранзисторы, которые могут усиливать ток фотодиода посредством усиления по току, (3) фоторезисторы, которые могут быть сформированы, например, из CdSm, CdSe, Si, Ge, PbS, InSb и которые могут иметь сопротивление, которое варьируется в зависимости от падающего света вследствие фотоэффекта, (4) охлажденные квантовые фотодатчики, например, квантовые фотодатчики, охлажденные с помощью сосудов Дьюара с сухим льдом, жидким гелием, жидким азотом или термоэлектрическими охладителями, (5) одно- или двумерные матрицы фотодиодов для формирования изображений (и/или матрицы других квантовых фотодатчиков, например, фототранзисторов или фоторезисторов), такие как датчики на приборах с зарядовой связью (ПЗС) (включая ПЗС-датчики с покадровым переносом, электронно-умножительные ПЗС-датчики и усиленные ПЗС-датчики), и датчики изображений с комплементарной структурой ʺметалл-оксид-полупроводникʺ (КМОП) или датчики изображений с активными пикселями, в которых каждый пиксель содержит фотодетектор и активный усилитель. Любые из этих фотодатчиков могут содержать ЧНС-материалы, например, в проводящих элементах, таких как межсоединения, площадки заземления и затворы.

XII.C. Тепловые фотодатчики

[001067] Различные тепловые фотодатчики могут содержать ЧНС-материал и обнаруживать или измерять тепловое излучение, включая (1) элементы Голея или термопневматические детекторы, включая подвергнутые микрообработке элементы Голея; (2) инфракрасные датчики на термопарах или термоэлементах (как описано здесь в другом месте), таких как висмутовые, сурьмяные, кремниевые и МЭМС-термоэлементы (включая множественные датчики на термоэлементах, организованные в матрицу для формирования тепловых изображений); (3) пироэлектрические датчики, которые могут содержать пироэлектрическую керамическую пластину или элемент и два или более электрода, (4) активные датчики дальней инфракрасной области спектра, (5) фотодетекторы на горячих электронах и (6) газопламенные детекторы. Любые из этих фотодатчиков могут содержать ЧНС-материалы, например, в термочувствительном элементе и/или в проводящих элементах, таких как проводка, электроды и т.п.

XII.D. Болометры

[001068] Фигура 86A-L показывает схематический вид примера болометра 8600A. Как показано, болометр может использовать поглощающий элемент 8605A (такой как тонкая фольга, металлическая пленка или тонкая пленка, фольга или проволока, сформированная из ЧНС-материала), выполненный с возможностью поглощать и преобразовывать инфракрасное или другое электромагнитное излучение в тепло, и температурный датчик 8625A, такой как описанные здесь, чтобы обнаруживать результирующее увеличение температуры. Фигура 86B-L показывает один пример болометра, который использует термочувствительный резистор и в качестве своего поглощающего элемента 8605B, и для обеспечения теплоустойчивого измерения температуры (например, резистивный термодетектор, как описано здесь), измененное сопротивление которого может измеряться с использованием эталонного резистора 8610 или любых других способов восприятия сопротивления (например, волоконно-оптических методов). Поглощающий элемент может быть сформирован из тонкой фольги, металлической пленки или ЧНС-материала, в том числе, например, из платины, поликремния, германия, TaNO, и ЧНС-пленок, проводов или фольги. В некоторых примерах может быть использована матрица болометров, например, для применений при формировании ИК-изображений. В еще одних других примерах тонкопленочные или фольговые болометры могут быть сформированы на кремниевой или стеклянной мембране, которая может поддерживаться кремнием так, что она ʺплаваетʺ над полученной методом микрообработки полостью.

XII.Е. Другие светочувствительные датчики

[001069] Различные примеры светочувствительных датчиков, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают (1) колориметры; (2) контактные датчики изображений; (3) светодиод в качестве светочувствительных датчиков; (4) радиометры Никольса; (6) волоконно-оптические датчики; (7) фотоионизационные детекторы; (8) фотопереключатели; (9) датчики Шака-Гартмана; и (10) датчики фронта волны.

XIII. Датчики пыли, дыма и других частиц

[001070] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на находящиеся в воздухе частицы, такие как дым, пыль или другие примесные частицы. В некоторых примерах датчик может быть оптическим детектором дыма или пыли, который использует фотодатчик (например, фотодиод или фототранзистор) и интерфейсную схему для того, чтобы измерять рассеяние света, полученного посредством излучателя света, такого как светодиод. В таких примерах фотодатчик, излучатель света и/или другие компоненты могут содержать ЧНС-материал.

XIII.A. Ионизационные датчики пыли, примесей и дыма

[001071] Различные ионизационные датчики обнаруживают частицы дыма посредством контроля на предмет уменьшений ионизации воздуха из-за ионизирующих частиц. Такие ионизационные датчики могут содержать (1) ионизационную камеру, образованную из двух противоположных электродов (например, параллельных пластинчатых электродов или коаксиальных цилиндрических электродов) с приложенным электрическим полем между ними, и (2) небольшое количество радиоактивного элемента (например, америция-241) в камере или около нее, который дает альфа-частицы или другое ионизирующее излучение. Датчик может обнаруживать дым или другие типы частиц посредством детектирования уменьшения ионизации воздуха, которое проявляется в виде уменьшенного тока через два электрода. Электроды и/или другие компоненты ионизационных датчиков могут быть сформированы полностью или частично из ЧНС-материалов.

XIV. Электрические и электромагнитные датчики

[001072] В некоторых примерах датчик 3700 может быть датчиком, который содержит ЧНС-материал и выполнен с возможностью выдавать выходной сигнал, который указывает на характеристики электрического, магнитного или электромагнитного сигнала и/или электромагнитные свойства схемы, материала, среды или объекта. Неисчерпывающие примеры таких датчиков включают: (1) амперметры или датчики тока (такие как гальванометры, гальванометры Д'Арсонваля, электромагнитные амперметры, амперметр на основе электродинамического перемещения, тепловые амперметры, цифровые амперметры, интегрирующие амперметры, миллиамперметры, микроамперметры и пикоамперметры), (2) датчики напряжения или вольтметры (например, аналоговые вольтметры, усилительные вольтметры, цифровые вольтметры, ламповые вольтметры, вольтметры переменного тока и вольтметры на основе полевого транзистора); (3) осциллографы; (4) датчики электрического реактивного сопротивления и реактивной проводимости (например, омметры); (5) датчики магнитного потока; (6) датчики магнитного поля или магнитометры (например, феррозонд, сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), вращающаяся катушка без релаксаций с обменом спинами атомов, на эффекте Холла (описанные здесь), с прецессией протонов), магнитометры, которые используют переходы Джозефсона, градиентометры и магнитометры на основе паров цезия с оптической накачкой; (7) датчики электрического поля; (8) датчики электрической мощности; (9) счетчики на основе метода S-матрицы (например, анализаторы сетей); (10) датчики электроэнергетического спектра (например, анализаторы спектра); (11) датчики электрического сопротивления и электрической проводимости (например, омметры); (12) мультиметры; (13) металлодетекторы; (14) лепестковые электроскопы; (15) детекторы магнитных аномалий; (16) датчики фаз или сдвига фаз; (17) омметры; (18) радиопеленгаторы; (19) счетчики ватт-часов; (20) индуктивные датчики; (21) емкостные датчики; (22) датчики электрического импеданса; (23) датчики добротности; (24) электрические датчики спектральной плотности; (25) электрические датчики фазового шума; (26) электрические датчики амплитудного шума; (27) датчики активной межэлектродной проводимости; (28) трансимпедансные датчики; (29) электрические датчики усиления по мощности; (30) датчики усиления по напряжению; (31) датчики усиления по току; (32) датчики частоты; (33) датчики электрического заряда (например, электрометры, такие как вибрационные, клапанные или твердотельные электрометры); (33) измерители коэффициента заполнения; (34) децибелметры; и (35) датчики определения характеристик диода и транзистора (например, для измерения падения, усиления по току или других параметров диода/транзистора).

XV. Другие датчики

[001073] Неисчерпывающие примеры других датчиков, которые могут содержать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала, включают следующее: сигнализаторы ночного недержания мочи, предупредительные сигнализаторы капель дождя, счетчики пойманной рыбы, эвапориметры на основе крючковой водомерной рейки, пиранометры, пиргеометры, дождемеры, датчики дождя, снегомеры, измерители скорости течения реки, мареографы, измерители состава смеси ʺвоздух-топливоʺ, датчики угла поворота кривошипа, габаритные усы, дефектоскопы, датчики температуры охлаждающей жидкости двигателя, датчики абсолютного давления коллектора (MAP), датчики парковки, радарные пушки, спидометры, датчики положения дросселя, датчики контроля давления в шине, температурные датчики протекающей текучей среды, датчики скорости турбины, датчики скорости транспортного средства, датчики скорости вращения колес, индикаторы скорости воздуха, высотомеры, индикаторы положения, глубиномеры, опорные инерциальные блоки, магнитные компасы, MHD-датчики, кольцевые лазерные гироскопы, поворотные координаторы, вариометры, гироскопы на основе вибрационной структуры и датчики скорости относительно вертикальной оси.

Дополнительные датчики с ЧНС-компонентами или подходящие варианты реализации

[001074] Как отмечено выше, за счет использования ЧНС-материала в таких датчиках, датчики оказывают сопротивление на порядки величины меньшее, чем наилучшие общепринятые проводники при аналогичных условиях, тем самым приводя к исключительно высоким эксплуатационным характеристикам датчика. Дополнительно, такие датчики могут быть изготовлены в меньших и более компактных формах.

[001075] Фактически, многие датчики могут быть изготовлены с использованием тонкопленочных методов производства, многие из которых описаны здесь и которые являются общепринятыми при изготовлении полупроводниковых кристаллов. Многие из датчиков, использующих ЧНС-материалы, могут быть изготовлены в виде однослойных устройств, и тем самым технологические этапы для создания таких датчиков упрощаются настолько, чтобы включать только следующее: фотолитография, ионное травление, контактная металлизация и нарезание кристалла (или их эквиваленты). Фактически, поскольку ширина путей, созданных или требуемых для ЧНС-материалов, превышает большинство ширин, используемых при методах изготовления полупроводников современного уровня техники, предшествующие производственные методы являются более чем адекватными. Но, микросхема может быть изготовлена с помощью некоторых из методов изготовления наименьшего масштаба, которые могут оставлять большее пространство на кристалле для дополнительных датчиков или других схем. За счет большего уплотнения проектировщики схем имеют меньше ограничений, основанных на проблемах с топологией или расстоянием, что может обеспечивать более быстрое конструирование микросхемы, помимо других преимуществ.

[001076] Некоторые из описанных здесь датчиков могут быть монолитно интегрированы на одном кристалле (например, МЭМС, кремниевом или другом полупроводниковом кристалле), зачастую с другими компонентами, таким как логика, РЧ-компоненты, аналоговые схемы и т.д. Используя датчики на кристалле, кристалл может, очевидно, извлекать выгоду из повышенной производительности. Используя ЧНС-материал в кристалле, можно получать выгоду в виде кристалла с большей плотностью схем, помимо других преимуществ. Например, используя ЧНС-материал, получают выгоду в виде кристалла с меньшими тепловыми потерями, и можно использовать более тонкие проводящие линии, поскольку может проходить больший ток в расчете на линию. За счет прохождения меньшего тока в каждой линии могут быть уменьшены эффекты ЭДС на соседние линии, на датчик и на другие схемы. Не только линии, но и межсоединения могут изготавливаться из ЧНС-материала. Кроме того, сигналы могут быть переданы без усиления, поскольку потери в линии значительно уменьшаются. Кроме того, с учетом чрезвычайно низкого сопротивления ЧНС-материалов, расстояния между взаимно соединяемыми датчиками или компонентами датчиков могут быть сделаны исключительно большими (например, тысячи метров) практически без учета потерь на сопротивление. Таким образом, воспринимающие системы также могут быть распределены на гораздо больших расстояниях, чем возможно в данный момент.

[001077] В некоторых примерах датчики могут содержать ЧНС-материалы, которые имеют рабочие характеристики, которые изменяются в диапазоне температур, в пределах которого датчик предназначен работать. При условии, что ответное поведение датчика (и ЧНС-материалов) может быть определено, это поведение может компенсироваться по диапазону температур датчика, как будет понятно.

[001078] Обращаясь к фигуре 88-L, показан пример системы 8800, которая включает в себя схемы 8810, соединенные со схемой 8815 регулирования температуры и логикой 8820. (Хотя различные блоки показаны соединенными на фигуре 88-L, возможно меньшее число соединений). Схемы 8810 используют один или более из описанных здесь датчиков, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала. Логика управляет схемами регулирования температуры, которые управляют, в свою очередь, охладителем/холодильником, таким как криогенный или жидкостногазовый охладитель, который охлаждает схемы 8810. Таким образом, чтобы увеличивать или уменьшать чувствительность или реакцию системы 8800, логика 8820 сигнализирует схеме 8815 регулирования температуры понизить или повысить температуру схем 8810. Как результат, схемы 8810, использующие ЧНС-материал, вынуждают ЧНС-материал увеличить или уменьшить удельную электропроводность, за счет этого увеличивая или уменьшая чувствительность или реакцию схемы.

[001079] Хотя показаны отдельные датчики, датчики могут быть объединены, образуя группы датчиков, мультиплексоры или другие более сложные системы, сетки или матрицы датчиков. Как и при других категориях датчиков, поясненных здесь, возможны различные конфигурации матриц датчиков, которые используют ЧНС-материалы, и они зависят от типа конструируемой матрицы датчиков или многодатчиковой системы. Описанные здесь ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных системах датчиков, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь датчиков и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны. В некоторых примерах сложные системы датчиков могут использовать два или более несходных или разнородных датчика, а не просто аналогичные или однородные датчики. В некоторых примерах системы или матрицы датчиков могут включать в себя относительно однородные датчики, все сформированные из ЧНС-материала, или разнородные сочетания различных типов датчиков, при этом некоторые датчики сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинации различающихся датчиков и различающихся материалов. В некоторых примерах сложные системы или матрицы датчиков могут использовать два или более датчика, сформированных из двух или более однородных датчиков, сформированных главным образом из ЧНС-материала, два или более разнородных датчика, сформированных главным образом из ЧНС-материала, и/или два или более однородных/разнородных датчика, сформированных как из традиционных проводников, так и из ЧНС-материала.

[001080] Хотя здесь описаны конкретные примеры датчиков, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из ЧНС-материалов, специалисты в данной области техники поймут, что различные конфигурации датчиков могут использовать ЧНС-компоненты, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, принимать сигналы или передавать или модифицировать электромагнитные сигналы.

[001081] Хотя некоторые подходящие геометрии, межсоединения, схемы и конфигурации показаны и описаны здесь для некоторых датчиков, возможно множество других геометрий, межсоединений, схем и конфигураций, как будет понятно. Специалисты в данной области техники, которым представлены различные примеры ЧНС-материалов, датчиков и принципов в этой заявке, смогут реализовывать, без чрезмерного экспериментирования, другие датчики с одним или более компонентами, сформированными полностью или частично из ЧНС-материалов.

[001082] В некоторых вариантах реализации датчик, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[001083] Датчик, содержащий: по меньшей мере один измерительный преобразователь, который содержит компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом измерительный преобразователь воспринимает состояние и создает выходной сигнал, и при этом ЧНС-материал сформирован из ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001084] Аппарат для восприятия положения или смещения вещества, содержащий: систему измерительных преобразователей, механически или электрически выполненную с возможностью воспринимать положение или смещение вещества, при этом система измерительных преобразователей содержит проводящий компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом система измерительных преобразователей создает воспринимаемый выходной сигнал в ответ на положение или смещение вещества, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-части, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001085] Аппарат для восприятия уровня текучей среды, содержащий: систему измерительных преобразователей, механически или электрически соединенную с возможностью воспринимать уровень текучей среды и содержащую компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом система измерительных преобразователей создает переменный импеданс в ответ на уровень текучей среды, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001086] Аппарат для восприятия положения объекта, текучей среды или вещества, содержащий: потенциометрический датчик, механически соединенный с возможностью воспринимать положение объекта, текучей среды или вещества посредством подвижного элемента, при этом потенциометрический датчик содержит компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом потенциометрический датчик создает переменный импеданс в ответ на механическое перемещение подвижного элемента относительно положения объекта, текучей среды или вещества, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-части, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001087] Датчик для восприятия положения объекта, содержащий: по меньшей мере один смещаемый элемент, выполненный с возможностью смещения относительно положения объекта или в ответ на контакт с объектом; и измерительный преобразователь, сформированный на или соединенный со смещаемым элементом и содержащий емкостный датчик, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом емкостный датчик создает переменный импеданс в ответ на смещение объекта относительно смещаемого элемента, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001088] Индуктивный датчик, содержащий: по меньшей мере одну катушку; и источник магнитного поля; при этом упомянутые по меньшей мере одна катушка и источник магнитного поля индуктивно связаны между собой так, что между ними может взаимно наводиться индуктивность; при этом упомянутая по меньшей мере одна катушка, источник магнитного поля или они оба сформированы по меньшей мере частично из модифицированного нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001089] Датчик на эффекте Холла, содержащий: по меньшей мере одну проводящую часть, выполненную с возможностью переносить ток; и источник магнитного поля; при этом источник магнитного поля позиционирован относительно упомянутой по меньшей мере одной проводящей части так, чтобы наводить воспринимающийся сигнал, представляющий изменение потенциала, поперечно току; при этом упомянутая по меньшей мере одна проводящая часть, источник магнитного поля или они оба сформированы по меньшей мере частично из модифицированной ленты или нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированная ЧНС-лента или нанопровод сформирован(а) из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001090] Датчик для восприятия занятости или движения объекта, содержащий: измерительный преобразователь, содержащий проводящую поверхность около области считывания и по меньшей мере частично включающий модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом измерительный преобразователь принимает трибоэлектрическое поле от объекта в этой области или воспринимает изменение емкости, связанное с находящимся в этой области объектом, и создает сигнал считывания в ответ на него, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001091] Датчик скорости, содержащий: по меньшей мере две катушки; и источник магнитного поля, подвижный относительно двух катушек; при этом катушки и источник магнитного поля индуктивно связаны между собой, так что скорость источника магнитного поля относительно катушек наводит соответствующий выходной сигнал; при этом две катушки, источник магнитного поля или они оба сформированы по меньшей мере частично из модифицированного нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001092] Аппарат для восприятия силы или деформации на объекте, содержащий: систему измерительных преобразователей, которая включает в себя: первый измерительный преобразователь, механически выполненный с возможностью воспринимать силу или деформацию, оказываемую на объект, и создавать промежуточный выходной сигнал; и второй измерительный преобразователь, электрически выполненный с возможностью принимать промежуточный выходной сигнал и создавать сигнал считывания в ответ на него, который представляет силу или деформацию, оказываемую на объект, при этом первый и/или второй измерительные преобразователи содержат проводящий компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-части, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001093] Тактильный датчик для восприятия контактного усилия, содержащий: по меньшей мере один смещаемый элемент, выполненный с возможностью смещения в ответ на контактное усилие; и измерительный преобразователь, сформированный на или избирательно связанный со смещаемым элементом и содержащий датчик, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом датчик создает импеданс в ответ на контактное усилие, который отличается от импеданса в установившемся состоянии или по умолчанию, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001094] Датчик давления, содержащий: по меньшей мере один смещаемый элемент, удерживаемый в структуре и выполненный с возможностью смещения в ответ на давление текучей среды, действующей на смещаемый элемент; и измерительный преобразователь, сформированный на или избирательно связанный со смещаемым элементом и содержащий датчик давления, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом датчик создает импеданс в ответ на давление, при этом созданный импеданс отличается от импеданса в установившемся состоянии или по умолчанию, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001095] Датчик ускорения, содержащий: по меньшей мере две катушки; и источник магнитного поля, подвижный относительно двух катушек; при этом катушки и источник магнитного поля индуктивно связаны между собой, так что ускорение источника магнитного поля относительно катушек наводит соответствующий выходной сигнал; при этом две катушки, источник магнитного поля или они оба сформированы по меньшей мере частично из модифицированного нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001096] Аппарат для восприятия потока текучей среды, содержащий: по меньшей мере один смещаемый элемент, удерживаемый в структуре, через которую протекает текучая среда, и выполненный с возможностью смещения в ответ на давление текучей среды, действующей на смещаемый элемент; и измерительный преобразователь, сформированный на или избирательно связанный со смещаемым элементом и содержащий датчик, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом датчик создает переменный импеданс в ответ на поток, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001097] Аппарат, содержащий: первый токопроводящий путь, переносящий ток; акустический датчик; при этом первый токопроводящий путь и/или датчик включают в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала; и при этом акустический сигнал относительно первого токопроводящего пути или датчика наводит воспринимающийся сигнал, который представляет измененный импеданс в датчике.

[001098] Компонент датчика влажности или влаги, содержащий: пару разнесенных токопроводящих путей, сформированных на поверхности, которые содержат по меньшей мере часть проводящих элементов для компонента датчика, при этом по меньшей мере один из токопроводящих путей состоит из первого материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части, и при этом влага или влажность в контакте между токопроводящими путями наводит различный импеданс между токопроводящими путями в качестве выходного сигнала датчика.

[001099] Датчик излучения или частиц, содержащий: по меньшей мере один сцинтилляционный материал, расположенный с возможностью принимать падающее излучение или элементарные частицы и производить свет в ответ на него; и по меньшей мере один светочувствительный элемент, расположенный относительно сцинтилляционного материала и выполненный с возможностью создавать выходной сигнал в ответ на произведенный свет; и по меньшей мере один проводящий элемент, образующий выходной контактный вывод, при этом светочувствительный элемент и/или проводящий элемент сформирован, полностью или частично, из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001100] Аппарат для восприятия температуры, содержащий: измерительный преобразователь, выполненный с возможностью воспринимать температуру и содержащий по меньшей мере один проводящий компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его, при этом система измерительных преобразователей создает переменный импеданс в ответ на температуру, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001101] Компонент химического датчика, содержащий: пару разнесенных токопроводящих путей, сформированных на поверхности, которые содержат по меньшей мере часть проводящих элементов для компонента химического датчика, при этом по меньшей мере один из токопроводящих путей состоит из первого материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части, и при этом химическое вещество в контакте между токопроводящими путями наводит различный импеданс или электрический отклик между токопроводящими путями в качестве соответствующего выходного сигнала.

[001102] Светочувствительный датчик для восприятия принимаемого светового сигнала, содержащий: по меньшей мере один светочувствительный элемент, расположенный с возможностью принимать световой сигнал и создавать выходной сигнал в ответ на него; и по меньшей мере один проводящий элемент, образующий выходной контактный вывод, при этом светочувствительный элемент и/или проводящий элемент сформирован, полностью или частично, из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001103] Датчик электрического тока, напряжения или электрического поля, содержащий: по меньшей мере одну проводящую часть, выполненную с возможностью переносить ток; и источник магнитного поля; при этом источник магнитного поля позиционирован относительно упомянутой по меньшей мере одной проводящей части так, чтобы вызывать воспринимающийся сигнал, представляющий воспринимаемые электрический ток, напряжение или электрическое поле; при этом упомянутая по меньшей мере одна проводящая часть, источник магнитного поля или они оба сформированы по меньшей мере частично из модифицированных ленты или нанопровода с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированные ЧНС-лента или нанопровод сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001104] Система, содержащая: матрицу из множественных сенсорных элементов, при этом каждый сенсорный элемент содержит один или более проводящих элементов, образующих датчик или соединенных с ним, при этом по меньшей мере часть упомянутых одного или более проводящих элементов состоит из первого материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части, и при этом каждый из упомянутых одного или более сенсорных элементов предоставляет выходной сигнал датчика.

[001105] Система, содержащая: логические или аналоговые схемы; и по меньшей мере один сенсорный элемент, соединенный с логическими или аналоговыми схемами, при этом сенсорный элемент содержит один или более проводящих элементов, при этом упомянутые один или более проводящих элементов имеют геометрию, сформированную с возможностью выводить сигнал датчика в ответ на воспринимаемые величину, свойство или состояние принимаемого извне стимулирующего воздействия, и при этом по меньшей мере часть упомянутых одного или более проводящих элементов состоит из проводящего материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

Глава 12. Актуаторы, сформированные из ЧНС-материалов

[001106] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-M по 50-M; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001107] Здесь описаны различные типы актуаторов (т.е. исполнительных устройств), использующих материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В случае некоторых типов актуаторов, описанных ниже, актуаторы, которые включают в себя по меньшей мере один измерительный преобразователь и по меньшей мере один проводник (например, входные и/или выходные выводы или контактные выводы), сформированы из модифицированного ЧНС-материала. В случае некоторых других типов актуаторов пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник сформированы или помещены на подложке, причем эти пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник используют модифицированный ЧНС-материал. Сконструированы другие типы актуаторов, причем определенные компоненты актуаторов или самих измерительных преобразователей используют модифицированный ЧНС-материал.

[001108] Далее будут подробно описаны использования ЧНС-материала в актуаторах. В общем, возможно множество конфигураций актуаторов, и они являются конструктивными соображениями для проектировщика, реализующего актуатор, сформированный с или связанный с модифицированным ЧНС-материалом. Фактически, принципы, которые определяют конструкцию традиционных актуаторов, могут применяться к формированию актуаторов, использующих модифицированные ЧНС-материалы, описанные здесь. Таким образом, хотя некоторые геометрии актуаторов показаны и описаны здесь, разумеется, возможны многие другие. Кроме того, хотя описание здесь может подчеркивать то, как конкретная система актуаторов может использовать конкретный компонент, сформированный из модифицированных ЧНС-материалов, эти примеры модифицированных ЧНС-компонентов предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Специалисты в данной области техники, которым представлены различные примеры в этом раскрытии, смогут выявить другие компоненты в идентичной или аналогичной системе актуаторов, которая может быть сформирована из модифицированных ЧНС-материалов.

[001109] Посредством использования модифицированных ЧНС-материалов в компонентах актуатора и между ними может достигаться почти идеальный актуатор, который может обеспечивает исключительную эффективность. На эксплуатационные характеристики актуатора типично оказывают влияние, в случае традиционного изготовления, сопротивление, внутренне присущее проводящим линиям или элементам, но если такие линии изготавливают с использованием ЧНС-лент, ЧНС-пленок, ЧНС-фольги, ЧНС-проводов, ЧНС-дорожек, ЧНС-нанопроводов и/или других ЧНС-проводников, которые используют модифицированные ЧНС-материалы, то такое сопротивление будет пренебрежимо мало. Аналогично, сопротивление, вызываемое проводами или катушками, к примеру, в индукторах, может становиться пренебрежимо малым за счет использования различных конфигураций ЧНС-материалов.

[001110] В некоторых примерах любые из описанных здесь актуаторов, использующие модифицированные ЧНС-материалы, могут оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов и комнатными температурами. В некоторых примерах любые из описанных здесь актуаторов, использующие модифицированные ЧНС-материалы, могут оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах выше 150 K или при других температурах, описанных здесь. В этих примерах актуаторы могут включать в себя систему охлаждения (не показана), используемую для того, чтобы охлаждать элементы актуатора до критической температуры конкретного модифицированного ЧНС-материала. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение по меньшей мере ЧНС-материалов в актуаторе до температуры, аналогичной температуре, например, жидкого фреона, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированных ЧНС-материалов, используемых в актуаторе, и назначения, по которому он применяется.

[001111] Обращаясь к фигуре 37-M, показан базовый пример актуатора 3700. Актуатор 3700 включает в себя по меньшей мере один измерительный преобразователь 3705, который принимает входной сигнал управляющего органа 3710. Актуатор 3700 также может включать в себя один или более дополнительных измерительных преобразователей 3715, которые могут принимать выходной сигнал от предыдущего измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь 3705 (или последний измерительный преобразователь 3715) производит выходную энергию или силу 3720, чтобы перемещать объект или иным образом приводить к некоторому физическому результату.

[001112] Актуатор может включать в себя обратную связь 3725, которая подается обратно в управляющий орган 3710, чтобы модулировать или управлять входным сигналом в измерительный преобразователь 3705. Хотя показана обратная связь 3725, может использоваться система с прямой связью, в которой каждый измерительный преобразователь выдает в последующий измерительный преобразователь информацию о выходном сигнале того измерительного преобразователя. Независимо от того, используется ли обратная связь или прямая связь, или и то, и другое, система актуатора может включать в себя один или более датчиков, чтобы отправлять, например, смещения, движение или другие переменные, применимые в управлении актуатором.

[001113] В общем, актуатор 3700 управляет потоком вещества (или энергии), а значит, измерительный преобразователь 3705 является энергетическим контроллером или преобразователем энергии, управляемым управляющим органом 3710. Как описано здесь, возможно множество актуаторов и систем актуаторов, включая электромагнитные актуаторы (такие как электродвигатели с механическими/электрическими коммутаторами), актуаторы на основе гидравлической мощности (такие как пропорциональные клапаны, переключающие клапаны, электродвигатели на основе гидравлической мощности), электрохимические актуаторы (такие как актуаторы на основе воска или гидрида металла), актуаторы на основе сплавов с памятью формы, пьезоэлектрические актуаторы, магнитострикционные актуаторы, актуаторы, использующие электрореологические/магнитореологические текучие среды, и микроактуаторы.

[001114] Перед пояснением подробностей системы актуаторов будут описаны несколько вариантов применения с целью привести систему актуаторов в контексте. Фигура 38-M показывает пример аппарата или системы 3750, который(ая) использует актуатор 3700. Система 3750 принимает (или передает) сигнал 3760 через порт или другой компонент ввода-вывода. Система может включать в себя актуатор 3700, логические и/или аналоговые схемы 3765, источник 3775 питания и/или компонент 3770 ввода-вывода, любой из которых может содержаться в корпусе 3755 или иным образом скомпонованы в виде блока. Система 3750 также может включать в себя один или более дополнительных актуаторов 3780.

[001115] Система 3750 может принимать одну из многих форм. В одном примере аппарат является переносным компьютером, планшетным компьютером или другим портативным электронным устройством, к примеру, с накопителем на жестких дисках. Согласно этому примеру, источник 3775 питания может быть аккумуляторной батареей, а система 3700 актуаторов может быть частью электродвигателя головки чтения/записи накопителя на жестких дисках или схем электродвигателя шпинделя. Логика 3765 может включать в себя процессор и запоминающее устройство, в то время как компонент 3770 ввода-вывода может включать в себя клавиатуру или клавишную панель, указательное устройство, устройство отображения, микрофон, динамик, кнопку, акселерометр или другие известные элементы. Конечно, возможно множество других известных компонентов в этом примере портативного электронного устройства, но они не показаны, поскольку они будут совершенно понятны специалистам в данной области техники.

[001116] В другом примере система 3750 является приемником/передатчиком/приемопередатчиком сотовой телефонии для узла сотовой связи. В этом примере источником 3775 питания может быть мощность на линии из сети коммунального энергоснабжения, резервный генератор, аккумуляторные батареи, солнечные элементы и т.д. В этом примере логика 3765 может включать в себя РЧ-схемы для обеспечения беспроводной связи. Система может включать в себя антенну и фильтр, такой как резонаторный фильтр, и актуатор составляет часть тюнера для фильтра.

[001117] В еще одном другом примере система 3750 составляет часть медицинского или научного устройства. Устройство может принимать сигналы, к примеру, от одного или более датчиков, обрабатывать эти сигналы, создавать выходной сигнал, обработанный логикой 3765 и с использованием системы 3700 актуаторов, выполнять некоторый вывод в физический (материальный) мир, к примеру, выполнять манипуляции с компонентом медицинского устройства, таким как эндоскоп, хирургический робот, кардиостимулятор и т.д. Конечно, возможно множество других примеров.

[001118] Варианты применения и реализации описанные здесь актуаторов простираются от одиночных, монолитных микросхем до более крупномасштабных применений, использующих множественные блоки или устройств, к примеру, используемые в многоактуаторных матричных системах. Например, при реализации в виде микроактуатора на кристалле, система может включать в себя один или более актуаторов, сформированных вместе с логикой, а также может включать в себя другие компоненты, такие как аналоговые схемы, запоминающее устройство и схемы ввода-вывода. Фактически, многие из описанных выше актуаторов могут быть сформированы с использованием микрополосковой технологии на подложках, в том числе пластинчатых полупроводниковых подложках. Таким образом, многие из актуаторов могут быть изготовлены с использованием тонкопленочных методов производства, многие из которых описаны здесь и все из которых являются общепринятыми при изготовлении микроэлектромеханических систем (МЭМС) или изготовлении полупроводниковых микросхем. Многие из актуаторов, использующих модифицированные ЧНС-материалы, могут быть изготовлены в виде однослойных устройств, и тем самым технологические этапы для создания таких актуаторов упрощаются настолько, чтобы включать только следующее: осаждение, фотолитография, ионное травление, контактная металлизация и нарезание кристалла (или их эквиваленты). В некоторых примерах микросхема может быть изготовлена с помощью некоторых из методов изготовления наименьшего масштаба, таких как технология масштаба 1,3 нанометра, которая может оставлять большее пространство на кристалле для дополнительных актуаторов или других схем. За счет большего уплотнения проектировщики схем имеют меньше ограничений, основанных на проблемах с топологией или расстоянием, что может обеспечивать более быстрое конструирование микросхемы, помимо других преимуществ.

[001119] Некоторые из описанных здесь актуаторов могут быть монолитно интегрированы на одном кристалле, зачастую с другими компонентами, такими как РЧ-компоненты, аналоговые схемы и т.д. Используя актуаторы на кристалле, кристалл может, очевидно, извлекать выгоду из повышенной производительности. Используя модифицированный ЧНС-материал в кристалле, можно получать выгоду в виде кристалла с большей плотностью схем, помимо других преимуществ. Например, используя модифицированный ЧНС-материал, получают выгоду в виде кристалла с меньшим тепловыделением, и можно использовать более тонкие линии, поскольку может проходить больший ток в расчете на линию. Вследствие малого или нулевого сопротивления, формирователи сигналов требуют меньшего тока, чтобы переключать свои сигналы. За счет прохождения меньшего тока по каждой линии могут быть уменьшены эффекты ЭДС на соседние линии, на актуатор и на другие схемы. Линии и межсоединения могут быть изготовлены из модифицированного ЧНС-материала. Кроме того, сигналы могут быть переданы без усиления, поскольку потери в линии значительно уменьшаются.

Электромагнитные актуаторы с использованием модифицированных ЧНС-материалов

[001120] Существуют различные типы электромеханических актуаторов, которые преобразуют электрическую и/или магнитную энергию в работу и могут во многих случаях преобразовывать работу в электроэнергию или электромагнитную энергию. Один из наиболее распространенных примеров включает различные электродвигатели. Одним простым примером является линейный двигатель с ограниченным диапазоном. Фигура 39-M показывает схематический вид в поперечном сечении актуатора 3900 с подвижной катушкой. Как показано, актуатор 3900 содержит подвижную поверхность 3905 (такую как диафрагма или диффузор), соединенную с подвижной индукционной катушкой 3910, которая может быть сформирована полностью или частично из модифицированных ЧНС-материалов. В одном примере актуатор 3900 является аудиогромкоговорителем. Когда катушка 3910 запитывается или принимает сигнал (например, аналоговый аудиосигнал), поверхность 3910 вытесняет воздух, образуя акустическую волну. Катушка 3910 перемещается влево и вправо (относительно фигуры) в магнитном поле неподвижного магнита 3915 в ответ на варьирующееся выходное напряжение, имеющееся на катушке, представляющее смещение за счет электромагнитной индукции.

[001121] Возможны другие примеры электродвигателей на принципе звуковой катушки, а также других электродвигателей, в частности, любой вариант электромеханических актуаторов с вращательным движением, а также актуаторов с качающимся якорем или других электромеханических актуаторов с ограниченным движением. В общем, эти электромеханические актуаторы включают в себя по меньшей мере один индуктор. Индуктор может включать в себя сердечник и модифицированный ЧНС-нанопровод или ленту, выполненный(ую) в виде формованной катушки и по меньшей мере частично окружающий(ую) сердечник, как пояснено ниже.

Индукторы с модифицированными ЧНС-материалами

[001122] Фигура 38B-M является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3830 с модифицированным ЧНС-материалом. Индуктор 3830 включает в себя катушку 3834 и сердечник, который в этом примере является воздушным сердечником 3832. Когда катушка 3834 переносит ток (например, в направлении вправо на странице), в сердечнике 3832 образуется магнитное поле 3836. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из модифицированного ЧНС-материала, такого как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала (например, немодифицированного ЧНС-материала) и модифицирующий слой, сформированный на базовом слое. Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки подробно описаны здесь.

[001123] Аккумулятор или другой источник питания (не показан) может прикладывать напряжение к катушке 3834, вызывающее протекание тока в катушке 3834. Будучи сформированным из модифицированного ЧНС-материала, катушка 3834 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем требуемые традиционным ВТСП-материалам температуры, такие как 150 K, комнатные температуры или температуры окружающей среды (294 K), или другие температуры, описанные здесь. Электрический ток в катушке создает магнитное поле 3832 в сердечнике 3820, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[001124] Поскольку индуктор 3830 включает в себя катушку 3834, сформированную из ЧНС-материалов, индуктор может работать аналогично идеальному индуктору, когда катушка 3834 демонстрирует малые или нулевые потери вследствие обмоточного или последовательного сопротивления, типично обнаруживаемого в индукторах с традиционными проводящими катушками (например, медными катушками), независимо от тока через катушку 3834. То есть индуктор 3830 может демонстрировать очень высокую добротность (Q) (например, приближающуюся к бесконечности), которая представляет собой отношение его индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте, или Q=(индуктивное реактивное сопротивление)/сопротивление.

[001125] В одном примере сердечник 3832 не включает в себя никакого дополнительного материала, и индуктор 3830 является катушкой без сплошного сердечника, такой как самонесущая катушка (например, катушка, показанная на фигуре 38B-M). В другим примере сердечник 3832 сформирован из немагнитного материала (не показан), такого как пластиковые или керамические материалы. Материал или форма сердечника могут выбираться на основе множества факторов. Например, выбор материала сердечника, имеющего более высокую проницаемость, чем проницаемость воздуха, будет в общем увеличивать полученное магнитное поле 3836 и за счет этого увеличивать индуктивность индуктора 3830. В другом примере выбор материала сердечника может зависеть от желания уменьшать потери в сердечнике в высокочастотных применениях. Специалисты в данной области техники поймут, что сердечник может быть сформирован из ряда различных материалов и с рядом различных форм, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[001126] Например, фигура 38C-M показывает индуктор 3840 с магнитным сердечником, использующий модифицированный ЧНС-материал. Индуктор 3840 включает в себя катушку 3842 и магнитный сердечник 3844, такой как сердечник, сформированный из ферромагнитных материалов. Электрический ток в катушке 3842 создает в сердечнике 3844 магнитное поле 3846, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д. Магнитный сердечник 3844, будучи сформированным из ферромагнитных материалов, увеличивает индуктивность индуктора 3840, поскольку магнитная проницаемость магнитного материала в полученном магнитном поле 3846 выше проницаемости воздуха, и в силу этого в большей степени поддерживает образование магнитного поля 3846 вследствие намагничивания магнитного материала. Например, магнитный сердечник может увеличивать индуктивность на коэффициент в 1000 раз или больше.

[001127] Индуктор 3840 может использовать различные иные материалы в магнитном сердечнике 3844, такие как ферромагнитный материал, наподобие железа или феррита, и/или формироваться из многослойных магнитных материалов, таких как шихтованные пластины из кремнистой стали. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы и другие материалы, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 3840.

[001128] Помимо этого, магнитный сердечник 3844 (а значит, и индуктор 3840) может быть выполнен во множестве различных форм. В некоторых примерах магнитный сердечник 3844 может быть стержнем или цилиндром. В некоторых случаях магнитный сердечник 3844 может быть кольцом или тороидом. В некоторых случаях магнитный сердечник 3844 может быть подвижным, позволяя индуктору 3840 реализовывать переменные индуктивности. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы другие формы и конфигурации, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 3840. Например, магнитный сердечник 3844 может быть рассчитан на ограничение различных недостатков, таких как потери в сердечнике вследствие вихревых токов и/или гистерезис и/или нелинейность индуктивности, помимо прочего.

[001129] Как будет понятно, конфигурация катушки 3834 может влиять на определенные эксплуатационные характеристики, такие как индуктивность. Например, число витков катушки, площадь поперечного сечения катушки, длина катушки и т.д. может влиять на индуктивность индуктора. Из этого следует, что индуктор 3830, хотя и показан в одной конфигурации, может быть сконфигурирован множеством способов для того, чтобы достигать определенных эксплуатационных характеристик (например, значений индуктивности), с тем чтобы уменьшать определенные нежелательные эффекты (например, скин-эффекты, эффекты близости, паразитные емкости) и т.д.

[001130] В некоторых примерах катушка 3834 может включать в себя множество витков, лежащих параллельно друг другу. В некоторых примерах катушка может включать в себя небольшое число витков под различными углами друг к другу. Таким образом, катушка 3834 может быть сформирована во множестве различных конфигураций, таких как сотовые или шахматные рисунки, в которых последовательные витки располагаются крест-накрест под различными углами друг к другу, паутинные рисунки, когда катушка образована из плоских спиральных катушек, разнесенных друг от друга, в виде многожильных проводов, где различные скрутки изолированы друг от друга, и т.д.

[001131] Кроме того, тонкопленочные индукторы могут использовать описанные здесь ЧНС-материалы. Фигура 38D-M является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3850, использующий тонкопленочный элемент, сформированный из модифицированных ЧНС-материалов. Индуктор 3850 включает в себя катушку 3852, сформированную на подложке 3854 (например, на печатной плате, монтажной подложке ИС и т.д.), и необязательный магнитный сердечник 3856. Катушка 3852, которая может быть осажденным на подложку 3854 модифицированным ЧНС-материалом, может быть сформирована во множестве конфигураций и/или рисунков, в зависимости от потребностей устройства или системы, использующей индуктор. Дополнительно, необязательный магнитный сердечник 3856 может быть осажден на подложке 3854, как показано, или может быть плоским сердечником (не показан), размещенным выше и/или ниже катушки 3852.

Емкостные актуаторы смещения с модифицированными ЧНС-материалами

[001132] В дополнение к индукторам, конденсаторы могут быть сформированы с использованием описанного здесь модифицированного ЧНС-материала, причем эти конденсаторы используются в актуаторах или относящихся к ним схемах. Фактически, некоторые из идентичных принципов, используемых для индукторов, применимы в равной степени к конденсаторам. Электростатическая сила, действующая между двумя зарядами, обратно пропорциональна расстоянию между зарядами, и на больших масштабах эта сила пренебрежимо мала, но, как описано ниже, при меньших масштабах эта сила является полезной. Простой актуатор с использованием электростатической силы может включать в себя подвижную пластину или балку, которая может подтягиваться к параллельному электроду, когда между ними прикладывается напряжение. Подвижная пластина или электрод может быть подвешен(а) на механической пружине, которая может быть подвергнутой микрообработке балкой. Когда на электроды подается напряжение, противоположные заряды на каждой пластине притягивают друг друга.

[001133] Обращаясь к фигуру 41-M, показан пример простого конденсатора с параллельными обкладками 4100. В этом примере конденсатор включает в себя входные и выходные контактные выводы 4102 и 4104, которые соединены соответственно с проводящими обкладками или областями 4106 и 4108. Проводящие обкладки/области разделены расстоянием, которое может быть по меньшей мере частично заполнено диэлектриком 4110. Диэлектрик может быть воздухом или любым другим известным диэлектриком, используемым с конденсаторами, таким как изоляторы, электролиты или другие материалы или составы.

[001134] Обкладки/области 4106 и 4108 могут использовать модифицированный ЧНС-материал. Альтернативно или дополнительно, входные и выходные контактные выводы 4102 и 4104 могут использовать модифицированный ЧНС-материал. Хотя показан простой конденсатор с параллельными обкладками, может использоваться любая форма конденсатора, к примеру, конденсаторы, сформированные на полупроводниковых кристаллах.

[001135] В некоторых примерах актуатор 3700 может включать в себя емкостный актуатор смещения, который содержит емкостную пластину или структуру, сформированную по меньшей мере частично из нанопроводов, проводов, лент, тонких пленок, фольг, дорожек или других форм модифицированного ЧНС-материала. Например, двухпластинчатый однополюсный актуатор 4200, показанный на фигуре 42A-M, имеет неподвижную контрольную пластину 4205, отделенную от подвижной пластины 4210 диэлектриком (например, воздухом). Как показано на фигурах 42B-M и 42C-M, двухпластинчатый однополюсный актуатор может быть реализован с использованием МЭМС-технологии. Например, подвижная воспринимающая пластина 4210 может быть подвергнута микрообработке так, что она поддерживается гибкой подвеской 4220, что позволяет ей перемещаться по отношению к подвергнутой микрообработке контрольной пластине 4205, имеющей жесткую подвеску 4225.

[001136] Примерная конфигурация емкостного актуатора смещения, показанного на фигурах 42A-M-42C-M, не предназначена быть исчерпывающей, и может быть использована любая конфигурация емкостных пластин или элементов, которые обеспечивают приведение в действие с использованием измененного входного электрического напряжения, чтобы смещать одну или более емкостных пластин или элементов. Например, могут быть использованы другие емкостные элементы, имеющие геометрии, отличные от пластин (например, цилиндры). В любой из конфигураций одна или более емкостных пластин или элементов (или других элементов актуатора) могут быть полностью или частично сформированы из модифицированного ЧНС-материала.

Пьезоэлектрические/пьезомагнитные/магнитострикционные актуаторы с модифицированными ЧНС-материалами

[001137] Пьезоэлектрические актуаторы используют определенные материалы, такие как кварц, которые расширяются или сжимаются в присутствии электрического поля. (Аналогичные свойства применимы к пьезоэлектрическим магнитным актуаторам, или ʺпьезомагнитнымʺ актуаторам, которые вместо этого преобразуют магнитную энергию в механическую энергию). Пьезоэлектрические актуаторы могут включать в себя усилители смещения, которые используют структуры для увеличения или усиления небольшого смещения пьезоэлектрического актуатора, чтобы тем самым получить большее перемещение. Варианты применения таких актуаторов могут включать в себя использования в подводных гидроакустических системах, динамических вибропоглотителях, форсунках для впрыска дизельного топлива, лазерных гироскопах, актуаторах с высокоточным управлением положением, ультразвуковых электродвигателях, петлевых электродвигателях и т.д. Эти устройства, если они достаточно эффективны, также могут преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию или магнитную энергию, что может быть полезно в датчиках звука или колебаний (таких как геофоны), в сборе энергии и т.д.

[001138] Базовый пример пьезоэлектрического актуатора 4300 показан на фигуре 43-M, который включает в себя входную линию 4305 и выходную линию 4310, которые соответственно соединены с входным электродом (вводом) 4315 и выходным электродом (выводом) 4320. Эти линии и электроды могут включать в себя описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы или быть выполненными из них. Между электродами размещается деталь из пьезоэлектрического материала 4325. Материал 4325 может быть изготовлен из кварца, танталата лития, ниобата лития, арсенида галлия, карбида кремния, лангасита, оксида цинка, нитрида алюминия, титаната циркония-свинца, поливинилиденфторида или других материалов. Кварц зачастую является предпочтительным, поскольку проектировщик может выбирать температурную зависимость от материала на основе угла среза кварца. Хотя показан как диск на фигуре 43-M, конечно, возможна любая другая конфигурация, такая как пластина.

[001139] Актуатор 4300 не обеспечивает значительного смещения или перемещения. Следовательно, как показано на фигуре 44-M, другой пьезоэлектрический актуатор 4400 включает в себя деталь из пьезоэлектрического материала 4405, имеющую сформированные в ней множественные слои электродов 4402, которые соединены с контактным выводом 4404. Противоположные электроды 4406 сформированы между электродами 4402 и также соединены с противоположным контактным выводом (не показан). При подаче сигнала к контактным выводам, а значит, и к электродам, проложенные между электродами слои пьезоэлектрического материала расширяются, создавая усилие актуатора 4400.

[001140] Магнитострикционные актуаторы используют определенные материалы, такие как намагниченный ферромагнитный кристалл, посредством чего их форма изменяется с увеличением напряженности магнитного поля. Магнитострикционные актуаторы зачастую используют такие материалы, как терфенол-D (Tb_0,3Dy_0,7Fe₂), который может составлять постоянные магниты в актуаторы, чтобы предварительно намагнитить актуатор. С другой стороны, использование модифицированного ЧНС-материала, к примеру, в индукционных катушках, чтобы генерировать магнитное поле для актуатора, может обеспечивать повышенные характеристики. В качестве примера, индуктор 3840 по фигуре 38C-M может включать в себя магнитострикционный стержень, проходящий аксиально через центр индуктора, образуя тем самым магнитострикционный актуатор.

Микроактуаторы/МЭМС с модифицированными ЧНС-материалами

[001141] Микроактуаторы, такие как МЭМС, включают в себя трехмерные механические конструкции с очень небольшими размерами, такие как изготовленные с использованием литографических процедур, анизотропного травления и других аналогичных методов, часто встречающихся при изготовлении полупроводников. Таким образом, микроактуаторы и МЭМС являются очень небольшими механическими устройствами, приводимыми в действие электричеством, которые обеспечивают возможность исполнения сложных функций посредством одного или более компонентов, таких как процессоры, датчики, измерительные преобразователи и/или другие схемы и системы. (Небольшие размеры обязательно приводят к сниженной силе или амплитуде приведения в действие). Примеры вариантов применения с использованием таких микроактуаторов включают микроприводы или электромагнитные микродвигатели, системы позиционирования и захвата, микрооптические приборы, микропрерыватели, микроструйную технику, такую как микроклапаны и микронасосы, и т.д. Использование электронных МЭМС-устройств получает широкое распространение в современной технологии. Например, МЭМС с датчиками состояния окружающей среды можно найти в подушках безопасности, устройствах связи, струйных принтерах, устройствах отображения, сотовых телефонах, геофонах и многих других.

[001142] Примеры некоторых электростатических или емкостных актуаторов в качестве МЭМС описаны выше. Другой пример показан на фигуре 45-M в качестве микрозеркала 4500. Микрозеркало включает в себя отражательную часть или пластину 4505, которая соединена с несущими конструкциями 4510 посредством балок или полуосей 4515. На электроды 4520, сформированные на подложке и под пластиной 4505, может подаваться питание, чтобы наклонять пластины к любому из электродов. Массивы микрозеркал зачастую включают в себя сотни или тысячи этих микрозеркал в матрице с матрицей линий управления, которая позволяет управлять и вращать отдельные зеркала. Как результат, падающий свет может отражаться в различных направлениях на пиксельном уровне, при этом каждый пиксель представляет собой отдельное микрозеркало. Другими словами, отдельные микрозеркала могут ʺвключатьсяʺ или ʺвыключатьсяʺ. Такие массивы микрозеркал могут быть использованы в видеопроецировании, чтобы управлять интенсивностью и направлением падающего света для окон в конструкции, к примеру, между двумя листами изолированного стекла.

[001143] Микроактуаторы могут использовать электростатическое приведение в действие, за счет которого параллельные электроды могут оказывать электростатическую силу притяжения между собой, чтобы перемещать одну часть относительно неподвижной части, как отмечено выше. Примером такого устройства является гребенчатый привод 4600, показанный на фигуре 46-M. Как показано, неподвижная гребенка 4605 включает в себя множественные пальцеобразные электроды, которые включают в себя промежуточные пазы, в которые входят пальцы подвижной гребенки 4610. Неподвижные и подвижные гребенки 4605 и 4610 включают в себя или соединяются с соответствующими электродами 4625 и 4630. Механическая пружина 4615 может закреплять подвижную гребенку 4610, позволяя ей перемещаться. Пальцы неподвижных и подвижных гребенок не соприкасаются. Гребенчатый привод 4600 преодолевает ограничения емкостных приводов или актуаторов с параллельными пластинами, к примеру, исключая нестабильность ʺнагрузочного режимаʺ, когда к актуатору прикладываются напряжения за пределами порогового значения.

[001144] Модифицированные ЧНС-материалы могут использоваться при взаимном соединении проводников, сигнальных линий и других частей таких микроактуаторов. Фигура 47-M иллюстрирует использование модифицированных межсоединений с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНСМ) 4710 для соединения МЭМС 4720 с другими схемами или компонентами 4730 на монтажной подложке ИС или системе в одном корпусе (SiP) 4740. Например, ЧНСМ 4710 может быть использовано для того, чтобы соединять МЭМС 4720 с аналоговыми схемами и/или цифровыми схемами, такими как микропроцессор, микрокомпьютер, микроконтроллер, ПЦС, система на кристалле (SoC), антенна, вторая МЭМС, ASIC, ASSP, FPGA и/или другая схема, компонент или устройство 4730. Используемые в этих вариантах реализации методы могут быть применены для того, чтобы соединять МЭМС 4720 с другими схемами или компонентами 4730. Помимо этого, эти методы могут быть реализованы на фактически любой полупроводниковой монтажной подложке ИС, содержащей МЭМС 4720 идентичных или варьирующихся типов. Например, в случае SiP, ЧНСМ 4710 может быть использовано для того, чтобы соединять МЭМС-устройства на подложке, чтобы выполнить соединения с ИС и с другими пассивными компонентами, такими как антенны, без заметного сопротивления, что дает возможность этим элементам работать так, как если бы они были непосредственно соединены в соответствующих им узлах, независимо от их физического местоположения на подложке. (Хотя часто используется термин ʺМЭМСʺ, он предназначен охватывать любой микроактуатор).

[001145] МЭМС может включать в себя один или более компонентов. Примеры включают, но не ограничиваясь ими, радиочастотную схему, настраиваемую линию передачи, волновод, резонатор, ЧНС-компоненты, пассивные компоненты, пассивные ЧНС-компоненты, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор и/или электромеханический фильтр. В качестве других примеров, один или более компонентов могут включать в себя датчики для обнаружения параметров окружающей среды. Примеры типов датчиков, которые могут быть использованы, включают, но не ограничиваясь ими, датчик давления, датчик температуры, датчик теплового излучения, микроволновый датчик, терагерцевый датчик, светочувствительный датчик (включая инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновские излучение и космические лучи), датчик движения текучих сред (включая газ и жидкости), датчик колебаний, акселерометр, датчик влажности, датчик электрического поля, датчик магнитного поля и/или звуковой датчик.

[001146] В общем, монтажная подложка ИС может иметь один или более токопроводящих путей, на нескольких уровнях межсоединения, изолированных между собой, за исключением конкретных соединяющих сквозных межсоединений, предназначенных соответственно соединять каждый из непрерывных токопроводящих путей, с использованием уровней для того, чтобы организовать соответствующую плотность и связность, состоящих из ЧНСМ, имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала (например, немодифицированного ЧНС-материала), и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Сеть компонентов может быть соединена с МЭМС через упомянутые один или более токопроводящих путей. Альтернативно или дополнительно, МЭМС может включать в себя один или более внутренних путей и/или компонентов, состоящих из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя. Эти один или более компонентов могут быть электрическими компонентами и/или механическими компонентами. Например, в по меньшей мере одном варианте реализации, эти один или более компонентов может включать в себя набор пассивных ЧНСМ-компонентов, настраиваемую линию передачи, волновод, резонатор, квазиоптический компонент, настраиваемый индуктор, настраиваемый конденсатор, электромеханический фильтр, датчик, переключатель, актуатор, структуру и/или другой компонент.

[001147] Множество преимуществ могут вытекать из использования ЧНСМ для соединения МЭМС-схем с аналоговой/цифровой схемой и/или другими схемами/компонентами на ИС или SiP. Например, поскольку один или более токопроводящих путей могут иметь почти нулевое паразитное сопротивление, это позволит соединять МЭМС с набором схем или компонентов независимо от местоположения на корпусе. Токопроводящие пути могут иметь пренебрежимо малое сопротивление и иметь постоянную времени задержки фронта волны, приближающуюся к нулю. По сути, задержка сигналов и ток возбуждения при электрических взаимодействиях могут быть значительно уменьшены. Помимо этого, ЧНСМ позволило бы интегрировать МЭМС и схемы или компоненты на ИС с оптимизированными местоположениями и минимизированными ухудшениями характеристик вследствие паразитного сопротивления. В качестве другого примера, ЧНСМ позволило бы конструировать МЭМС и аналоговые схемы в определенной степени независимо. Эта независимая конструкция может способствовать быстрой разработке. Кроме того, это позволило бы более свободно использовать IP МЭМС и IP аналоговых схем, в частности, посредством встраивания предварительно сконструированной МЭМС без необходимости в знании конструирования МЭМС пользователями. С учетом того, что ЧНСМ обеспечивает большую независимость между МЭМС и аналоговыми схемными конструкциями, их большее число и разнообразие может быть интегрировано на ИС, так что МЭМС ИС будут широко распространяться в новые изделия, и это широкое распространение обеспечит кривую роста производительности для улучшенного конструирования и изготовления изделий.

[001148] Использование этой технологии ЧНСМ в ИС-изделии является синергетически выгодным по сравнению с применением других технологий ЧНСМ. Примеры включают в себя технологии ЧНСМ МЭМС, такие как ЧНСМ для соединения нескольких МЭМС-схем, ЧНСМ для соединения МЭМС с другими схемами на монтажной подложке или SiP, ЧНСМ для трехмерных межсоединений на ИС (которое соединяет ИС с монтажной подложкой на корпусе), ЧНСМ для распределения электропитания на монтажной подложке и т.п., все из которых дополнительно улучшают разработку всех технологий ЧНСМ и могут повышать производительность изделия.

[001149] ЧНСМ, актуаторы и другие компоненты могут быть изготовлены исходя из типа материалов, применения модифицированных ЧНС-материалов, размера компонента, использующего модифицированные ЧНС-материалы, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей модифицированные ЧНС-материалы, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления материал, используемый в качестве базового слоя ЧНСМ, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя ЧНСМ, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик. Хотя различные надлежащие геометрии и конфигурации показаны и описаны здесь для схемы размещения и/или расположения модифицированного ЧНС-материала, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине в дополнение к отличиям в толщине материалов, использованию различных слоев, модифицированным ЧНС-материалам, имеющим несколько смежных модифицирующих слоев, нескольким модифицированным ЧНС-материалам, модифицированным единственным модифицирующим слоем, и другим трехмерным структурам. Таким образом, любой подходящий модифицированный ЧНС-материал может быть использован в зависимости от требуемого применения и/или свойств.

[001150] В одном примере для использования в ИС при первой операции осаждения осаждают первый слой материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) на диэлектрическом изоляторе ИС, подложки или SiP. Первый слой может состоять, например, из YBCO или BSCCO. Второй слой, состоящий из модифицирующего материала, осаждают на первом слое ЧНС-материала, создавая один уровень ЧНС-межсоединений. Второй слой может включать в себя, например, хром или другой модифицирующий материал, описанный здесь. Материал, используемый в качестве первого или базового слоя, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего слоя, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и производственно-технологических характеристик. Примеры включают в себя химическую совместимость, затраты, требуемые рабочие характеристики, доступное оборудование, доступные материалы и/или другие соображения и характеристики. При операции обработки, такой как фотолитография и удаление материала (травление или другая обработка), затем образуют ЧНСМ, чтобы формировать различные компоненты, токопроводящие пути и/или межсоединения. Например, в некоторых вариантах реализации могут быть сформированы МЭМС с ЧНСМ, пассивные ЧНСМ-компоненты, РЧ-антенна с ЧНСМ, система распределения питания и/или сигнальная шина с одним или более токопроводящими путями, способными разводить сигналы.

[001151] Кроме того, процесс может включать в себя подбор определенных подложек с высокой диэлектрической постоянной, чтобы обеспечить конкретный ответный сигнал. Как отмечено выше, подложки, на которых формируются актуаторы или другие схемы, могут влиять на выходной сигнал. Возможно множество подложек, включая любые из следующих, либо массивных, либо осажденных на другой подложке: аморфный или кристаллический кварц, сапфир, оксид алюминия, LaAlO₃, LaGaO₃, SrTiO₃, ZrO₂, MgO, NdCaAlO₄, LaSrAlO₄, CaYAlO₄, YAlO₃, NdGaO₃, SrLaAlO₄, CaNdAlO₄, LaSrGaO₄, YbFeO₃. Подложка может быть выбрана инертной, совместимой для роста, осаждения или размещения путей хорошего качества из модифицированных ЧНС-материалов и имеющей требуемые свойства, к примеру, для использования в фильтрах, сформированных на подложке, включая плоские фильтры.

Электрохимические актуаторы с модифицированными ЧНС-материалами

[001152] Электрохимические актуаторы основаны на принципе приложения, например, небольшого напряжения к электродам, которые катализируют газ и затем увеличивают давление в закрытой соте, к примеру, в случае с топливным элементом с использованием транспортировки кислорода электрохимическим кислородным насосом. Фигура 48-M показывает пример электрохимического актуатора 4800, который включает в себя оболочку или корпус 4805, которая(ый) удерживает один или более коаксиально совмещенных электрохимических актуаторов или топливных элементов 4810. Хотя показан один топливный элемент 4810, три других показаны пунктирными линиями, все из которых уложены стопкой поверх друг друга в корпусе 4805.

[001153] Каждый топливный элемент 4810 включает в себя первый или нижний электрод 4815 и второй или верхний электрод 4820. Верхний и нижний электроды задают промежуточную камеру, которая удерживает газ 4825. Каждый из топливных элементов может быть сформирован в виде диска, квадрата или другой структуры и свободно перемещаться в корпусе 4805. Изолятор 4830, сформированный в виде кольца или другой структуры, разделяет верхний и нижний электроды 4820 и 4830, удерживая газ 4825.

[001154] Корпус 4805 сформирован из проводящего материала, такого как металл. Когда напряжение прикладывается к корпусу 4805 и к электроду 4840, результирующее напряжение между верхним и нижним электродами 4820 и 4815 снабжает газ 4825 энергией. В ответ на это, газ расширяется и развивает направленную вверх силу, которая может оказывать действие на плунжер или поршень 4850. Используя два или более топливных элемента 4810, можно в результате получать большее смещение.

[001155] Возможны другие электрохимические актуаторы. Например, вместо использования газа может быть использован воск, который имеет большую объемно-температурную зависимость, и тем самым его расширение может оказывать большее перемещение на поршень. Такой воск может быть размещен в жестком контейнере, в который помещается поршень (или поршень, заключенный в эластомер), и контейнер нагревается, чтобы расширить воск и сдавливать или вытеснять поршень.

[001156] Модифицированный ЧНС-материал может использоваться для межсоединений с электрохимическими актуаторами, в дополнение к соединениям между компонентами этих актуаторов. Например, модифицированный ЧНС-материал может применяться для верхнего и нижнего электродов 4815 и 4820, а также для корпуса 4805 и электрода 4840. Модифицированные ЧНС-материалы могут быть сформированы наматыванием вокруг корпуса или в корпусе. Конечно, возможны другие конфигурации или геометрии.

Актуаторы с памятью формы с использованием модифицированных ЧНС-материалов

[001157] Другой пример представляет собой использование теплового приведения в действие с тем, чтобы заставлять, например, биметаллическое устройство отклоняться или растягиваться в ответ на изменение температуры. Другой пример представляет собой актуаторы на основе сплавов с памятью формы, которые используют металлы или керамику с памятью формы, которые изменяют состояние и расширяются/сжимаются, исходя из приложенного извне электрического сигнала или температуры. Примеры таких материалов с памятью формы включают никель-титан, сплавы на основе меди (например, CuZnAl и CuAlNi) или даже Ni₂MnGa, который является сплавом с памятью формы, управляемым с использованием магнитных полей.

[001158] Посредством придания материалу с памятью формы определенных геометрических рисунков, таких как пружина или катушка, небольшое линейное изменение расширения сплава может быть передано вдоль его длины с получением большего окончательного смещения. При использовании модифицированного ЧНС-материала в электродах для схем возбуждения материала с памятью формы могут достигаться повышенные характеристики. Актуаторы на основе материалов с памятью формы могут быть использованы в элементах привода, управления и расцепления всех видов транспортных средств, элементов климат-контроля, захватных устройств и т.д.

Электрореологические/магнитореологические актуаторы текучей среды с использованием модифицированных ЧНС-материалов

[001159] Актуаторы, использующие электрореологические текучие среды, типично включают в себя пару электродов в закрытом контейнере, который удерживает конкретные текучие среды, которые изменяются по вязкости в ответ на электрическое поле до такой степени, что текучая среда может ʺзатвердеватьʺ в пластическое тело. Примеры подходящих текучих сред включают в себя неполярные текучие среды-основы, имеющие малую связность и не имеющие относительной диэлектрической проницаемости, в которых диспергируются поляризующиеся твердые частицы со сравнительно высокой относительной диэлектрической проницаемостью. Легкие масла являются примерами текучей среды-основы, при этом твердыми частицами являются, например, ангидриды кремниевой кислоты или алюмосиликаты, оксиды металлов и т.д. Такие актуаторы могут работать в режиме потока при срезающей нагрузке или режиме сдавливания, тем самым обеспечивая силу, которая параллельна паре электродов, через пару электродов (причем оба являются неподвижными), или к неподвижному электроду, соответственно. Варианты применения таких актуаторов могут представлять собой позиционирующие приводы, амортизаторы, тактильные элементы и т.д.

[001160] Обращаясь к фигуре 49-M, показан пример амортизатора или актуатора 4900, который включает в себя контейнер или сосуд 4905, имеющий крышку 4910. Сосуд может быть цилиндром, в который входит поршень 4915, имеющий шток 4920, проходящий через середину крышки 4910. Сосуд 4905 удерживает электрореологическую текучую среду 4930. U-образный проход или канал 4935 дает возможность текучей среде 4930 перемещаться выше и ниже поршня 4915. Пара электродов 4940 и 4945 принимает внешний электрический сигнал, который вызывает прохождение электрического поля между электродами. Электрическое поле влияет на вязкость текучей среды 4930, тем самым изменяя реакцию поршня 4915 в сосуде 4905. Хотя это не показано, в проходе 4935 может быть позиционирован клапан, чтобы ограничивать поток текучей среды 4932 объемами выше и ниже поршня 4915.

[001161] Модифицированный ЧНС-материал может применяться в электродах 4940 и 4945, чтобы эффективно создавать электрическое поле между ними. Хотя показана одна геометрия, возможны любые другие конфигурации. Дополнительно, идентичные принципы, которые применимы к электрореологическим текучим средам, применимы в равной степени и к магнитореологическим текучим средам, которые используют ферро/ферромагнитные частицы, такие как сплавы карбонильного железа в текучей среде-основе с низкой проницаемостью, которая также включает в себя стабилизатор, чтобы не допускать агрегирования и свертывания частиц. Варианты применения могут включать в себя использование в тормозах, муфтах, монтажных опорах двигателя и т.д.

Подходящие варианты реализации и применения актуаторов с модифицированными ЧНС-материалами

[001162] Как отмечено выше, модифицированный ЧНС-материал имеет характеристики, которые зависят от температуры. Как результат, описанные здесь актуаторы, использующие модифицированные ЧНС-материал, аналогично зависят от температуры. Изменение температуры влияет на проникновение поля в полосковые проводники, как описано выше. Такие изменения модифицированного ЧНС-материала могут быть смоделированы на основе характера зависимости температура - отклик у модифицированных ЧНС-материалов, как описано здесь, или могут быть выведены эмпирически. А именно, при использовании модифицированных ЧНС-материалов, сопротивление линии пренебрежимо мало, но это сопротивление может регулироваться на основе температуры, как показано на температурных графиках, предусмотренных здесь. Следовательно, конструкция актуатора может быть скорректирована таким образом, чтобы компенсировать температуру, или выходной сигнал актуатора может регулироваться посредством варьирования температуры.

[001163] Обращаясь к фигуре 50-M, показан пример системы 5000, которая включает в себя схемы 5010, соединенные со схемой 5015 регулирования температуры и логикой 5020. (Хотя на фигуре 50-M различные блоки показаны соединенными, возможно меньшее или большее число соединений). Схемы 5010 используют один или более описанных здесь актуаторов, которые по меньшей мере частично сформированы из модифицированного ЧНС-материала. Логика управляет схемами регулирования температуры, которые управляют, в свою очередь, охладителем/холодильником, таким как криогенный или жидкостногазовый охладитель, который охлаждает схемы 5010. Таким образом, чтобы увеличивать чувствительность или реакцию системы 5000, логика 5020 сигнализирует схеме 5015 регулирования температуры понизить температуру схем 5010. Как результат, схемы 5010, использующие модифицированный ЧНС-материал, вынуждают модифицированный ЧНС-материал увеличить удельную электропроводность, за счет этого увеличивая чувствительность или реакцию схемы.

[001164] Хотя выше были в общем описаны определенные актуаторы, возможно множество других актуаторов. Например, модифицированные ЧНС-материалы могут быть включены в состав актуаторов, чтобы настраивать схемы (например, фильтры). Хотя показаны отдельные актуаторы, актуаторы могут быть объединены (состыкованы вместе), чтобы образовать более сложные системы или матрицы актуаторов. Как и при других категориях актуаторов, поясненных здесь, возможно множество конфигураций матриц актуаторов, которые представляют собой конструктивные соображения для проектировщика, реализующего многоактуаторную систему, которая по меньшей мере частично сформирована из модифицированного ЧНС-материала. Описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных системах актуаторов, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь актуаторов и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны. Фактически, такие сложные системы актуаторов могут использовать два или более несходных или разнородных актуатора, а не просто аналогичные или однородные актуаторы. Такая система или матрица актуаторов может включать в себя относительно однородные актуаторы, все сформированные из модифицированного ЧНС-материала, или разнородные сочетания различных типов актуаторов, при этом некоторые актуаторы сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинации различающихся актуаторов и различающихся материалов. Таким образом, сложные системы или матрицы актуаторов могут использовать два или более актуатора, образованных из двух или более однородных актуаторов, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, два или более разнородных актуатора, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, и/или два или более однородных/разнородных актуатора, сформированных как из традиционных проводников, так и из модифицированного ЧНС-материала.

[001165] Хотя здесь описаны конкретные примеры актуаторов, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из модифицированных ЧНС-материалов, специалисты в данной области техники поймут, что фактически любая конфигурация актуатора может использовать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты. Различные актуаторы и системы актуаторов широко используют проводящие элементы и другие элементы, некоторые из которых перечислены выше. (Хотя модифицированный ЧНС-материал может быть использован с любыми проводящими элементами в цепи, быть более уместно констатировать, в зависимости от определения термина ʺпроводящийʺ, что модифицированный ЧНС-материал способствует распространению энергии или сигналов по своей длине или площади). Как результат, невозможно полностью перечислить все возможные актуаторы и системы актуаторов, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001166] Хотя некоторые подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых актуаторов, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя не только различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине, но и отличия в толщине материалов, использование различных слоев и другие трехмерные структуры. Авторы изобретения предполагают, что фактически все актуаторы и относящиеся к ним системы, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и полагают, что специалисты в данной области техники, которым в этой заявке представлены различные примеры модифицированных ЧНС-материалов, актуаторов и принципов, смогут реализовывать, без чрезмерного экспериментирования, другие актуаторы с одним или более компонентами, сформированными полностью или частично из модифицированных ЧНС-материалов.

[001167] В некоторых вариантах реализации актуатор, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[001168] Актуатор, содержащий: по меньшей мере один измерительный преобразователь, выполненный с возможностью преобразовывать принимаемую электрическую энергию в механическую энергию; по меньшей мере одну проводящую входную линию, соединенную с измерительным преобразователем, при этом проводящая выходная линия выполнена с возможностью вводить сигнал в упомянутый по меньшей мере один измерительный преобразователь, чтобы приводить в действие измерительный преобразователь; и при этом по меньшей мере часть измерительного преобразователя или проводящей линии сформирована из модифицированной части с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и при этом модифицированная ЧНС-часть сформирована из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001169] Способ изготовления элемента актуатора, содержащий: размещение первой и второй разнесенных проводящих участков, с использованием материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), на пьезоэлектрической или пьезомагнитной подложке, при этом первый и второй разнесенные токопроводящие пути образуют контактные выводы для пьезоэлектрического или пьезомагнитного актуатора, и при этом ЧНС-материал сформирован из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

[001170] Актуатор, содержащий: подложку; по меньшей мере один микроразмерный или наноразмерный измерительный преобразователь, сформированный на подложке и выполненный с возможностью преобразовывать принимаемую электрическую энергию в механическую энергию; по меньшей мере одну проводящую входную линию, сформированную на подложке и соединенную с измерительным преобразователем, при этом проводящая выходная линия выполнена с возможностью вводить сигнал в упомянутый по меньшей мере один измерительный преобразователь, чтобы приводить в действие этот измерительный преобразователь; и при этом по меньшей мере часть измерительного преобразователя или проводящей линии сформирована из модифицированной части с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и при этом модифицированная ЧНС-часть сформирована из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001171] Система актуаторов, содержащая: множественные актуаторные элементы, при этом каждый актуаторный элемент содержит измерительный преобразователь и один или более токопроводящих путей, причем эти один или более токопроводящих путей имеют геометрию, чтобы выдавать входной сигнал в измерительный преобразователь, при этом по меньшей мере часть измерительного преобразователя и/или одного или более токопроводящих путей состоит из первого материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части, и при этом множественные актуаторные элементы совместно обеспечивают комбинированную функцию актуатора.

[001172] Система, содержащая: логические или аналоговые схемы; и по меньшей мере один актуаторный элемент, подсоединенный между антенной и логическими или аналоговыми схемами в виде блока, при этом актуаторный элемент содержит один или более измерительных преобразователей электрической энергии в механическую, один или более токопроводящих путей, при этом один или более актуаторов и/или токопроводящих путей имеют геометрию, сформированную для обеспечения функцию приведения в действие на основе принимаемого управляющего сигнала, при этом по меньшей мере часть из упомянутых одного или более актуаторов и/или токопроводящих путей состоит из проводящего материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

Глава 13. Фильтры, сформированные из ЧНС-материалов

[001173] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37A-N по 50-N; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001174] Здесь описываются различные типы фильтров, применяющие материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В случае некоторых типов фильтров, описанных ниже, фильтры включают в себя подложку, на которой сформированы или размещены пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник, и причем эти пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник использует модифицированный ЧНС-материал. Спроектированы другие типы фильтров, где определенные компоненты фильтров используют модифицированный ЧНС-материал. В некоторых примерах модифицированные ЧНС-материалы изготавливают, исходя из типа материалов, применения модифицированного ЧНС-материала, размера компонента/элемента, использующего модифицированный ЧНС-материал, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей модифицированный ЧНС-материал, и т.д. По сути, во время разработки и изготовления фильтра материал, используемый в качестве базового слоя (например, немодифицированный ЧНС-материал) модифицированного ЧНС-материала, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего материала модифицированного ЧНС-материала, может быть выбран на основе различных факторов и желаемых рабочих и/или технологических характеристик. Модифицированные ЧНС-материалы оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), тем самым улучшая рабочие характеристики этих фильтров при более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[001175] Использования модифицированного ЧНС-материала в фильтрах будут сейчас описаны подробно. В целом, возможны многие конфигурации фильтров, являющиеся конструктивными соображениями для проектировщика фильтра, реализующего фильтр, сформированный из модифицированного ЧНС-материала. Действительно, принципы, которые определяют конструкцию традиционных фильтров, могут быть применены к созданию фильтров, использующих описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Таким образом, хотя здесь показаны и описаны некоторые геометрии фильтров, конечно, возможно множество других геометрий. Более того, хотя приведенное здесь описание может подчеркивать то, как конкретная система фильтра может использовать конкретный компонент, сформированный из модифицированных ЧНС-материалов, эти примеры модифицированных ЧНС-компонентов предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры, сможет выявить другие компоненты в той же или аналогичной системе фильтра, которые могут быть сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001176] Фигура 37A-N показывает принципиальную схему, иллюстрирующую систему 3700 фильтра, которая может применять модифицированные ЧНС-материалы. Входной контактный вывод или линия 3705 передачи принимает входной сигнал и подает его к фильтру 3710. Фильтр 3710 может принимать одну из многих форм, описанных здесь. Система 3700 фильтра может включать в себя более одного фильтра, второй из которых показан как необязательный фильтр 3715. Сигнал фильтра, после прохождения через один или более фильтров 3710, 3715, выводится на линию или контактный вывод 3720 в качестве фильтрованного сигнала.

[001177] Перед объяснением подробностей системы фильтра будут описаны несколько вариантов применения, чтобы привести систему фильтра в контексте. Фигура 37B-N показывает пример аппарата или системы 3750, который(ая) использует систему 3700 фильтра. Аппарат 3750 принимает или передает сигнал 3760 через порт или другой компонент ввода/вывода. Аппарат 3750 может включать в себя систему 3700 фильтра, логические и/или аналоговые схемы 3765, источник 3775 питания и компонент 3770 ввода/вывода (I/O), любой или все из которых могут содержаться в корпусе 3755 или иначе скомпонованы в виде блока. В примере на фигуре 37B-N аппарат 3750 может также включать в себя антенну 3780.

[001178] Аппарат 3750 может принимать одну из многих форм. В одном примере аппарат является мобильным телефоном, смартфоном, портативным компьютером, планшетом или другим переносным электронным устройством. В этом примере источник 3775 питания может быть аккумуляторной батареей, а система 3700 фильтра может составлять часть РЧ-схемы, которая может быть сформирована на одном или более полупроводниковых кристаллах. Логика 3765 может включать в себя процессор и память, в то время как I/O-компонент 3770 может включать в себя клавиатуру или кнопочную панель, указательное устройство, устройство отображения, микрофон, динамик или другие известные элементы. Конечно, возможны многие другие известные компоненты в этом примере переносного электронного устройства, но не показаны, поскольку они легко понятны обычному специалисту в данной области техники.

[001179] В другом примере аппарат 3750 является приемником/передатчиком/приемопередатчиком сотовой телефонии для узла сотовой связи, или базовой станции. В этом примере источником 3775 питания может быть мощность на линии из сети коммунального энергоснабжения, резервный генератор, аккумуляторные батареи, солнечные элементы и т.д. В этом примере логика 3765 может включать в себя РЧ-схему для обеспечения беспроводной связи. Антенна 3780 может включать в себя одну или более антенн сотовых телефонов.

[001180] В еще одном примере антенна 3780 исключена, и аппарат 3750 составляет часть медицинского или научного устройства. Устройство может принимать сигналы, например, от одного или более датчиков, фильтровать эти сигналы с помощью системы 3700 фильтра и создавать выходной сигнал, обработанный логикой 3765. Конечно, возможно множество других примеров. Варианты применения и реализации описанных здесь фильтров изменяются в диапазоне от единичных, монолитных кристаллов, таких как RFID-кристаллы, до более крупномасштабных вариантов применения, использующих множественные блоки или устройства, такие как используемые в системах активных антенных решеток, распределенных сетях сотовой телефонии и т.д. Например, будучи реализованным в качестве RFID-кристалла, устройство включает в себя антенну 3780, соединенную с РЧ-схемой и логикой, и память. Устройство может быть изготовлено на одном кристалле, или же антенна может быть сформирована как микрополосковая антенна, сформированная на подложке, такой как этикетка, гибкая подложка, печатная плата и т.д., с остальными компонентами, монолитно интегрированными на одном кристалле (или множественных взаимосвязанных кристаллов).

[001181] В первоначальном, основном примере фильтр 3710 системы 3700 фильтра может включать в себя простую структуру резонатора, такую как фильтр 3800, сформированный как LC-резонансный контур, показанный на фигуре 38A-N. Как показано, фильтр 3800 принимает входной сигнал по линиям 3805 и 3810. Фильтр включает в себя индуктор 3815 и конденсатор 3820, соединенные параллельно. Могут быть предусмотрены две или более такие конфигурации, также как и индукторы и/или конденсаторы, соединенные последовательно. В некоторых примерах фильтр 3800 также может включать в себя один или более резисторов. Конечно, конструкция фильтра довольно специфична для того назначения, по которому фильтр должен быть использован, и конкретного применения, желаемой частоты или диапазона частот и других факторов, определяющих важность и число используемых в фильтре компонентов. Таким образом, конкретные величины и число компонентов здесь описывать не нужно, поскольку они будут отличаться от применения к применению и от устройства к устройству.

[001182] В целом, фильтр на элементах с сосредоточенными параметрами, такой как показанный на фигуре 38A-N, может включать в себя по меньшей мере два элемента, соединенных последовательно или параллельно, причем по меньшей мере один из этих элементов является индуктором или конденсатором. Индуктор включает в себя сердечник и модифицированный ЧНС-материал, выполненный в виде катушки и по меньшей мере частично окружающий сердечник. Конденсатор включает в себя по меньшей мере два проводящих участка или элемента, причем по меньшей мере один из этих участков/элементов сформирован из модифицированного ЧНС-материала. Диэлектрик разделяет два проводящих участка/элемента. В целом, по меньшей мере некоторые из проводящих элементов в известных или традиционных компонентах фильтра, таких как индукторы и конденсаторы, могут быть сформированы с использованием описанного здесь модифицированного ЧНС-материала (в том числе планарные фильтры, обсуждаемые ниже).

[001183] Применяя модифицированные ЧНС-материалы в и между компонентами фильтра, может быть достигнута почти идеальная добротность резонаторного фильтра 3800, что может также приводить к исключительной избирательности фильтра, например, для беспроводных применений, среди других применений. (Избирательность, в целом, относится к критерию оценки способности радиоприемника отбрасывать (т.е. ослаблять) нежелательные частоты относительно желаемой частоты или частотного диапазона/канала). На характеристики фильтра типично влияет, если он изготовлен традиционным способом, внутреннее сопротивление проводящих линий 3805 и 3810, но если такие линии изготовлены с использованием модифицированного ЧНС-материала, то такое сопротивление будет ничтожным. Аналогично, сопротивление, вызванное катушками в индукторах, при применения модифицированных ЧНС-материалов может стать ничтожным.

[001184] В некоторых примерах любой из описанных здесь фильтров, применяющий модифицированные ЧНС-материалы, может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов и комнатными температурами. В некоторых примерах любой из описанных здесь фильтров, применяющий модифицированные ЧНС-материалы, может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах, больших 150 K или более, как описано здесь. В различных примерах фильтры могут включать в себя надлежащую систему охлаждения (не показана), используемую для охлаждения элементов фильтра до критической температуры конкретного модифицированного ЧНС-материала. Например, система охлаждения может быть системой, способной охлаждать по меньшей мере ЧНС-материалы в фильтре до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, например, или других температур, описанных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированных ЧНС-материалов, использованных в фильтре. Также могут существовать другие факторы для выбора системы охлаждения, например, количество энергии, рассеиваемое системой.

Индукторы с модифицированными ЧНС-материалами

[001185] Фигура 38B-N является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3830, имеющий модифицированную ЧНС-пленку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Индуктор 3830 включает в себя катушку 3834 и сердечник, который в этом примере является воздушным сердечником 3832. Когда катушка 3834 переносит ток (например, в направлении вправо на странице), в сердечнике 3832 создается магнитное поле 3836. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из модифицированной ЧНС-пленки. Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки подробно описываются здесь.

[001186] Аккумуляторная батарея или иной источник питания (не показан) может прикладывать напряжение к модифицированной ЧНС-катушке 3834, заставляя протекать ток в катушке 3834. Будучи сформированной из модифицированной ЧНС-пленки, катушка 3834 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем используемые в традиционных ВТСП-материалах температуры, такие как, например, температуры больше 150 К, комнатная температура и т.д. Электрический ток в катушке создает магнитное поле в сердечнике 3832, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[001187] Поскольку индуктор 3830 включает в себя катушку 3834, сформированную с использованием модифицированных ЧНС-материалов, индуктор может действовать аналогично идеальному индуктору, где катушка 3834 обладает небольшими или малыми потерями вследствие обмоточного или последовательного сопротивления, типично обнаруживаемого в индукторах с традиционными проводящими катушками (например, медными катушками), без учета тока через катушку 3834. То есть индуктор 3830 может демонстрировать очень высокую добротность (Q) (например, стремящуюся к бесконечности), которая является отношением индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте, или Q=(индуктивное реактивное сопротивление)/сопротивление.

[001188] В одном примере сердечник 3832 не включает в себя какого-либо дополнительного материала, и индуктор 3830 является катушкой без физического сердечника, такой как самонесущая катушка (например, катушка, показанная на фигуре 38B-N). В другом примере сердечник 3832 сформирован из немагнитного материала (не показан), такого как пластмассовые или керамические материалы. Материал или форма сердечника может выбираться на основе множества факторов. Например, выбор материала сердечника, имеющего более высокую проницаемость, чем проницаемость воздуха, в общем увеличит созданное магнитное поле 3836 и, таким образом, увеличит индуктивность индуктора 3830. В другом примере выбор материала сердечника может зависеть от желания уменьшить потери в сердечнике при высокочастотных применениях. Специалисты в данной области техники поймут, что сердечник может быть сформирован из ряда различных материалов и с рядом различных форм, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[001189] Например, фигура 38C-N показывает индуктор 3840 с магнитным сердечником, применяющий модифицированную ЧНС-пленку. Индуктор 3840 включает в себя катушку 3842 и магнитный сердечник 3844, такой как сердечник, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов. Электрический ток в катушке 3842 создает магнитное поле 3846 в сердечнике 3844, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д. Магнитный сердечник 3844, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов, увеличивает индуктивность индуктора 3840, поскольку магнитная проницаемость магнитного материала в созданном магнитном поле 3846 выше проницаемости воздуха, и поэтому в большей степени поддерживает формирование магнитного поля 3846 вследствие намагничивания магнитного материала. Например, магнитный сердечник может увеличивать индуктивность на коэффициент 1000 или больше.

[001190] Индуктор 3840 может использовать различные другие материалы в магнитном сердечнике 3844, такие как ферромагнитный материал, наподобие железа или феррита, и/или быть сформирован из многослойных магнитных материалов, таких как шихтованные пластины из кремнистой стали. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы и другие материалы, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 3840.

[001191] Помимо этого, магнитный сердечник 3844 (а значит, и индуктор 3840) может быть выполнен во множестве различных форм. В некоторых примерах магнитный сердечник 3844 может быть стержнем или цилиндром. В некоторых случаях магнитный сердечник 3844 может быть кольцом или тороидом. В некоторых случаях магнитный сердечник 3844 может быть подвижным, позволяя индуктору 3840 реализовывать переменные индуктивности. Обычный специалист в данной области техники поймет, что могут быть использованы другие формы и конфигурации, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 3840. Например, магнитный сердечник 3844 может быть рассчитан ограничивать различные недостатки, такие как потери в сердечнике вследствие вихревых токов и/или гистерезис и/или нелинейность индуктивности, помимо прочего.

[001192] Как будет понятно, конфигурация катушки 3834 может влиять на определенные рабочие характеристики, такие как индуктивность. Например, число витков катушки, площадь поперечного сечения катушки, длина катушки и т.д. могут влиять на индуктивность индуктора. Из этого следует, что индуктор 3830, хотя он показан в одной конфигурации, может быть сконфигурирован множеством способов, чтобы достигать определенных рабочих характеристик (например, значений индуктивности), с тем чтобы уменьшать определенные нежелательные эффекты (например, скин-эффекты, эффекты близости, паразитные емкости) и т.д.

[001193] В некоторых примерах катушка 3834 может включать в себя множество витков, лежащих параллельно друг другу. В некоторых примерах катушка может включать в себя небольшое число витков под разными углами друг к другу. Таким образом, катушка 3834 может быть сформирована во множестве различных конфигураций, таких как сотовые или шахматные рисунки, при которых последовательные витки располагаются крест-накрест под различными углами друг к другу, паутинные рисунки, при которых катушка образована из плоских спиральных катушек, разнесенных друг от друга, в качестве многожильных проводов, где различные жилы изолированы друг от друга, и т.д.

[001194] Кроме того, тонкопленочные индукторы могут использовать описанные здесь ЧНС-компоненты. Фигура 38D-N является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 3850, применяющий модифицированный тонкопленочный ЧНС-компонент. Индуктор 3850 включает в себя модифицированную ЧНС-катушку 3852, сформированную на подложке 3854 (например, печатной плате), и необязательный магнитный сердечник 3856. Катушка 3852, которая может содержать модифицированные ЧНС-материалы, осажденные на или вытравленные в подложке 3854, может быть сформирована во множестве конфигураций и/или рисунков, в зависимости от потребностей устройства или системы, использующей индуктор. Дополнительно, необязательный магнитный сердечник 3856 может быть осажден на или вытравлен в подложке 3854, как показано, или может быть плоским сердечником (не показан), расположенным выше и/или ниже катушки 3852.

Конденсаторы с модифицированными ЧНС-материалами

[001195] В дополнение к индукторам, конденсаторы могут быть сформированы с использованием описанного здесь модифицированного ЧНС-материала. Действительно, некоторые из тех же принципов, примененных для индукторов, равно применимы к конденсаторам. Обращаясь к фигуре 38E-N, показан пример простого конденсатора 3870 с параллельными пластинчатыми обкладками. В этом примере конденсатор включает в себя входные и выходные контактные выводы 3872 и 3874, которые соединены соответственно с проводящими пластинами или областями 3876 и 3878. Проводящие пластины/области разделены расстоянием, которое может быть по меньшей мере частично заполнено диэлектриком 3880. Диэлектриком может быть воздух или любой другой диэлектрик, используемый с конденсаторами, такой как изоляторы, электролиты или другие материалы или составы, как будет понятно.

[001196] Пластины/области 3876 и 3878 могут использовать модифицированный ЧНС-материал. В некоторых примерах входные и выходные контактные выводы 3872 и 3874 могут использовать ЧНС-материал. Хотя показан простой конденсатор с параллельными пластинчатыми обкладками, может использоваться любая форма конденсатора, такая как сформированные на полупроводниковых кристаллах.

Планарные фильтры с модифицированными ЧНС-материалами

[001197] Одним типом фильтра, особенно подходящего для использования описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов, являются планарные фильтры. Планарные фильтры зачастую используют проводящие полосковые или микрополосковые линии передачи, которые могут быть проводящими дорожками, сформированными на диэлектрической подложке, такой как печатная плата; однако, такие планарные фильтры могут быть изготовлены при гораздо меньших масштабах и на меньших подложках, даже с применением полупроводниковых производственных процессов и других нанотехнологий.

[001198] Фигура 39-N показывает пример структуры простого планарного фильтра, чье представление схемой с сосредоточенными параметрами по существу эквивалентно фильтру 3800 на фигуре 38-N. Входная линия 3905 передачи и выходная линия 3910 прерываются шлейфом 3915, который соединен с заземлением. (При несоединении шлейфа с заземлением образуется эффективный эквивалент последовательного соединения с индуктором и конденсатором, соединенными последовательно между входной и выходной линиями 3905 и 3910). Фигура 40A-N показывает другой пример планарного фильтра 4000, имеющего входную линию 4005 и выходную линию 4010, соединенные в качестве разомкнутых линий; приблизительное представление элементом с полусосредоточенными параметрами планарного фильтра 4000 показано на фигуре 40B-N.

[001199] В рамках планарных фильтров или аналогичных фильтров на элементах с распределенными параметрами индуктивность, емкость и сопротивление фильтра не локализовано или не ʺсосредоточеноʺ в дискретных индукторах, конденсаторах, резисторах или других элементах, а вместо этого образуется посредством введения одного или более разрывов в линию передачи, причем эти разрывы представляют реактивный импеданс фронту волны, идущей вниз по линии передачи. Волна может быть замедлена, когда распространяется по сверхпроводящей линии передачи, вследствие увеличившейся индуктивности линии за счет проникновения внешнего магнитного поля, но более важно, что обычный проводник имеет глубину скин-эффекта, которая является функцией частоты, где увеличивающаяся частота уменьшает глубину скин-эффекта. Однако, ЧНС-материалы, в общем, представляют очень низкие потери вдоль линии передачи, тем самым типично уменьшая факторы глубины скин-эффекта. Таким образом, с описанными здесь модифицированными ЧНС-материалами глубину скин-эффекта можно игнорировать в некоторых применениях или можно измерять и использовать/компенсировать эмпирически, также как учитывать при проектировании фильтров для конкретных применений.

[001200] Шлейфы могут приспосабливаться к использованию в полосовых фильтрах, в то время как низкочастотные фильтры могут быть сконструированы с использованием последовательности чередующихся секций высоко- и низкоимпедансных линий, чтобы соответствовать последовательно включенным индукторам и шунтирующим конденсаторам, при просмотре в реализации элемента с сосредоточенными параметрами. Фигура 41A-N показывает пример такого низкочастотного фильтра, в то время как фигура 41B-N показывает его представление в виде элемента с сосредоточенными параметрами. В частности, фигура 41A-N показывает пример низкочастотного фильтра со ступенчато изменяющимся (дискретным) импедансом, имеющего входную и выходную линии 4105 и 4110, а также чередующуюся последовательность элементов 4115, 4120 и 4125 с дискретным высоким импедансом и элементов 4130, 4135 и 4140 с дискретным низким импедансом, с образованием чередующихся элементов с индуктивным и емкостным импедансом. Может использоваться любое число элементов, представленное многоточиями, показанными на фигурах. Конечно, возможны различные другие геометрии, и элементы в фильтре могут быть одночетвертными от той длины волны, для которой желательно воздействие фильтра.

[001201] Примеры чередующихся шлейфов, аналогично образующих низкочастотные фильтры, показаны на фигуре 42A-N (с прямыми шлейфами 4202) и фигуре 42B-N (бабочкообразными или радиальными шлейфами 4204). Геометрии, использующие бабочкообразные шлейфы, шлейфы с формой листа клевера или другие радиальные шлейфы, могут предоставлять проектировщику фильтра возможность более легкого моделирования. Другие геометрии могут включать в себя шлейфы для реализации шунтирующих конденсаторов, в которых шлейфы располагаются на противоположных сторонах линий 4105 и 4110.

[001202] Другой проект фильтра использует емкостные зазоры в линии, такой как показанный на фигуре 43A-N, где входная и выходная линии 4105 и 4110 соединены посредством проводящих секций 4302 и зазоров 4304. Проводящие секции 4302 действуют как резонаторы, которые могут быть примерно полуволновыми от желаемой длины волны. Прежние фильтры с емкостным зазором этого типа были типично ограничены вносимыми потерями, дающими в результате низкую добротность Q. Однако, используя описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы, такие недостатки предшествующих фильтров с емкостным зазором избегаются. Опять же, другие геометрии, конечно, возможны. Например, фигура 43B-N показывает входную и выходную линии 4105 и 4110, соединенные посредством диагональных проводящих полос 4306, разделенных аналогичными зазорами 4304. Наклонная геометрия на фигуре 43B-N помогает уменьшать площадь поверхности, необходимую для фильтра на подложке.

[001203] Еще один пример показан на фигуре 43C-N, который показывает фильтр с U-образной полосковой линией. Как показано, фильтр включает в себя последовательности U-образных проводящих дорожек или трасс 4308, размещенных в ряд, причем каждая трасса перевернута на 180 градусов по отношению к соседней ей. Во всех примерах многоточия представляют тот факт, что фильтры могут включать в себя больше или меньше трасс или элементов, чем показанные.

[001204] Многие из описанных выше планарных фильтров объединяют в себе некоторые ʺтрадиционныеʺ концепции фильтров, и, конечно, возможно множество других форм. Действительно, принципы, которые обуславливают конструкцию традиционных фильтров, таких как микроволновые фильтры, могут быть применены к созданию фильтров, использующих описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Дополнительные подробности, касающиеся конструкции некоторых фильтров, можно найти, например, в книге Н. Ланкастера (N. Lancaster), Passive Microwave Device Applications of High-Temperature Superconductors (Cambridge University Press, 1997), например, глава 5.

Фильтры на линии задержки/линии передачи замедленной волны, имеющие модифицированные ЧНС-материалы

[001205] Другие фильтры включают в себя фильтры на линии задержки или фильтры на линии передачи замедленной волны (замедляющей линии), которые могут аналогичным образом быть сформированы как микрополосковые, полосковые линии, копланарные линии и т.д. и осаждены на одной или более подложках, типично - диэлектрических подложках. Толщиной подложки (описанной ниже) можно управлять вносимыми потерями и перекрестными помехами между соседними линиями, причем линии могут быть собраны более близко без связи, тем самым обеспечивая более длительные задержки для данной подложки. Линии задержки, использующие описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы, обеспечивают исключительно ʺбезпотерьнуюʺ среду передачи, вплоть до сотен наносекунд задержки лишь с несколькими децибелами потерь.

[001206] Фигура 44A-N показывает пример фильтра с единственной микрополосковой линией задержки на линии передачи, имеющего спирально закрученный проводник 4405, подсоединенный между входной и выходной линиями 4105 и 4110. Спирально закрученная часть 4405 может иметь секции переменного импеданса, которые могут создавать фильтрующую характеристику. Пример таких изменений в импедансе показан переменными толщинами на фигуре 44B-N, где спирально закрученная линия 4405 имеет раздутия 4410. Каждый из ступенчатых участков раздутий 4410 дает в результате отражение импульса, которое обеспечивает фильтрацию.

[001207] Конечно, могут быть использованы другие геометрии кроме катушки 4405 и последовательности ступеней 4410 импеданса. Например, фильтр на линии задержки по фигуре 44A-N может использовать первую и вторую параллельные линии вместо единственной показанной линии, со ступенями в каждой линии, чтобы тем самым получить фильтр на двойной линии задержки, где во второй линии задержки посредством последовательности соединителей (не показаны) образуется обратно распространяющаяся волна, и прямая и обратная волны распространяются по двум отдельным линиям. Чтобы добавить узкополосную фильтрацию, в линию задержки могут быть включены резонирующие секции, такие как использующие шлейфы и зазоры, как описано здесь. Вообще, узкополосные фильтры могут быть изготовлены менее затратно с помощью коротких линий задержки, которые используют описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы.

[001208] Фигура 44C-N показывает другой пример более длинного извилистого пути у спирально закрученной линии 4405, где в линию 4405 введены отдельные витки или U-образные петли 4415. Геометрия на фигуре 44C-N может повышать миниатюризацию фильтра. Действительно, дополнительная миниатюризация и фильтрация могут использоваться там, где петли 4415 могут включать в себя ступени, аналогичные ступеням 4410 на фигуре 44B-N. В целом, каждая ступень импеданса вызывает отражение прямо распространяющейся волны, и полосы пропускания возникают, когда отражения конструктивно интерферируют, на тех частотах, где локальные периоды частей линии задержки равны половине длины волны. Дополнительные подробности можно найти, например, в работе Н. Ланкастера и др., ʺMiniature Superconducting Filtersʺ, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, том 44 № 7, 1339 (июль 1996).

[001209] Фильтры, аналогичные фильтру на линии задержки, являются фильтрами на основе замедляющих линий передачи. Такие фильтры зачастую аналогично формируются как длинные линии передачи с извилистым или петляющим маршрутом, с дискретными индукторами и конденсаторами, фактически сформированными по всей длине линии передачи, которые могут заставлять линию действовать аналогично дискретным или сосредоточенным элементам. Такие фильтры линии передачи действуют как резонаторы и предоставляют проектировщику фильтра возможность уменьшать или гасить скорость передаваемых электромагнитных волн посредством импеданса, образованного емкостью и индуктивностью, наведенными по длине линии передачи с помощью узких зазоров между копланарным земляным слоем и линией передачи (в случае емкости) и сужения линии передачи (в случае индуктивности).

Планарные фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами, имеющие модифицированные ЧНС-материалы

[001210] Миниатюризация фильтров может также быть реализована посредством создания планарного фильтра с использованием модифицированных ЧНС-материалов, так что получающееся в результате устройство образует фильтр на элементах с сосредоточенными параметрами или действует аналогично ему. Элементы с сосредоточенными параметрами, по определению, меньше, чем та длина волны, на которой они работают, и поэтому фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами могут быть совсем небольшими при высоких частотах. Причем, так как ширины линий сужают, чтобы добиться большей плотности, описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы преодолевают некоторые из потерь, типично связанных с конечным сопротивлением проводников.

[001211] Обращаясь к фигуре 45A-N, пример полосового заграждающего (режекторного) фильтра на элементах с сосредоточенными параметрами включает в себя входную и выходную проводящие части 4505 и 4510 с отделенной от входной и выходной части зазорами 4515 центральной проводящей частью 4520. Фигура 45B-N показывает укрупнение центральной проводящей части 4520, которое показывает нижнюю проводящую часть 4525 и верхнюю проводящую часть 4530, где нижняя часть включает в себя простирающиеся вверх ʺпальцыʺ 4535, в то время как верхняя часть включает в себя простирающиеся вниз ʺпальцыʺ 4540. Между этими пальцами существуют зазоры, создавая элемент-резонатор.

[001212] Элемент на фигуре 45A-N может работать как переключатель, если прикладывается ток смещения, чтобы переключать фильтр в его нормальное состояние в качестве всечастотного фильтра, тогда как резонанс обеспечивает заграждающую функцию. Дополнительные подробности можно найти, например, в вышеупомянутой книге Н. Ланкастера, например, глава 5.

[001213] Также возможны двухмодовые фильтры, использующие модифицированные ЧНС-материалы. Обращаясь к фигуре 46-N, там показан пример двухмодового фильтра. В целом, двухмодовый микрополосковый резонатор, имеющий небольшое возмущающее влияние, делит вырожденную моду принятого сигнала. В примере на фигуре 46-N входной и выходной контактные выводы 4605 и 4610 соединены с фильтром в сборе, который включает в себя пару двухмодовых резонаторов 4615, изготовленных в виде квадратов, имеющих скошенный или отсутствующий верхний угол 4617. Проводник 4620 соединяет пару резонирующих квадратов 4615, чтобы обеспечивать характеристику фильтра Чебышева. Также добавление второго проводника 4625 обеспечивает характеристику эллиптического фильтра. И хотя показаны сплошные квадраты со скошенным углом, возможны, конечно, и другие геометрии, такие как круги с выступающим шлейфом, кольца, квадратные кольца и т.д.

[001214] Планарные фильтры обеспечивают улучшенную миниатюризацию на определенных частотах, но дополнительная миниатюризация может быть обеспечена помимо использования замедляющих линий передачи, компонентов на элементах с сосредоточенными параметрами и серпантинных/блуждающих, но скомпонованных линий передачи. Как отмечено выше, скорость сигнала может быть уменьшена посредством увеличения индуктивности проводящих линий, таких как линии передачи, в то же время не увеличивая ассоциированную емкость. Внутренние поля в дорожках или линиях, сформированных из ЧНС-материалов, увеличивают индуктивность и выгоду от небольших внешних индуктивностей, например, за счет применения тонких слоев диэлектрика между земляным слоем и сигнальными линиями.

[001215] Кроме того, использование подложек с высокой диэлектрической постоянной может дополнительно уменьшать скорость сигналов для данной частоты. Как отмечено выше, подложки, на которых формируются планарные фильтры, влияют на выходной сигнал фильтров. Точные планарные фильтры могут быть изготовлены с различными добротностями Q с использованием в качестве подложки определенных диэлектрических материалов. Возможно множество подложек. Например, подложки могут принимать вид одного или более из следующего, либо массивных, либо осажденных на другой подложке: аморфного или кристаллического кварца, сапфира, оксида алюминия, LaAlO₃, LaGaO₃, SrTiO₃, ZrO₂, MgO, NdCaAlO₄, LaSrAlO₄, CaYAlO₄, YAlO₃, NdGaO₃, SrLaAlO₄, CaNdAlO₄, LaSrGaO₄, YbFeO₃. Подложка может быть выбрана инертной, совместимой для роста, осаждения или размещения дорожек хорошего качества, сформированных из модифицированных ЧНС-материалов, и иметь желаемые фильтрующие свойства, описанные здесь. Подложки, имеющие высокую диэлектрическую постоянную и используемые с существующими или традиционными фильтрами, могут аналогично давать хорошие подложки для описанных здесь фильтров.

Фильтры акустических волн с модифицированными ЧНС-материалами

[001216] Модифицированные ЧНС-материалы могут быть нанесены на определенные подложки, такие как пьезоэлектрические подложки, чтобы создавать устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) или объемных акустических волнах (ОАВ). ПАВ- и ОАВ-устройства могут работать как фильтры, поскольку акустическая волна, движущаяся по поверхности определенной подложки (в случае ПАВ-устройства) или сквозь определенную подложку (в случае ОАВ-устройства), экспоненциально затухает в подложке. ОАВ-устройства расходуют энергию от одной поверхности материала, сквозь объем или большую часть материала и до другой поверхности, и эти устройства могут минимизировать величину плотности энергии на поверхности; ПАВ-устройства вместо этого фокусируют энергию на поверхности материала, что может делать такие устройства более чувствительными.

[001217] Пример устройства 4700 на акустических волнах показан на фигуре 47-N, которое может быть применено в фильтре или в качестве резонирующего контура. Устройство 4700 является ОАВ-устройством, которое включает в себя входную линию 4705 и выходную линию 4710, которые соответственно соединены с входным электродом 4715 и выходным электродом 4720. Линии и электроды могут быть сконструированы из или включают в себя описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Электроды имеют помещенный между ними пьезоэлектрический материал 4725. Материал 4725 может быть выполнен из кварца, танталата лития, ниобата лития, арсенида галлия, карбида кремния, лангасита, оксида цинка, нитрида алюминия, титаната циркония-свинца, поливинилиденфторида или других материалов. Кварц зачастую предпочтителен, поскольку проектировщик фильтра может выбирать температурную зависимость материала на основе угла среза кварца.

[001218] Устройство 4700 может называться пьезоэлектрическим резонатором с колебаниями сдвига, поскольку напряжение, приложенное между электродами 4715 и 4720, приводит к сдвиговой деформации материала 4725. Материал резонирует, когда создаются электромеханические стоячие волны, и сдвиг максимизируется на лицевых сторонах материала, на которых расположены электроды. Хотя оно показано в форме диска на фигуре 47-N, возможна, конечно, любая другая конфигурация, например, пластина. Если оно сконструировано в виде пластины, устройство 4700 может работать как датчик колебания горизонтального сдвига акустической пластины, имеющий относительно тонкую пьезоэлектрическую подложку, помещенную между двумя пластинами, одна из которых включает в себя встречно-гребенчатый преобразователь (обсуждается ниже).

[001219] Другое устройство на акустических волнах показано на фигуре 48-N в качестве устройства 4800 на поверхностных акустических волнах. Устройство 4800 включает в себя пару входных линий 4805 и 4810, которые подают напряжение к входному преобразователю 4815, сформированному на материале 4820 подложки. Материал 4820 подложки может быть сформирован из любого из вышеупомянутых материалов, описанных относительно материала 4725 для устройства 4700. При приложении напряжения к входному преобразователю 4815, входной преобразователь преобразует энергию электрического поля в механическую волновую энергию 4825 в виде акустической волны, которая движется к выходному преобразователю 4840, который имеет выходные контактные выводы 4830 и 4835. Выходной преобразователь затем преобразует полученную механическую энергию обратно в электрическое поле, которое прикладывается к выходным контактным выводам 4830 и 4835. Входной и выходной преобразователи 4815 и 4840 могут быть сформированы как встречно-гребенчатые преобразователи, которыми могут быть входящие друг в друга ʺпальцыʺ проводящего материала, такого как описанные здесь ЧНС-материалы, нанесенного на поверхность материала 4820 подложки.

[001220] Акустические волны различаются, прежде всего, по их скоростям и направлениям сдвига, и возможно множество комбинаций в зависимости от материала, использованного в качестве материала 4725 или материала 4820 подложки. (Пограничные условия также влияют на распространение акустической волны). Чувствительность устройств 4700 и 4800 зачастую пропорциональна количеству энергии, сгенерированной на входе, обнаруженной на выходе и перенесенной промежуточным материалом. С помощью описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов могут быть реализованы улучшенные устройства на акустических волнах, поскольку, например, потери на входе и выходе устройств сильно минимизируются.

[001221] ПАВ-устройства зачастую используются с радиочастотными фильтрами, где задержанный выходной сигнал на выходных контактных выводах перекомпоновывается, чтобы создавать фильтр с конечной импульсной характеристикой или дискретный фильтр. ОАВ-устройства могут быть использованы, чтобы реализовывать решетчатые или многозвенные фильтры.

Резонаторные фильтры с модифицированными ЧНС-материалами

[001222] Хотя вышеупомянутые фильтры в целом описаны как использующие модифицированные ЧНС-материалы, осажденные в качестве плоских токопроводящих путей, полосковых дорожек-линий передачи и т.д., их геометрии не обязаны быть плоскими. Вместо этого, модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы во множественных трехмерных конфигурациях, таких как часть коаксиальных конструкций, волноводов или других структур. Одним примером является использование модифицированных ЧНС-материалов в резонаторных фильтрах, простой пример которого показан на фигуре 49-N. Резонаторные фильтры пропускают желаемую частоту, в то же время, отбрасывая другие частоты, и поэтому действуют как полосовые или узкополосные режекторные фильтры. Резонаторные фильтры также применяются в качестве дуплексеров.

[001223] Как показано, резонаторные фильтры 4900 включают в себя входную и выходную линии 4910 и 4915, соединенные соответственно с входной и выходной петлями 4920 и 4925. Петли расположены в полости 4905, которая показана как цилиндр со срезанной передней частью. Полость также включает в себя резонатор, показанный как центральный цилиндр 4930. Центральный резонатор - это типично диэлектрический элемент, который является настраиваемым посредством настроечного элемента (не показан), чтобы регулировать емкость или импеданс элемента и, тем самым, создавать желаемый резонанс между емкостью центральной части 4930 и индуктивностью петель 4920, 4925.

[001224] Полость 4905 помогает ограничивать колеблющееся электрическое поле, но в резонаторном фильтре 4900 возникают потери. Эти потери типично имеют место вследствие конечной проводимости стенок полости. Изготавливая полость 4905 из описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов, такие потери можно сильно минимизировать, тем самым уменьшая затухание колеблющегося поля, сгенерированного резонаторным фильтром 4900. В некоторых примерах полость может быть просто сформирована из проводящего или диэлектрического цилиндра, покрытого толстой пленкой, образованной из модифицированного ЧНС-материала.

[001225] Дополнительно, два или более резонаторных фильтров могут быть соединены вместе и связаны, например, посредством соединяющих апертур или внутреннего резонатора с разрезным кольцом, такого как резонатор, сформированный из толстой пленки модифицированного ЧНС-материала. Такие резонаторные фильтры, соединенные вместе, могут давать более точные характеристики фильтра, такие как для использования микроволновыми фильтрами или с другими системами беспроводной передачи. Хотя полость 4905 показана имеющей цилиндрическую конфигурацию, возможно множество других конфигурации, хотя характер моделирования цилиндра проще, чем других более сложных геометрий полости.

[001226] Кроме того, возможны другие типы полых резонаторов, такие как диэлектрические резонаторы, где, например, цилиндр 4930 сформирован из диэлектрического материала и соединен с или опирается на модифицированные ЧНС-материалы в своем основании, все находятся в полости 4905. Уменьшая длину или высоту полости и помещая резонатор на пленку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала, резонатор не нужно подвешивать в полости. Другим типом полого резонатора может быть коаксиальный полый резонатор, винтовой полый резонатор, полости, сконструированные с помощью микрополосковых и полосковых проводников, или копланарные резонаторы. Дополнительные подробности, относящиеся к таким резонаторам, могут быть найдены в вышеупомянутой книге Н. Ланкастера, глава 3.

Дополнительные фильтры с модифицированными ЧНС-материалами или подходящие варианты реализации

[001227] Описанные выше фильтры могут особенно подходить для использования в телекоммуникационных сетях и устройствах, таких как радиочастотные, сотовые, оптические и микроволновые устройства связи. Как отмечалось выше, используя модифицированный ЧНС-материал в таких фильтрах, фильтры обеспечивают на порядки величины меньшее сопротивление, чем лучшие обычные проводники при аналогичных условиях, таким образом давая в результате исключительно высокий коэффициент передачи фильтра - коэффициенты передачи, приближающиеся к коэффициенту передачи идеального фильтра. Дополнительно, такие фильтры могут быть изготовлены в меньших или более компактных формах.

[001228] Действительно, многие из описанных выше фильтров могут быть сформированы с помощью микрополосковой технологии на подложках, включая полупроводниковые пластины, подложки SiP и т.д. Таким образом, многие из фильтров могут быть изготовлены с помощью тонкопленочных технологий производства, многие из которых описаны здесь и все из которых являются общепринятыми при изготовлении полупроводниковых кристаллов. Многие из фильтров, применяющих модифицированные ЧНС-материалы, могут быть изготовлены как однослойные устройства, и, таким образом, технологические этапы для создания таких фильтров упрощаются, включая только: фотолитографию, ионное травление, контактную металлизацию и разрезание полупроводниковой пластины на кристаллы (или их эквиваленты). В некоторых примерах кристалл может быть изготовлен с помощью некоторых из технологий производства наименьшего масштаба, таких как 1,3-нанометровая технология, которая может оставлять больше места на кристалле для дополнительных фильтров или других схем. При большем уплотнении разработчики схем имеют меньше ограничений, основанных на проблемах топологии или расстояний, что может предоставлять возможность более быстрой разработки кристаллов, среди прочих преимуществ.

[001229] Некоторые из описанных здесь фильтров могут быть монолитно интегрированы на одном кристалле, зачастую с другими компонентами, такими как РЧ-компоненты, аналоговые схемы и т.д. Применяя находящиеся на кристалле фильтры, кристалл может очевидно получать преимущество от улучшенной производительности. Применяя модифицированные ЧНС-материалы в кристалле, кристалл может достигать большей плотности схем, среди прочих преимуществ. Например, применяя модифицированные ЧНС-материалы, кристалл может работать с меньшей теплоотдачей и может использовать более тонкие линии. При меньшем токе, проходящем по каждой линии, могут быть уменьшены эффекты ЭДС на соседние линии, на фильтр и на другие схемы. Межсоединения могут также быть изготовлены из ЧНС-материалов. Более того, сигналы могут передаваться без усиления, поскольку потери на линиях значительно уменьшаются.

[001230] Как отмечено выше, модифицированный ЧНС-материал имеет характеристики, которые зависят от температуры. В результате, описанные здесь фильтры, использующие модифицированный ЧНС-материал, аналогично зависят от температуры. Изменение температуры влияет на проникновение поля в полосковые проводники, а это влияет на глубину проникновения магнитного потока, как описано выше. Такие изменения модифицированного ЧНС-материала могут быть смоделированы на основе характера зависимости температура - отклик у модифицированных ЧНС-материалов, которые описаны здесь, или могут быть получены эмпирически. А именно, за счет использования модифицированных ЧНС-материалов, сопротивление линии пренебрежимо мало, но это сопротивление может регулироваться на основе температуры, как показано на приведенных здесь температурных графиках. Следовательно, конструкция фильтра может быть скорректирована, чтобы компенсировать температуру, или выходной сигнал фильтра может регулироваться посредством изменения температуры.

[001231] Обращаясь к фигуре 50-N, показан пример системы 5000, которая включает в себя схемы 5010, соединенные со схемой 5015 регулирования температуры, и логику 5020. (Хотя блоки показаны как взаимосвязанные на фигуре 50-N, возможно меньшее или большее количество соединений). Схема 5010 использует один или более описанных здесь фильтров, которые по меньшей мере частично сформированы из модифицированного ЧНС-материала. Логика управляет схемой регулирования температуры, которая, в свою очередь, управляет охладителем/рефрижератором, который охлаждает схемы 5010. Таким образом, чтобы увеличивать чувствительность или отклик системы 5000, логика 5020 сигнализирует схеме 5015 регулирования температуры понизить температуру схем 5010. В результате, схемы 5010, использующие ЧНС-материал, заставляют модифицированный ЧНС-материал увеличивать электропроводность, тем самым увеличивая чувствительность или отклик схемы.

[001232] Хотя здесь были в общем описаны определенные фильтры, возможно множество других фильтров. Например, модифицированные ЧНС-материалы могут быть включены в состав настраиваемых фильтров, в дополнение к полым резонаторам и другим фильтрам, описанным выше. Модифицированные ЧНС-материалы могут быть реализованы в фильтрах на переключаемых конденсаторах, или равномерных гранатных фильтрах, атомных фильтрах или других аналоговых фильтрах.

[001233] Хотя показаны отдельные фильтры, фильтры могут быть состыкованы вместе, образуя блоки фильтров, мультиплексоры или другие более сложные системы фильтров, преобразователи сигналов или массивы. Как и с другими категориями фильтров, обсужденными здесь, возможны многочисленные конфигурации массивов фильтров, которые являются конструктивными соображениями для разработчика фильтра, реализующего массив фильтров или многофильторную систему, который(ая) по меньшей мере частично сформирован(а) из модифицированного ЧНС-материала. Описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных системах фильтров, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь фильтров и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны. Действительно, такие сложные системы фильтров могут использовать два или более различных или разнородных фильтра, а не просто аналогичные или однородные фильтры. Такая система или массив фильтров может включать в себя относительно однородные фильтры, все из которых сформированы из модифицированного ЧНС-материала, или разнородное сочетание различных типов фильтров, некоторые фильтры сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинацию различающихся фильтров и различающихся материалов. Таким образом, сложные системы или массивы фильтров могут применять два или более фильтра, образованных из двух или более однородных фильтров, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, двух или более разнородных фильтров, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, и/или двух или более однородных/разнородных фильтров, сформированных как из традиционных проводников, так и модифицированного ЧНС-материала.

[001234] Хотя здесь описаны конкретные примеры фильтров, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из модифицированных ЧНС-материалов, обычный специалист в данной области техники поймет, что фактически любая конфигурация фильтра может использовать компоненты, которые сформированы по меньшей мере частично из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, принимать сигналы или передавать, или модифицировать, или формировать электромагнитные сигналы. Известные фильтры и системы фильтров широко используют проводящие элементы и другие элементы, некоторые из которых перечислены выше. (Хотя модифицированный ЧНС-материал может быть использован с любыми проводящими элементами в цепи, может быть более уместно констатировать, в зависимости от определения термина ʺпроводящийʺ, что модифицированный ЧНС-материал способствует распространению энергии или сигналов по своей длине или площади). В результате, невозможно перечислить в исчерпывающих деталях все возможные фильтры и системы фильтров, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001235] Хотя подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых фильтров, возможны многочисленные другие геометрии. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине, в дополнение к отличиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур. Авторы изобретения предполагают, что фактически все фильтры и относящиеся к ним системы, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и считают, что обычный специалист в данной области техники, которому в этой заявке предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, фильтров и принципов, сможет реализовать, без лишнего экспериментирования, другие фильтры с одним или более компонентами, сформированными целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов, хотя некоторые неизвестные преимущества модифицированного ЧНС-материала могут не быть очевидны без предварительного исследования, чтобы испытать эти изобретения, описанные здесь.

[001236] В некоторых вариантах реализации фильтр, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[001237] Фильтр, содержащий: подложку; проводящую входную линию, сформированную на подложке, при этом проводящая входная линия выполнена с возможностью принимать входной сигнал; проводящую выходную линию, сформированную на подложке, при этом проводящая выходная линия выполнена с возможностью выводить фильтрованный сигнал; и один или более токопроводящих путей, сформированных на подложке, при этом упомянутые один или более токопроводящих путей сформированы между проводящей входной линией и проводящей выходной линией и обеспечивают электромагнитную связь между проводящей входной линией и проводящей выходной линией, при этом упомянутые один или более токопроводящих путей имеют геометрию, образованную для обеспечения функции фильтрации принятого входного сигнала, при этом функция фильтрации реализована на желаемой частоте или в диапазоне частот, при этом по меньшей мере часть проводящей входной линии, проводящей выходной линии или упомянутых одного или более токопроводящих путей образована из модифицированного пути с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и при этом модифицированный ЧНС-путь сформирован из первого слоя, состоящего из ЧНС-материала, и второго слоя, состоящего из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001238] Способ изготовления фильтра, содержащий: формирование токопроводящего пути на подложке с использованием модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированная ЧНС-пленка включает в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя; при этом токопроводящий путь имеет геометрию, предназначенную для функции фильтрации принятого электромагнитного сигнала, и при этом фильтрация принятого сигнала реализована для по меньшей мере одной желаемой частоты или диапазона частот.

[001239] Фильтр, содержащий: один или более токопроводящих путей, сформированных на подложке, причем эти один или более токопроводящих путей имеют геометрию, образованную для обеспечения функции фильтрации принятого входного сигнала, при этом функция фильтрации реализована на желаемой частоте или в диапазоне частот, при этом по меньшей мере часть упомянутых одного или более токопроводящих путей состоит из проводящего материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части.

[001240] Фильтр, содержащий: подложку; и извилистый токопроводящий путь, сформированный на подложке, при этом извилистый токопроводящий путь содержит множество изгибов, сформированных на практически непрерывном протяжении извилистого токопроводящего пути, чтобы образовать линию задержки или фильтр на линии медленной передачи, при этом извилистый токопроводящий путь содержит модифицированную пленку с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) для обеспечения чрезвычайно низкого сопротивления входному электромагнитному сигналу, и при этом модифицированная ЧНС-пленка включает в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001241] Фильтр, содержащий: по меньшей мере два электрических элемента, соединенных последовательно или параллельно, при этом по меньшей мере один из электрических элементов является индуктивным элементом или емкостным элементом; при этом индуктивный элемент накапливает энергию в магнитном поле и содержит модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме петли или катушки, и при этом емкостной элемент накапливает энергию в электрическом поле и содержит модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в виде по меньшей мере двух разнесенных проводников, и при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

[001242] Элемент фильтра, содержащий: пьезоэлектрический материал; входной проводник, сформированный на первой части пьезоэлектрического материала; и выходной проводник, сформированный на второй части пьезоэлектрического материала, при этом первая и вторая части расположены на расстоянии друг от друга, обеспечивая разделяющую область пьезоэлектрического материала, при этом по меньшей мере один из входного и выходного проводников включает в себя модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

[001243] Элемент фильтра, содержащий: первый и второй проводящие контуры; резонатор; и проводящую оболочку для огораживания первого и второго проводящих контуров и резонатора, при этом проводящая оболочка выполнена с возможностью резонировать с электромагнитной волной по меньшей мере одной частоты, при этом по меньшей мере одно из резонатора, проводящей оболочки и первого и второго проводящих контуров по меньшей мере частично сформированы из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

[001244] Система фильтра, содержащая: множественные элементы фильтра, при этом каждый элемент фильтра содержит один или более токопроводящих путей, сформированных на подложке, причем эти один или более токопроводящих путей имеют геометрию, образованную для обеспечения функции фильтрации принятого входного сигнала, при этом функция фильтрации реализована на желаемой частоте или в диапазоне частот, при этом по меньшей мере часть упомянутых одного или более токопроводящих путей состоит из первого материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части, и при этом каждый из упомянутых одного или более токопроводящих путей совместно обеспечивают комбинированную функцию фильтра.

[001245] Система, содержащая: антенну; логическую или аналоговую схему; и по меньшей мере один элемент фильтра, подключенный между антенной и логической или аналоговой схемой, при этом элемент фильтра содержит один или более токопроводящих путей, причем эти один или более токопроводящих путей имеют геометрию, образованную для обеспечения функции фильтрации принятого входного сигнала, при этом функция фильтрации реализована на желаемой частоте или в диапазоне частот, при этом по меньшей мере часть упомянутых одного или более токопроводящих путей состоит из проводящего материала, сформированного из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первой части.

Глава 14. Антенны, сформированные из ЧНС-материалов

[001246] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-O по 56-O; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001247] Здесь описываются различные типы антенн, использующих пленки и материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), такие как модифицированные, щелевые, и/или другие новые ЧНС-материалы. В случае некоторых типов антенн, описанных ниже, антенны включают в себя подложку, на которой сформированы или размещены пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник, и причем эти пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник использует модифицированный ЧНС-материал. Спроектированы другие типы антенн, где определенные компоненты антенн используют модифицированный ЧНС-материал. В некоторых примерах модифицированные ЧНС-материалы изготавливают, исходя из типа материалов, применения модифицированного ЧНС-материала, размера компонента/элемента, использующего модифицированный ЧНС-материал, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей модифицированный ЧНС-материал, и т.д. По сути, во время разработки и производства антенны материал, используемый в качестве базового слоя (например, немодифицированный ЧНС-материал) модифицированного ЧНС-материала, и/или материал, используемый в качестве модифицирующего материала модифицированного ЧНС-материала, может быть выбран на основе различных факторов и желаемых рабочих и/или технологических характеристик.

[001248] Фигура 37-O является принципиальной схемой эквивалентной цепи антенны. Эквивалентная цепь антенны может быть смоделирована как последовательная комбинация сопротивления 3702 излучения, сопротивления 3704 потерь и реактивного сопротивления 3706. Например, реактивное сопротивление короткодипольной антенны может быть смоделировано как емкость, а реактивное сопротивление малой рамочной антенны может быть смоделировано как индуктивность. Сопротивление 3702 излучения может рассматриваться как эквивалентное сопротивление, так что любая рассеиваемая на нем мощность будет фактически представлять излучаемую мощность. Сопротивление 3704 потерь обусловлено потерями к проводниках в самом элементе антенны.

[001249] По мере того как уменьшается размер антенны (относительно длины волны), сопротивление потерь и сопротивление излучения также уменьшаются. Однако, сопротивление излучения уменьшается гораздо более быстро. В некоторый момент, особенно в электрически небольших антеннах, сопротивление потерь будет более доминирующим, чем сопротивление излучения, и антенна станет слишком неэффективной для практического применения. Но, формирование элемента антенны из модифицированного ЧНС-материала уменьшит сопротивление потерь и позволит антеннам меньшего размера быть более эффективными, среди прочих преимуществ.

[001250] Существуют различные эмпирические правила, чтобы считать антенну электрически малой. Наиболее общим, но не исключительным, определением является то, что наибольший размер антенны не должен быть больше одной десятой длины волны (т.е. λ). Таким образом, диполь с длиной λ/10, контур с диаметром λ/10 или излучатель с диагональным размером λ/10 будут считаться электрически малыми. Это определение не делает различия между различными способами, используемыми для конструирования электрически малых антенн. В действительности, основная часть работы над этими антеннами подразумевает выбор топологий, подходящих для конкретных вариантов применения и разработку внутренних или внешних согласующих цепей.

[001251] В некоторых примерах антенными элементами короткодипольной или малой рамочной антенны могут быть пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник, сформированные или размещенные на подложке, и причем эти пленка, лента, фольга, провод, нанопровод, дорожка или другой проводник используют модифицированный ЧНС-материал. Антенны, особенно подходящие для использования описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов, являются микрополосковыми антеннами, которыми могут быть проводящие дорожки, сформированные на диэлектрической подложке, такой как печатная плата; однако микрополосковые антенны могут быть изготовлены в гораздо меньших масштабах и на меньших подложках, даже с помощью полупроводниковых процессов производства и других нанотехнологий.

[001252] Фигура 38-O является схемой, иллюстрирующей поперечное сечение элемента 3800 микрополосковой антенны, сформированного, по меньшей мере частично, из модифицированного ЧНС-материала, такого как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и сформированный на базовом слое модифицирующий слой. Различные подходящие пленки, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов, описываются подробно здесь. Как показано в примере на фигуре 38-O, элемент 3800 антенны включает в себя базовый слой 3804 ЧНС-материала и модифицирующий слой 3806, сформированный на базовом слое 3804. Элемент антенны может быть сформирован на подложке 3802, например, печатной плате, диэлектрической подложке интегральной схемы или любом другом диэлектрическом материале (включая воздух). Заземленный экран 3808 осажден на противоположной стороне диэлектрической подложки 3802. В некоторых примерах заземленный экран может также быть сформирован из модифицированного ЧНС-материала. Будучи сформированным из модифицированного ЧНС-материала, элемент 3800 антенны оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока в проводящем пути при температурах более высоких, чем используемые в традиционных ВТСП-материалах, таких как 150K, комнатные или окружающие температуры (294K), или другие температуры, описанные здесь.

[001253] Материал или размеры подложки 3802 могут выбираться на основе множества факторов. Например, выбор материала подложки на основе ее размеров и диэлектрической постоянной может помогать согласовывать входной импеданс антенны с импедансом системы или может улучшать диапазон частот и эффективность антенны. Специалист в данной области техники поймет, что подложка может быть сформирована из ряда различных материалов и с рядом различных форм для того, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[001254] Возможно множество материалов подложки. Например, подложки могут принимать вид одного или более из следующего, либо массивных, либо осажденных на другой подложке: аморфного или кристаллического кварца, сапфира, оксида алюминия, LaAlO₃, LaGaO₃, SrTiO₃, ZrO₂, MgO, NdCaAlO₄, LaSrAlO₄, CaYAlO₄, YAlO₃, NdGaO₃, SrLaAlO₄, CaNdAlO₄, LaSrGaO₄, YbFeO₃. Подложка может быть выбрана инертной, совместимой для роста, осаждения или размещения модифицированных ЧНС-материалов хорошего качества и иметь желаемые свойства, описанные здесь. Подложки, имеющие высокую диэлектрическую постоянную и используемые с существующими или традиционными антеннами, могут аналогично давать хорошие подложки для описанных здесь антенн.

[001255] Фигура 39-O является схемой, иллюстрирующей короткодипольную антенну и ее соответствующую согласующую цепь, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Антенна и согласующая цепь сформированы из модифицированного ЧНС-материала на диэлектрической подложке 3902. На другой стороне диэлектрической подложки 3902 сформирован заземленный экран 3906. В некоторых примерах заземленный экран может также быть сформирован из модифицированного ЧНС-материала. Антенна содержит горизонтальные компоненты 3904, которые соединены с питающей линией 3908 системы через токопроводящие пути 3910. Токопроводящие пути 3910 вместе с шлейфовой секцией 3912 образуют согласующую цепь для дипольной антенны. Конечно, возможны многие другие конфигурации антенны и согласующей цепи, которые являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего небольшую дипольную антенну, сформированную из модифицированного ЧНС-материала.

[001256] Фигура 40-O является схемой, иллюстрирующей малую рамочную антенну и ее соответствующую согласующую цепь, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Антенна и согласующая цепь сформированы из модифицированного ЧНС-материала на диэлектрической подложке 4002. На другой стороне диэлектрической подложки 4002 сформирован заземленный экран 4006. В некоторых примерах заземленный экран может также быть сформирован из модифицированного ЧНС-материала. Антенна содержит контур (рамку) 4004 из модифицированного ЧНС-материала, который(ая) соединен(а) с питающей линией 4008 системы через токопроводящие пути 4010. Токопроводящие пути 4010 вместе с конденсатором 4012 образуют согласующую цепь для дипольной антенны. Хотя конденсатор на фигуре 40-O показан как дискретный элемент, емкость согласующей цепи может также быть сформирована с использованием принципов микрополосковых линий.

[001257] Хотя малые рамочные и дипольные антенны выше описываются как сформированные на подложке с помощью технологии микрополосковых линий, могут быть использованы другие методы, чтобы реализовать структуру антенны из модифицированного ЧНС-материала. Например, рамочная или дипольная антенна может быть сформирована из модифицированного ЧНС-нанопровода без размещения на подложке.

[001258] Фигуры 41-O, 42-O и 43-O являются другими примерами микрополосковых антенн. Как и с дипольными и рамочными антеннами, описанными выше, микрополосковые антенны, которые миниатюризированы для использования в мобильных применениях, менее эффективны, чем более крупные патч-антенны, вследствие потерь на сопротивление. Формирование элементов антенны из модифицированных ЧНС-материалов уменьшает эти потери на сопротивление, так что меньшие структуры антенн достаточно эффективны. Фигура 41-O является примером типичной микрополосковой патч-антенны. Антенна сформирована на диэлектрической подложке 4102, которая отделяет антенный элемент 4104 от заземленного экрана 4106. В примере на фигуре 41-O сигнал подается к/от антенны через краевую цепь 4108 питания. Обычный специалист поймет, что могут быть использованы другие конфигурации цепи питания, например, зондовый возбудитель, вставка возбудителя по краю, зондовый возбудитель с зазором, пограничный возбудитель с зазором, двухслойный возбудитель и соединенный с апертурой возбудитель, среди прочего.

[001259] Фигура 42-O является примером микрополосковой H-антенны, которая по сравнению с обычной патч-антенной может быть значительно меньше, в то же время демонстрируя аналогичные рабочие характеристики. Антенна сформирована на диэлектрической подложке 4202, которая отделяет антенный элемент 4204 от заземленного экрана 4206. H-антенна, в примере на фигуре 42-O, запитывается цепью 4208 зондового возбудителя, но может запитываться любым числом подходящих цепей питания.

[001260] Фигура 43-O является примером антенны в форме меандровой линии. Как подсказывает название, антенный элемент 4304 сформирован в форме меандровой линии на подложке 4302, которая отделяет антенный элемент от заземленного экрана 4306. Антенна в форме меандровой линии может быть спроектирована как очень маленькая, узкополосная антенна или может быть спроектирована как более широкополосная антенна, имеющая множественные резонансные частоты.

[001261] Конечно, возможны многие другие конфигурации антенны и согласующей цепи, которые являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего антенну, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Безусловно, принципы, которые определяют конструкцию традиционных антенн и согласующих цепей, могут быть применены к генерирующим антеннам, использующим описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Таким образом, хотя показаны некоторые геометрии антенны, конечно, возможно множество других геометрий.

[001262] Хотя в общем описано выше как электрически малая антенна, изобретение включает в себя любой тип антенны, а не обязательно электрически малые антенны. Например, любая из описанных выше (и ниже) антенн может иметь отрезок проводника, по меньшей мере частично сформированный из модифицированного ЧНС-материала. Альтернативно или дополнительно, модифицированный ЧНС-материал может быть сформирован или нанесен по длине проводника или вдоль любой жесткой, удлиненной структуры, имеющей геометрию, необходимую для обеспечения функций антенны. Такая структура может быть сформирована из проводящего материала, диэлектрического материала или как из проводящего, так и диэлектрического материалов.

[001263] Хотя подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых антенн, возможны многочисленные другие геометрии. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или компоновки по длине и/или ширине, в дополнение к отличиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур.

Резонансные антенны с модифицированными ЧНС-материалами

[001264] Резонансная антенна является антенной, которая хорошо работает на одной частоте или в узком диапазоне частот. Резонансные антенны по длине типично находятся в диапазоне половины длины волны. Как описано выше, электрически более крупные антенны относительно эффективны по сравнению с их миниатюрными версиями. Резонансные антенны, выполненные из традиционных проводящих материалов, являются более эффективными, чем миниатюризированные антенны, используемые на той же частоте. Однако, улучшения характеристик, такие как более высокий коэффициент полезного действия (кпд) излучения антенны и более высокие коэффициенты усиления, могут все еще быть достигнуты посредством реализации или модификации конструкций резонансных антенн с использованием модифицированных ЧНС-материалов.

[001265] Резонансные антенны могут быть выполнены в почти бесконечном числе конфигураций. Например, микрополосковые антенны, аналогичные обсужденным выше со ссылкой на фигуры с 41-O по 43-O антеннам, могут работать как резонансные антенны на определенной частоте, где резонансная частота антенны зависит от размера элемента антенны.

[001266] В дополнение к подложкам, в некоторых примерах резонансные антенны сформированы из проводов или других проводников, не сформированных на подложке. Фигура 44-O является схемой примерной дипольной антенны, сформированной из модифицированного ЧНС-материала. Пример антенны на фигуре 44-O включает в себя два разомкнутых проводника 4402 и 4404, сформированных из модифицированного ЧНС-материала, соединенных с цепью питания (не показана). В некоторых примерах полуволновой диполь может быть сформирован из одного проводника с длиной в половину длины волны, причем цепь питания соединена с проводником в центральной точке. В других примерах длина проводника или проводников может регулироваться, относительно длины волны, с эффектом изменения диаграммы направленности излучения антенны.

[001267] Фигура 45-O является схемой примерной V-образной дипольной антенны, сформированной из модифицированного ЧНС-материала. V-образный диполь образован из двух разомкнутых проводников 4502 и 4504, например, разомкнутой линии передачи, причем проводники расположены относительно друг друга под углом 4506. Фигура 46-O является схемой примерной петлевой симметричной вибраторной антенны, сформированной из модифицированного ЧНС-материала. Петлевой симметричный вибратор образован из одного проводника 4602 в форме узкой петли.

[001268] Конечно, возможны многие другие конфигурации антенны, которые являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего резонансную антенну, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Безусловно, принципы, которые определяют конструкцию традиционных антенн и согласующих цепей, могут быть применены к генерирующим антеннам, использующим описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Таким образом, хотя показаны некоторые геометрии антенны, конечно, возможно множество других геометрий.

Широкополосные антенны с модифицированными ЧНС-материалами

[001269] Широкополосные антенны, т.е. те, которые эффективно работают в широком диапазоне частот, могут также получить выгоду от формирования из модифицированного ЧНС-материала. Как и с другими антеннами, обсужденными выше, широкополосные антенны страдают от потерь вследствие сопротивления материалов, используемых для формирования элементов антенны. Потери в антенном элементе широкополосной антенны типично являются функцией частоты и ограничивают кпд антенны на низких частотах. Если сопротивление элемента антенны уменьшается посредством формирования элемента антенны из модифицированного ЧНС-материала, то антенна становится более эффективной в более широком диапазоне частот.

[001270] Фигура 47A-O является схемой примерной ленточной дипольной антенны, сформированной из модифицированного ЧНС-материала. Ленточный диполь включает в себя пару широких, плоских проводников 4702 и 4704, соединенных с передатчиком/приемником/приемопередатчиком 4706. Ширина проводников улучшает диапазон частот антенны по сравнению с традиционной дипольной антенной, описанной выше. В некоторых примерах ширина проводника может меняться, дополнительно улучшая диапазон частот антенны. Например, антенна в форме галстука-бабочки на фигуре 47B-O включает в себя пару проводников 4712 и 4714, которые становятся шире по мере того, как они отходят дальше от передатчика/приемника/приемопередатчика 4716. Эффективный диапазон частот как ленточной антенны, так и антенны в форме галстука-бабочки может быть увеличен посредством формирования элементов антенны из модифицированного ЧНС-материала. В некоторых примерах элементы антенны сформированы на диэлектрической подложке, как описано здесь.

[001271] Другие конфигурации элементов антенны дополнительно улучшают диапазон частот. Например, спиральная антенна по фигуре 48-O включает в себя пару дополняющих антенных элементов 4802 и 4804, которые дают очень широкий диапазон частот. Как и с другими широкополосными антеннами, обсужденными здесь, эффективный диапазон частот может быть дополнительно увеличен посредством формирования элементов спиральной антенны из модифицированных ЧНС-материалов.

[001272] Конечно, как и с другими категориями антенн, обсужденных здесь, возможны многие конфигурации широкополосных антенн, которые являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего широкополосную антенну, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Безусловно, принципы, которые определяют конструкцию традиционных широкополосных антенн, могут быть применены к генерирующим антеннам, использующим описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Таким образом, хотя показаны некоторые геометрии антенны, конечно, возможно множество других геометрий.

Апертурные антенны с модифицированным ЧНС-материалом

[001273] Другой структурой антенны, которая может извлекать выгоду из формирования, или частичного формирования, из модифицированных ЧНС-материалов является апертурная антенна. Частью структуры апертурной антенны является апертура антенны, сквозь которую проходят электромагнитные волны. Через эту апертуру апертурная антенна, работающая в качестве приемника, собирает волны. Типично, апертурные антенны являются антеннами, излюбленными для тех вариантов применения, которые требуют очень высокого коэффициента усиления. Как и с другими антеннами, обсужденными здесь, традиционные апертурные антенны страдают от омических потерь вследствие сопротивления материалов, используемых для формирования структуры антенны. Формирование структуры антенны из модифицированных ЧНС-материалов уменьшает эти омические потери и улучшает кпд антенны.

[001274] Фигура 49-O является схемой поперечного сечения апертуры антенны, сформированной из модифицированного ЧНС-материала. Апертура 4902 антенны образована базовым слоем 4904 ЧНС-материала и модифицирующим слоем 4906, сформированным на базовом слое. Хотя апертура 4902 антенны в примере на фигуре 49-O показана как прямоугольная, обычный специалист поймет, что апертура антенны может быть образована с другими геометрическими формами на основе известных принципов проектирования.

[001275] Фигура 50-O является схемой поперечного сечения апертуры антенны, частично сформированной из модифицированного ЧНС-материала. В примере на фигуре 50-O апертура 5002 антенны образована традиционным материалом 5004, например, алюминием или слоем диэлектрика. Поскольку электромагнитные волны распространяются внутри апертуры антенны, апертура антенны может быть облицована модифицированным ЧНС-материалом, чтобы уменьшать связанные с традиционным материалом омические потери. Модифицированный ЧНС-материал включает в себя базовый слой 5006 ЧНС-материала и модифицирующий слой 5008, сформированный на базовом слое.

[001276] В некоторых примерах (иначе не проиллюстрированных) могут быть использованы различные варианты расположения модифицированного ЧНС-материала. Например, относительно фигуры 49-O, размещение базового слоя 4904 ЧНС-материала относительно модифицирующего слоя 4906 может быть поменяно местами. Другими словами, в этих примерах базовый слой 4904 может быть осажден на внутреннюю сторону апертуры антенны, а модифицирующий слой 4906 может быть осажден на внешнюю сторону апертуры антенны. Аналогично, относительно фигуры 50-O, размещение базового слоя 5006 ЧНС-материала может быть поменяно местами с модифицирующим слоем 5008.

[001277] Фигура 51-O является схемой примерной рупорной антенны, сформированной, по меньшей мере частично, из модифицированного ЧНС-материала, как описано на фигурах 49-O и 50-O. Апертура 5102 рупорной антенны на фигуре 51-O образована посредством расширения сторон волновода 5106, который возбуждает рупорную антенну, образуя рупорную секцию 5104. В примере на фигуре 51-O волновод расширяется в обоих направлениях. Однако, в других примерах, волновод может расширяться только в одном направлении, в то же время, сохраняя размеры волновода в другом направлении. Другие формы и конфигурации апертурных антенн могут также извлекать выгоду из уменьшения омических потерь, реализованного посредством формирования антенны, по меньшей мере частично, из модифицированного ЧНС-материала.

[001278] Другим типом апертурной антенны, который может извлекать выгоду из уменьшенных потерь из-за формирования структуры из модифицированных ЧНС-материалов, является отражающая антенна. Системы отражающих антенн зачастую используются в тех вариантах применения, которые требуют высокого коэффициента усиления. Фигура 52-O является схемой поперечного сечения отражающей антенны, сформированной из модифицированного ЧНС-материала. Система антенны включает в себя отражатель 5202 и облучатель 5204. Облучателем может быть множество типов антенн, например, любой из антенных элементов, описанных здесь среди прочих, любой из которых может быть сформирован из или облицован модифицированным ЧНС-материалом. В некоторых примерах отражатель сформирован полностью из модифицированного ЧНС-материала. В других примерах, как показано на фигуре 52-O, отражатель облицован слоем 5206 модифицированного ЧНС-материала.

[001279] Конечно, как и с другими категориями антенн, обсужденных здесь, возможны многие конфигурации апертурных антенн, которые являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего апертурную антенну, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Безусловно, принципы, которые определяют конструкцию традиционных широкополосных антенн, могут быть применены к генерирующим антеннам, использующим описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Таким образом, хотя показаны некоторые геометрии антенны, конечно, возможно множество других геометрий.

Антенные решетки, имеющие элементы антенны, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов

[001280] Зачастую множественные элементы антенн выполняют в виде решетки, чтобы получить диаграмму направленности излучения, которая соответствует определенному назначению. Например, фигура 53A-O является схемой примерной решетки патч-антенн. Решетка включает в себя патч-антенны 5302-5308, сформированные из модифицированного ЧНС-материала. Решетка патч-антенн 5302-5308 может возбуждаться цепью питания, показанной схематично как 5310. Цепь питания, аналогично патч-антеннам, может быть сформирована из ЧНС-материала. В некоторых примерах цепь питания может быть сформирована на любой проводящей, полупроводящей или изолирующей положке, как будет понятно.

[001281] Фигура 53B-O является схемой антенной решетки типа ʺволновой каналʺ, где элемент 5312 антенны, сформированный из модифицированного ЧНС-материала, возбуждается, а остальные элементы 5314-5320 действуют как паразитные резонаторы, которые изменяют диаграмму направленности излучения возбужденной антенны. В некоторых примерах один или более паразитных элементов 5314-5320 сформированы из модифицированного ЧНС-материала.

[001282] В некоторых примерах управляющая логика и цепи питания могут быть использованы для управления тем, какие элементы антенной решетки активны, или фазой и магнитудой сигналов, доставляемых к каждому элементу антенны, для того, чтобы модифицировать диаграмму направленности излучения антенны без необходимости физически модифицировать антенную решетку. Фигура 54-O является блок-схемой антенной решетки, имеющей компоненты, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов. Система 5400 включает в себя решетку антенн 5402, цепь 5404 питания, чтобы возбуждать решетку антенн, управляющую логику 5406 и память 5408.

[001283] Антенная решетка может быть одной из множества типов. Два из основных типов антенных решеток включают в себя фазированные решетки с переключаемым пучком и адаптивные фазированные антенные решетки. Системы с переключаемым пучком используют множество заданных фиксированных диаграмм направленности антенны. Управляющая логика 5406 принимает решение о том, какой пучок использовать или осуществлять к нему доступ, в любой данный момент времени, на основе требований системы. Адаптивные антенные решетки позволяют антенне направлять излучение в любом интересующем направлении, в то же время одновременно погашая сигналы помех. Направление излучения может быть оценено с помощью так называемых способов оценки направления приема (DOA).

[001284] В некоторых примерах все из антенных элементов, которые составляют решетку, являются единообразными по геометрии, в то время как в других примерах антенные элементы могут отличаться по геометрии. Аналогично, соотношение между антенными элементами в решетке может меняться. Например, антенные элементы могут быть размещены в коллинеарной антенной решетке, планарной антенной решетке, конформной антенной решетке или трехмерной антенной решетке. Размещение и геометрия антенных элементов являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего антенную решетку, чтобы добиться желаемой диаграммы направленности излучения.

[001285] Сигналы подаются к/от антенной решетки 5402 посредством цепи 5404 питания. Цепь 5404 питания может включать в себя активные и пассивные элементы, чтобы добиваться желаемой диаграммы направленности излучения от антенной решетки. Например, цепь 5404 питания может включать в себя фильтр на линии задержки с отводами с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Весовые коэффициенты КИХ-фильтра могут изменяться адаптивно и использоваться, чтобы обеспечивать оптимальное формирование диаграммы направленности в том смысле, что она уменьшает ошибку между желаемой и фактически сформированной диаграммой направленности излучения. Типичными алгоритмами, реализуемыми посредством КИХ-фильтра, являются алгоритмы наискорейшего спуска и наименьших средних квадратов.

[001286] Опять же, как и с другими категориями антенн, обсужденных здесь, возможны многие конфигурации антенных решеток, которые являются конструктивными соображениями для разработчика, реализующего антенную решетку, сформированную из модифицированного ЧНС-материала. Такая решетка может включать в себя относительно однородные антенны, все из которых сформированы из ЧНС-материала, или разнородное сочетание различных типов антенн, причем некоторые антенны сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинацию различающихся антенн и различающихся материалов. Аналогично, множество других компонентов системы 5400 могут быть реализованы с использованием модифицированных ЧНС-материалов. Аналогично, хотя показаны некоторые геометрии антенны, конечно, возможно множество других геометрий.

Согласующие цепи с модифицированными ЧНС-материалами и другие варианты реализации

[001287] Любая антенна более эффективна и практична, если она согласована с системой, для которой она действует в качестве передатчика/приемника. Для того, чтобы согласовывать антенну с подключенной к ней электроникой, используется согласующая цепь, чтобы модифицировать импеданс антенной структуры для согласования с импедансом системы. По мере того как антенны становятся меньше, реактивное сопротивление антенны становится больше. Большие значения реактивного сопротивления, сочетаясь с небольшими значениями сопротивления меньших антенн, создают трудность согласования малой антенны с импедансом системы. Однако, согласующая цепь, сформированная из ЧНС-материала, такого как описанные здесь, может значительно улучшать согласование малых антенн.

[001288] В некоторых примерах любая из описанных здесь структур, применяющая модифицированные ЧНС-материалы, может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов и комнатными температурами. В некоторых примерах любая из описанных здесь структур, применяющая модифицированные ЧНС-материалы, может оказывать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах, больших 150K или более, как описано здесь. В этих примерах структуры могут включать в себя надлежащую систему охлаждения (не показана), используемую для охлаждения элементов структуры до критической температуры конкретного модифицированного ЧНС-материала. Например, система охлаждения может быть системой, способной охлаждать по меньшей мере ЧНС-материалы в структуре до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, например, или других температур, описанных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированных ЧНС-материалов, использованных в структуре. Также могут существовать другие факторы для выбора системы охлаждения, например, количество рассеиваемой в структуре мощности.

[001289] В некоторых примерах некоторые или все из описанных здесь систем и устройств могут использовать недорогие системы охлаждения в тех применениях, где конкретные модифицированные ЧНС-материалы, используемые при таком применении, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при температурах ниже температур окружающей среды. Как обсуждалось здесь, в этих примерах применение может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как система, которая охлаждает модифицированный ЧНС-материал до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, например, или других температур, обсуждаемых здесь. Система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированного ЧНС-материала, используемого при таком применении.

[001290] В дополнение к системам, устройствам и/или применениям, описанным здесь, специалист в данной области техники поймет, что и другие системы, устройства и применения, которые включают в себя антенны, могут использовать антенну, сформированную из модифицированных ЧНС-материалов, как описано здесь. Например, фигура 55-O является блок-схемой мобильного устройства, включающего в себя антенну, сформированную из модифицированных ЧНС-материалов. Описанное здесь мобильное устройство является иллюстрацией одного типа беспроводного устройства, в котором могут быть реализованы эти методы; другие беспроводные устройства также могут быть использованы для реализации этих методов. Например, мобильные устройства могут включать в себя сотовые телефоны, смартфоны, персональные цифровые помощники (ʺPDAʺ), портативные устройства электронной почты (например, устройство Blackberry^®), портативные мультимедийные проигрыватели (например, Apple iPod Touch^®), планшетные или тонкие компьютеры (например, Apple iPad^®), нетбуки, ноутбуки, электронные книги или любое другое устройство, имеющее функциональную возможность беспроводной связи.

[001291] Мобильное устройство 5500 включает в себя дисплей 5510. В некоторых вариантах реализации дисплей 5510 включает в себя чувствительный к прикосновениям (сенсорный) экран, который предоставляет возможность непосредственной манипуляции отображаемыми данными. Мобильное устройство 5500 имеет многофункциональный модуль 5504 ввода, чтобы управлять мобильным устройством, осуществлять навигацию по дисплею и выполнять операции выбора каких-либо данных. Модуль 5504 ввода может быть, например, клавиатурой, мышью, трэкболом, чувствительным к прикосновениям экраном или любым другим модулем ввода, способным передавать пользовательский выбор. Дополнительно, мобильное устройство 5500 использует систему 5506 ЧНС-антенны, сформированную из модифицированных ЧНС-материалов, чтобы отправлять и принимать информацию по беспроводной сети. Антенная система 5506 может быть соединена с приемником, передатчиком или приемопередатчиком (не показан). Хотя это не показано, устройство может включать в себя портативный источник питания, память, логику и другие компоненты, обычные для таких устройств.

[001292] Описанные выше антенны могут особенно подходить для использования в телекоммуникационных сетях и устройствах, таких как радиочастотные, сотовые, оптические и микроволновые устройства связи. Как отмечалось выше, при использовании модифицированного ЧНС-материала в таких антеннах, антенны обеспечивают на порядки величины меньшее сопротивление, чем лучшие или обычные проводники при аналогичных условиях, тем самым давая в результате исключительно высокий коэффициент усиления антенны - коэффициенты усиления приближаются к коэффициенту усиления идеальной антенны. Дополнительно, такие антенны могут быть изготовлены в меньших или более компактных формах.

[001293] Действительно, некоторые из описанных выше антенн могут быть сформированы с помощью микрополосковой технологии на подложках, включая полупроводниковые пластины. Таким образом, некоторые из антенн могут быть изготовлены с помощью тонкопленочных методов производства, некоторые из которых описаны здесь и все из которых являются общепринятыми при изготовлении полупроводниковых кристаллов. Многие из антенн, использующих модифицированные ЧНС-материалы, могут быть изготовлены как однослойные устройства, и, таким образом, технологические этапы для создания таких антенн упрощаются, включая только: фотолитографию, ионное травление, контактную металлизацию и разрезание полупроводниковой пластины на кристаллы (или их эквиваленты).

[001294] Другой пример устройства 5600, использующего описанные здесь антенны, показан на фигуре 56-O. Устройство включает в себя антенну 5602, соединенную с РЧ-схемой 5604. РЧ-схема может включать в себя, например, приемник, передатчик, приемопередатчик, схему формирования сигнала, модулятор, демодулятор и т.д. Устройство также включает в себя логику 5606 и память 5608. Устройство 5600 может быть изготовлено на одном кристалле и может образовывать, например, RFID-микросхему. (Альтернативно, антенна 5602 может быть микрополосковой антенной, сформированной на подложке, такой как печатная плата, с компонентами 5604, 5606 и 5608, являющимися микросхемами или схемами, сформированными на, взаимосвязанными или поддерживаемыми этой подложкой).

[001295] Используя расположенные на кристалле антенны, кристалл может очевидно извлекать выгоду от улучшенных характеристик. Используя модифицированный ЧНС-материал в кристалле, кристалл может обладать большей плотностью схем, среди прочих преимуществ. Например, используя модифицированный ЧНС-материал, кристалл имеет меньшую теплоотдачу и может использовать более тонкие линии, поскольку больший ток может протекать по каждой линии. Линии и межсоединения могут быть изготовлены из модифицированного ЧНС-материала. Более того, сигналы могут передаваться без усиления, поскольку потери на линиях значительно уменьшаются. Дополнительно, кристалл может быть изготовлен с помощью некоторых из методов производства наименьшего масштаба, таких как 1,3-нанометровая технология, что может оставлять больше места на кристалле для одной или более антенн. При меньшем токе, проходящем по каждой линии, могут быть уменьшены эффекты ЭДС на соседние линии, например, другие схемы. При большем уплотнении разработчики схем имеют меньше ограничений, основанных на проблемах компоновки или расстояний, что может предоставлять возможность более быстрой разработки кристаллов, среди прочих преимуществ.

[001296] Хотя здесь описаны конкретные примеры антенн, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из модифицированных ЧНС-материалов, обычный специалист в данной области техники поймет, что фактически любая конфигурация антенны может использовать компоненты, которые сформированы по меньшей мере частично из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, принимать беспроводные сигналы или передавать, переносить или модифицировать электромагнитные сигналы.

[001297] Различные антенны и антенные системы широко применяют проводящие элементы и другие элементы, некоторые из которых перечислены выше. В результате, невозможно перечислить в исчерпывающих деталях все возможные антенны и антенные системы, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов. Хотя подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых антенн, возможны многочисленные другие геометрии. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или схемы размещения по длине и/или ширине, в дополнение к отличиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур. Авторы изобретения предполагают, что фактически все антенны и относящиеся к ним системы, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и считают, что обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, антенн и принципов, сможет реализовать, без лишнего экспериментирования, другие антенны с одним или более компонентами, сформированными целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

[001298] Более того, хотя описание здесь может подчеркивать то, как отдельная антенная система может использовать отдельный компонент, сформированный из модифицированных ЧНС-материалов, эти примеры модифицированных ЧНС-компонентов предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры, сможет выявить другие компоненты в той же или аналогичной антенной системе, которые могут быть сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001299] Более того, обычный специалист в данной области техники поймет, что авторы изобретения предусмотрели, что модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных антенных системах, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь антенн и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны. Действительно, такие сложные антенные системы могут использовать две или более непохожих или разнородных антенны, а не просто аналогичные или однородные антенны.

[001300] В некоторых вариантах реализации антенна, которая включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описана следующим образом:

[001301] Система, содержащая: приемник, передатчик или приемопередатчик; и по меньшей мере один элемент антенны, соединенный с приемником, передатчиком или приемопередатчиком; при этом упомянутый по меньшей мере один элемент антенны сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющим первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001302] Структура, содержащая: множественные элементы антенны; и цепь питания, соединенную с множественными элементами антенны; при этом по меньшей мере один элемент антенны из множественных элементов антенны сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющего первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001303] Структура, содержащая: диэлектрическую подложку; и элемент широкополосной антенны, осажденный на первой стороне диэлектрической подложки; при этом элемент антенны сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001304] Структура, содержащая: диэлектрическую подложку; и элемент резонансной антенны, осажденный на первой стороне диэлектрической подложки; при этом элемент антенны сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001305] Структура, содержащая: диэлектрическую подложку; и элемент электрически малой антенны, осажденный на первой стороне диэлектрической подложки; при этом элемент антенны сформирован из модифицированной пленки с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001306] Апертурная антенна, содержащая: проводящую поверхность, образующую апертуру, причем апертура питающий конец и излучающий конец; и цепь питания, соединенную с питающим концом апертуры; при этом проводящая поверхность включает в себя модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), имеющий первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

Глава 15. Устройства накопления энергии, сформированные из ЧНС-материалов

[001307] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-P по 43-P; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001308] Здесь описываются различные типы устройств накопления энергии, использующих материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), такие как модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы. Хотя различные примеры изобретения описываются в отношении ʺмодифицированных ЧНС-материаловʺ и/или различных конфигураций модифицированных ЧНС-материалов (например, модифицированных ЧНС-пленок, и т.д.), будет понятно, что может быть использован любой из описанных здесь улучшенных ЧНС-материалов, в том числе, например, модифицированные ЧНС-материалы (например, модифицированный ЧНС-материал 1060, и т.д.), щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы в соответствии с различными аспектами изобретения. Как описано здесь, среди других аспектов, эти улучшенные ЧНС-материалы имеют по меньшей мере одну улучшенную рабочую характеристику, которая в некоторых примерах включает в себя работу в ЧНС-состоянии при температурах больших, чем 150 K.

[001309] Различные устройства накопления энергии, включающие в себя модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы, сейчас будут описаны подробно. Вообще, возможно множество конфигураций устройств накопления энергии. Действительно, принципы, которые определяют конструкцию и конфигурацию традиционных устройств накопления энергии, могут быть применены к разработке устройств накопления энергии, использующих описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы. Таким образом, хотя здесь показаны и описаны некоторые устройства накопления энергии и конфигурации, конечно, возможно множество других конфигураций. Более того, хотя описание здесь может подчеркивать то, как отдельное устройство накопления энергии может использовать отдельный компонент, сформированный из модифицированных ЧНС-материалов, эти примеры модифицированных ЧНС-компонентов предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры, сможет выявить другие компоненты в тех же или аналогичных устройствах/системах накопления энергии, которые могут быть сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001310] Фигура 37-P является блок-схемой, иллюстрирующей систему 3700 накопления энергии, имеющую компоненты, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов или по меньшей мере частично включающие их в себя. Система 3700 накопления энергии может использовать устройство 3710 накопления энергии, выполненное с возможностью получать и накапливать энергию от внешнего источника 3720 энергии. Мощность или энергия передается от внешнего источника 3720 энергии к устройству 3710 накопления энергии по линии 3722. Накопленная энергия, после необязательного прохождения через систему 3730 регулирования энергии, подается на нагрузку 3740 по линии 3724.

[001311] В этом примере внешний источник 3720 энергии может быть любым подходящим источником мощности или энергии, включая, но не ограничиваясь ими, силовую или электрическую сеть, магнитный генератор, солнечный элемент или солнечную панель, фотогальванический (PV) элемент или фотоэлектрический элемент, трансформатор, ветровую турбину, гидроэлектрический генератор, теплоэлектрический генератор, маховик или другую вращающуюся машину, функционирующую в качестве генератора, и/или другие типы возобновляемых/невозобновляемых источников энергии. Дополнительные подробности, касающиеся примеров устройств генерации энергии, которые обеспечивают энергию устройству 3710 накопления энергии, обсуждаются ниже.

[001312] Устройство 3710 накопления энергии может быть любым подходящим устройством накопления мощности или энергии, включая, но не ограничиваясь ими, батарею, силовой элемент, конденсатор, суперконденсатор, маховик, магнитный накопитель энергии, СПИНЭ, и т.п. В некоторых примерах также будет понятно, что устройство 3710 накопления энергии является перезаряжаемым накопительным устройством, которое может истощать энергию и затем пополняться за счет источника 3720 энергии. В некоторых примерах система 3700 выполнена с возможностью получать энергию от единственного внешнего источника 3720 энергии и поставлять накопленную энергию единственному устройству/пользователю. В других примерах система 3700 содержит энергетическую сеть или массив электропитания, выполненные с возможностью получать мощность или энергию от некоторого числа различных внешних источников 3720 энергии и накапливать эту энергию в массиве, сети или распределенной структуре устройств(а) 3710 накопления энергии. Накопленная энергия может затем поставляться любому числу пользователей/устройств по желанию.

[001313] Необязательная система 3730 регулирования (ʺкондиционированияʺ) энергии выполнена с возможностью модифицировать или регулировать мощность, выводимую из устройства 3710 накопления энергии (когда это необходимо), чтобы соответствовать нагрузке 3740. Например, система 3730 регулирования энергии может быть использована, чтобы преобразовывать (инвертировать) накопленный знакопостоянный ток в знакопеременный ток. Система 3730 регулирования энергии может использоваться, чтобы выполнять множество различных модификаций накопленной энергии, прежде чем энергия поставляется нагрузке 3740. В еще дополнительных примерах система 3700 может не включать в себя систему 3730 регулирования энергии. Нагрузка 3740 может быть любым из множества различных устройств, аппаратов или оборудования, требующих электрической мощности или энергии. Нагрузка 3740 может включать в себя, например, единственное устройство (например, мобильный телефон, смартфон, портативный компьютер, планшет или другое переносное электронное устройство, компьютер, телевизор или другое электрически запитываемое устройство), дом или завод, группу домов или микрорайон, электрическую сеть и т.д. Будет понятно, что конструкция энергосистемы довольно специфична для каждого применения, в котором устройство накопления энергии должно быть использовано, и конкретное применение, желаемая конфигурация и компоновка и другие факторы определяют значимость и число используемых в системе компонентов. Таким образом, конкретные типы и число компонентов описывать здесь не нужно, поскольку они будут отличаться от применения к применению и от устройства к устройству.

[001314] Вообще говоря, система 3700 накопления энергии может включать в себя различные компоненты, сформированные целиком или частично из модифицированных ЧНС-материалов. ЧНС-компоненты могут быть предназначены проводить электрические токи, преобразовывать или трансформировать сигнал в электромагнитный сигнал или из него (включая, например, электрические токи и напряжения) или иначе передавать или модифицировать электромагнитные сигналы. Например, один или более компонентов устройства 3710 накопления энергии, внешнего источника 3720 энергии, линий 3722 и 3724 передачи, системы 3730 регулирования энергии и/или другие связанные компоненты могут дополнительно содержать характерные элементы, сформированные из нанопроводов, лент или фольги, сформированных из модифицированной ЧНС-пленки и тонкопленочных модифицированных ЧНС-пленок.

[001315] Как упомянуто ранее, внешний источник 3720 энергии выполнен с возможностью поставлять мощность или энергию устройству 3710 накопления энергии. В некоторых примерах как упомянуто выше, источник 3720 энергии может включать в себя такое устройство, как ветровая турбина, PV-элемент, гидроэлектрический генератор и т.п., которое выполнено с возможностью захватывать энергию и преобразовывать захваченную энергию в электрическую энергию, которая затем передается устройству 3710 накопления энергии. В некоторых примерах по меньшей мере часть линий передачи и/или других компонентов, используемых для передачи электрической энергии устройству 3710 накопления энергии, может быть сформирована из модифицированных ЧНС-материалов.

[001316] Хотя здесь описаны конкретные примеры устройств накопления энергии, которые используют компоненты, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов, обычный специалист в данной области техники поймет, что фактически любая конфигурация устройства накопления энергии может использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, преобразовывать или трансформировать сигнал в или из электромагнитного сигнала (включая, например, электрические токи и напряжения), преобразовывать накопленную энергию в электрическую энергию или иначе передавать или модифицировать электромагнитные сигналы в/из устройства накопления энергии. Известные системы накопления энергии широко используют проводящие элементы и другие элементы, перечисленные здесь. В результате, невозможно перечислить в исчерпывающих подробностях все возможные устройства/системы накопления энергии, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов. Однако, авторы изобретения предполагают, что фактически все устройства накопления энергии, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал до различных пределов, и полагают, что обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, устройств/систем накопления энергии и сопутствующих принципов, будет способен реализовать, без лишнего экспериментирования, другие устройства или системы накопления энергии с одним или более компонентами, сформированными целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

[001317] Более того, хотя последующее описание может подчеркивать то, как отдельное устройство/система накопления энергии может использовать отдельный компонент, сформированный из модифицированных ЧНС-материалов, эти примеры модифицированных ЧНС-компонентов предназначены быть иллюстративными, а не исчерпывающими. Обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры, сможет выявить другие компоненты в тех же или аналогичных устройствах/системах накопления энергии, которые могут быть сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001318] Более того, обычный специалист в данной области техники поймет, что авторы изобретения предусмотрели, что ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных системах накопления энергии, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь отдельных устройств накопления энергии и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны.

[001319] На фигурах размеры различных изображенных элементов или компонентов и поперечные размеры и толщины различных слоев необязательно начерчены в масштабе, и эти различные элементы могут быть произвольно укрупнены или уменьшены, чтобы улучшить удобочитаемость. Также, детали компонентов абстрагированы на фигурах, чтобы исключать детали, такие как точная геометрическая форма или позиционирование компонентов и определенные точные соединения между такими компонентами, когда такие детали излишни для подробного описания изобретения. Когда такие детали излишни для понимания изобретения, показанные типичные геометрии, межсоединения и конфигурации предназначены быть иллюстрирующими общую конструкцию или принципы работы, а не быть исчерпывающими.

[001320] Некоторые или все из описанных здесь систем и устройств могут использовать недорогие системы охлаждения в тех применениях, где конкретные модифицированные ЧНС-материалы, используемые при таком применении, демонстрируют чрезвычайно низкие сопротивления при температурах ниже температур окружающей среды. Как обсуждается здесь, применение может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как система, которая охлаждает модифицированный ЧНС-индуктор до температуры, аналогичной температуре точки кипения жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре точки таяния воды, или других температур, обсуждаемых здесь. Система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированной ЧНС-пленки, используемой при таком применении.

[001321] Многочисленные преимущества могут получаться в результате использования модифицированных ЧНС-материалов в устройствах накопления энергии. Например, использование модифицированных ЧНС-материалов вместо ВТСП-материалов в устройстве накопления энергии может устранять или уменьшать сложность систем охлаждения, которые необходимы для работы устройства накопления энергии, что может уменьшить его размер, вес и расходы на реализацию и эксплуатацию. Также, модифицированные ЧНС-материалы могут проявлять более сильную и более тонкую чувствительность к температуре и фотонам при более высоких (некриогенных) температурах, чем ВТСП-материалы, что может обеспечивать улучшенные термоэлектрические, фотоэлектрические и другие характеристики преобразования при более высоких температурах. Более того, модифицированные ЧНС-материалы могут демонстрировать более сильную чувствительность к электромагнитным входным сигналам и/или обнаруживать более низкие токи и/или более низкие напряжения. Дополнительно, модифицированные ЧНС-материалы могут переносить электромагнитный сигнал (такой как входной, промежуточный или выходной ток или напряжение) на гораздо более дальнее расстояние, чем традиционные проводники, с меньшими потерями на сопротивление, что может давать в результате меньший шум или меньшую необходимость в усилении этих сигналов и/или предоставлять возможность более низких уровней тока или большего разделения между компонентами систем накопления энергии. Вообще говоря, замена традиционных проводящих и схемных элементов, таких как медные проводники и традиционные конденсаторы и индукторы, модифицированными ЧНС-материалами может уменьшать потери на сопротивление, что может улучшать эффективность работы устройства накопления энергии, уменьшать потерянное тепло и/или улучшать другие характеристики его работы, такие как устойчивость, срок эксплуатации, капитальные или эксплуатационные расходы, размер, вес, топологический размер и надежность. Например, использование модифицированных ЧНС-материалов в различных компонентах устройства накопления энергии может позволить этим компонентам работать более идеально. Более идеализированные эксплуатационные характеристики, достигнутые этими компонентами, могут, в свою очередь, улучшать общую эффективность устройства накопления энергии.

Батареи

[001322] Фигура 38-P является принципиальной схемой батареи 3800, использующей модифицированные ЧНС-материалы. Батарея 3800, например, содержит электрическую батарею, имеющую один или более электрохимических элементов (химических источников тока), которые преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую энергию. Более конкретно, батарея 3800 включает в себя катод 3810 и анод 3820, разделенные электролитом 3830. Батарея 3800 может содержать неперезаряжаемую батарею первичных элементов или перезаряжаемую батарею вторичных элементов (аккумуляторов). Батарея 3800 может содержать свинцово-кислотную аккумуляторную батарею, щелочную батарею, углерод-цинковую батарею, никель-металлогидридную (NiMH) батарею, никель-кадмиевую (NiCad) батарею, литий-ионную батарею, литий-ионную полимерную батарею или другую подходящую батарею. Будет понятно, что хотя показана только одна, базовая батарея, возможно множество различных конфигураций батарей. Действительно, батарея 3800 может содержать любой подходящий тип батареи, используемой для того, чтобы преобразовывать накопленную химическую энергию в электрическую энергию (например, перезаряжаемые батареи или комплекты батарей для использования в переносных электронных устройствах, батареи или комплекты батарей для использования в транспортных средствах, крупномасштабные массивы батарей для использования с коммунальной или энергетической сетью и т.д.).

[001323] Один или более компонентов батареи 3800 (например, катушки и т.д.) могут быть сформированы из нанопроводов, лент или фольги, сформированных из модифицированной ЧНС-пленки и тонкопленочных модифицированных ЧНС-пленок. Использование описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов может предоставлять множество преимуществ и выгод батарее 3800 и различным вариантам применения, в которых батарея 3800 используется. Например, батарея 3800, включающая в себя модифицированные ЧНС-материалы, проявляет меньшие потери на сопротивление, чем традиционные батареи, что может значительно повлиять на стоимость эксплуатации, минимизируя энергетические потери в батарее 3800. Батарея 3800, как также ожидается, будет иметь лучшую эффективность преобразования энергии, чем традиционные батареи, которые не включают в себя модифицированного ЧНС-материала.

[001324] Как упомянуто ранее, конструкция системы накопления энергии довольно специфична для того применения, в котором устройство накопления энергии должно использоваться, и конкретное применение, желаемые эксплуатационные характеристики и другие факторы определяют конструкцию и конфигурацию батареи 3800. Таким образом, конкретные величины и число компонентов описывать здесь не нужно, поскольку они будут отличаться от применения к применению и от устройства к устройству. Авторы изобретения предполагают, что фактически все типы батарей, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и полагают, что обычный специалист в данной области техники, которому в этом раскрытии предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, батарей и принципов, сможет реализовать, без лишнего экспериментирования, множество различных батарей 3800 с одним или более компонентами, сформированными целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

Топливные элементы

[001325] Фигура 39-P является принципиальной схемой топливного элемента 3900, имеющего один или более компонентов, сформированных из модифицированных ЧНС-материалов. Топливный элемент 3900, например, включает в себя анод 3910, катод 3920 и электролит 3930 между анодом 3910 и катодом 3920. Топливный элемент 3900 является электрохимическим элементом (химическим источником тока), который преобразует реагенты из внешнего источника в электрическую энергию. Этот процесс преобразования энергии совершается посредством электрохимической реакции, при которой реагенты расходуются, побочные продукты выбрасываются, и может высвобождаться или потребляться тепло. Топливный элемент 3900 выполнен с возможностью работать непрерывно, генерируя электричество, пока доступны и топливо, и окислитель. В некоторых примерах топливом являются чистый водород, углеводороды, спирты и гидразин, в то время как чистый кислород и воздух являются окислителями. В другом примере, однако, могут быть использованы другие типы топлива и/или окислителей.

[001326] Топливный элемент 3900 может содержать любой подходящий тип топливного элемента, в котором могут быть использованы модифицированные ЧНС-материалы. Топливный элемент 3900 может включать в себя, например, топливный элемент с полимерной электролитной мембраной (PEM), топливный элемент с протоннообменной мембраной, топливный элемент с прямым окислением метанола и щелочной топливный элемент, топливный элемент с фосфорной кислотой, рекуперативный топливный элемент или другой подходящий тип топливного элемента. Топливный элемент 3900 может использоваться во множестве различных устройств и вариантов применения, включая, но не ограничиваясь ими, транспортные средства, такие как автомобили, автобусы, корабли, поезда и самолеты, переносные электронные устройства, такие как сотовые телефоны и портативные компьютеры, здания, такие как больницы, банки, полицейские участки, водоочистные сооружения, вышки сотовой связи и другие телекоммуникационные системы и т.д.

[001327] Как упомянуто ранее, один или более характерных элементов топливного элемента 3900 могут быть сформированы из нанопроводов, лент или фольги, сформированных из модифицированной ЧНС-пленки и тонкопленочных модифицированных ЧНС-пленок. Использование описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов может предоставлять множество преимуществ и выгод топливному элементу 3900 и различным вариантам применения, в которых топливный элемент 3900 используется. Поскольку топливные элементы вырабатывают энергию электрохимически и не сжигают топливо, топливные элементы являются принципиально более эффективными, чем системы сгорания. Кроме того, топливный элемент 3900, включающий в себя модифицированные ЧНС-материалы, как ожидается, должен работать гораздо более эффективно, чем традиционные топливные элементы, что может дополнительно влиять на стоимость эксплуатации, минимизируя энергетические потери в топливном элементе 3900. Таким образом, топливный элемент 3900, как ожидается, обеспечит высокоэффективное устройство с низким или нулевым выбросом.

Маховики

[001328] Маховики являются устройствами накопления механической энергии, выполненными с возможностью вращаться с очень высокой скоростью и накапливать энергию в виде кинетической энергии вращения. Чтобы использовать эту энергию, генератор преобразует накопленную во вращающемся маховике кинетическую энергию в электричество. Аналогично, дополнительная энергия может быть подведена в систему с помощью электричества, чтобы раскручивать маховик. По сравнению с другими типами устройств накопления энергии маховики являются высокоэффективными (например, многие маховики имеют энергетический кпд до 90%), требуют небольшого или вовсе не требуют технического обслуживания и имеют высокие плотности энергии.

[001329] Фигура 40-P является принципиальной схемой примера системы 4000 накопления энергии, включающей в себя маховик 4010, имеющий компоненты, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов. В этом примере маховик 4010 установлен в вакуумной камере или корпусе 4020 и функционально соединен с двигателем/генератором 4030. Двигатель/генератор 4030 выполнен с возможностью приводить в действие маховик 4010. Система 4000 может необязательно включать в себя систему 4032 регулирования мощности, выполненную с возможностью модифицировать или регулировать мощность, отводимую от маховика 4010, прежде чем мощность или энергия вводится/выводится из системы 4000.

[001330] Система 4000 может также включать в себя магнитные подшипники (магнитные подвесы) (показаны схематично), состоящие, по меньшей мере частично, из модифицированных ЧНС-материалов. В одном примере нижняя поверхность маховика 4010 несет постоянный кольцевой магнит, который движется над магнитными подшипниками. Магнитные подшипники поддерживают маховик 4010 за счет магнитной левитации, а не за счет какого-либо механического процесса. Дополнительно, модифицированные ЧНС-материалы, как ожидается, будут блокировать магнитное поле, так что система 400 может обеспечивать в целом лишенную трения и устойчивую левитацию маховика 4010 в корпусе 4020. Таким образом, используя описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы, с помощью системы 4000 можно реализовать почти идеальную энергоэффективность, поскольку потери вследствие трения, гистерезиса и/или вихревых токов сильно минимизированы.

[001331] Маховики могут использоваться в широком множестве различных вариантов применения, включая, например, крупномасштабные сетевые системы накопления энергии. Например, маховики могут использоваться в сочетании с множеством типов возобновляемых источников энергии (например, энергией ветра, солнечной энергией, энергией воды и т.д.), чтобы помогать преодолевать проблемы с неустойчивостью и несовместимостью, часто связанные с такими источниками энергии. В случае производства электрической энергии из ветра, например, типично наличие избыточной энергии относительно требуемой в условиях сильного ветра. При применениях на ветроэлектростанциях избыточная энергия может накапливаться в маховике в виде кинетической энергии вращения и высвобождаться в виде электрической энергии (мощности), когда потребление становится больше производимой энергии (мощности). Маховики могут также использоваться в ряде других вариантов применения со сглаживанием нагрузки и других связанных вариантах применения с другими типами источников энергии. Как обсуждалось выше, применение маховиков, использующих описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы, как ожидается, должно дать в результате значительные улучшения в эффективности и рабочих характеристиках по сравнению с традиционными маховиками.

Магнитный накопитель энергии (MES)

[001332] В некоторых примерах устройства накопления энергии, такие как СПИНЭ-системы и другие магнитные накопительные системы, могут использовать описанные здесь модифицированные ЧНС-индукторы. Системы магнитного накопления энергии выполнены с возможностью накапливать энергию в магнитном поле, созданном за счет течения постоянного тока в катушке из сверхпроводящего материала, который был криогенно охлажден. Фигура 41A-P, например, является принципиальной схемой, иллюстрирующей систему 4100 накопления энергии, имеющую компонент(ы), сформированный(е) из модифицированных ЧНС-материалов. Система 4100 накопления энергии включает в себя накопительный компонент 4110 с индукционной катушкой 4115 или катушками и систему 4120 регулирования мощности, имеющую инвертор/выпрямитель 4125. Накопительный компонент 4110 накапливает энергию в магнитных полях, созданных индукторами 4115, сформированными из модифицированных ЧНС-материалов. Система 4120 регулирования мощности может принимать энергию из накопительного компонента 4110, регулировать принимаемую энергию (например, преобразовывать накопленный знакопостоянный ток в знакопеременный ток) и подавать отрегулированную энергию в различные источники, такие как силовая установка 4130. Специалисты в данной области техники поймут, что система 4100 накопления энергии может быть реализована во многих других вариантах применения и устройствах, не описанных здесь.

[001333] Фигура 41B-P является принципиальной схемой другого примера системы 4150 накопления энергии, использующей один или более компонентов, сформированных из модифицированных ЧНС-материалов. В этом примере система 4150 накопления энергии включает в себя трансформатор 4152, выполненный с возможностью регулировать или модифицировать входящие/исходящие сигналы в системе 4150. Трансформатор 4152 может включать в себя один или более компонентов, сформированных из модифицированных ЧНС-материалов. Система 4150 дополнительно включает в себя систему 4154 регулировки мощности (например, инвертор/выпрямитель). Система 4150 также включает в себя устройство 4160 накопления магнитной энергии, включающее в себя энергоаккумулирующую магнитную катушку 4162, расположенную в корпусе 4164, и охлаждающий компонент/криостат 4166. Катушка 4162, например, может быть сформирована полностью или по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС-материала. Корпус 4164 выполнен с возможностью удерживать магнитное поле (т.е. силы Лоренца и т.д.) и может включать в себя дополнительные поддерживающие структуры/узлы (не показаны). В некоторых примерах по меньшей мере часть системы 4150 может быть зарыта в землю. Охлаждающий компонент 4166 является необязательным компонентом в системе 4150 и выполнен с возможностью поддерживать катушку 4162 при желаемой температуре. В других примерах система 4150 может включать в себя различные признаки, и/или признаки системы 4150 могут иметь различную компоновку.

[001334] Традиционные СПИНЭ-системы, как правило, являются более эффективными, чем многие из описанных здесь других систем накопления энергии, но типично очень дорогостоящи в эксплуатации вследствие проблем, связанных с поддержанием сверхпроводящих материалов в таких СПИНЭ-системах при температурах порядка температуры кипения жидкого азота. В отличие от традиционных систем, однако, описанные здесь системы 4100 и 4150, использующие модифицированные ЧНС-материалы, как ожидается, будут обеспечивать выгоды и эффективности, связанные с традиционными СПИНЭ-системами, но без высоких затрат и проблем, связанных со сложными системами охлаждения. Например, как обсуждалось ранее, описанные здесь материалы проявляются свойства ЧНС при высоких температурах (например, между температурой точки кипения жидкого фреона и температурой окружающей среды или более высокой). Соответственно, усовершенствованные, сложные системы охлаждения являются необязательными признаками, которые могут не быть необходимыми во многих примерах.

[001335] Системы 4100 и 4150 также имеют несколько дополнительных преимуществ. Например, по сравнению с рядом описанных здесь других устройств накопления энергии, системы 4100 и 4150, включающие в себя магнитные накопительные устройства, имеют очень короткую временную задержку во время заряда и разряда. Мощность доступна силовой установке почти мгновенно. Дополнительно, системы 4100 и 4150, как ожидается, будут иметь небольшие потери мощности или не иметь их вообще, поскольку ток через систему встречает очень небольшое сопротивление. Таким образом, по сравнению с многими другими устройствами накопления энергии (например, батареями), системы 4100 и 4150, как ожидается, будут быть значительно более эффективными в эксплуатации. Наконец, поскольку главные компоненты описанных выше магнитных систем накопления энергии, как правило, являются неподвижными (стационарными) во время работы, системы 4100 и 4150, как ожидается, потребуют значительно меньшего технического обслуживания и будут иметь большую надежность, чем другие более сложные системы накопления энергии.

Конденсаторы и суперконденсаторы с модифицированными ЧНС-компонентами

[001336] Конденсаторы могут быть сформированы с использованием описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов. Фигура 42-P, например, является принципиальной схемой простого конденсатора 4200 с параллельными пластинчатыми обкладками. Конденсатор 4200 может быть использован в любом из раскрытых здесь устройств накопления энергии, или же он может быть использован в других подходящих устройствах или компонентах. В этом примере конденсатор 4200 включает в себя входной и выходной контактные выводы 4210 и 4220, которые соединены соответственно с проводящими пластинами или областями 4230 и 4240. Проводящие пластины/области разделены расстоянием, которое может быть по меньшей мере частично заполнено диэлектриком 4250. Диэлектриком может быть воздух или любой другой диэлектрик, используемый с конденсаторами, такой как изоляторы, электролиты или другие материалы или составы.

[001337] Пластины/области 4230 и 4240 могут использовать модифицированный ЧНС-материал. Альтернативно или дополнительно, входные и выходные контактные выводы 4210 и 4220 могут использовать ЧНС-материал. Хотя показан простой конденсатор с параллельными пластинчатыми обкладками, может использоваться любая форма конденсатора, такая как сформированные на полупроводниковых микросхемах, конденсаторы на основе МЭМС и т.д.

[001338] В некотором примере с использованием описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов могут быть сформированы суперконденсаторы или ультраконденсаторы. Суперконденсаторы выполнены с возможностью накапливать мощность или энергию иначе, чем батареи и другие устройства накопления энергии, описанные здесь. Более конкретно, суперконденсаторы поляризуют электролитический раствор, накапливая энергию электростатически. Хотя суперконденсаторы являются электрохимическими устройствами, химические реакции не задействованы в механизме накопления энергии. Таким образом, в отличие от многих типов батарей, их работа в высшей степени обратима и позволяет суперконденсаторам совершать цикл (заряжаться/разряжаться) сотни тысяч раз без влияния на эксплуатационные характеристики. Дополнительно, большинство суперконденсаторов имеют близкую к 100% эффективность.

[001339] Фигура 43-P является принципиальной схемой суперконденсатора или ультраконденсатора 4300, использующего компоненты, сформированные, по меньшей мере частично, из модифицированных ЧНС-материалов. Суперконденсатор 4300 содержит две нереакционноспособных пористых пластины или токоотвода 4310 и 4320. Между двумя пластинами 4310 и 4320 размещен электролит 4330 (например, активированный уголь, спеченные металлокерамические порошки). В некоторых примерах в качестве электролита 4330 используется углерод, поскольку он химически инертен, электрически проводящий и может быть легко обработан, чтобы содержать большое количество внутренних пор. Площадь поверхности, созданной внутренними порами углеродного электролита, позволяет накапливать в суперконденсаторе 4300 большое количество энергии. Суперконденсатор 4300 также включает в себя диэлектрический сепаратор 4340 между двумя пластинами 4310 и 4320. В процессе работы между пластинами 4310 и 4320 прикладывается разность потенциалов. Приложенный потенциал на положительном электроде (т.е. пластине 4310) притягивает отрицательные ионы в электролите 4330, в то время как потенциал на отрицательном электроде (т.е. пластине 4320) притягивает положительные ионы. Сепаратор 4340 располагается, чтобы предотвращать перемещение зарядов между двумя пластинами 4310 и 4320. Суперконденсатор 4300 выполнен с возможностью поставлять энергию нагрузке (не показана).

[001340] Один или более компонентов суперконденсатора 4300 могут быть сформированы из нанопроводов, лент или фольги, сформированных из модифицированной ЧНС-пленки и тонкопленочных модифицированных ЧНС-пленок. Например, одна или более из пластин 4310 и 4320 могут быть сформированы из описанных здесь модифицированных ЧНС-материалов. Использование модифицированных ЧНС-материалов может предоставлять множество преимуществ и выгод суперконденсатору 4300 и различным вариантам применения, в которых суперконденсатор 4300 используется. Например, суперконденсатор 4300, включающий в себя модифицированные ЧНС-материалы, как ожидается, даст приблизительно идеальное устройство накопления энергии, а именно, устройство, которое обеспечивает близкую к 100% эффективность.

[001341] Конфигурация суперконденсатора 4300 может быть довольно специфичной для варианта применения, в котором суперконденсатор 4300 должен быть использован, и конкретное применение, желаемые рабочие характеристики и другие факторы определяют конструкцию и конфигурацию суперконденсатора 4300. Например, многие применения, которые требуют коротких мощных импульсов или маломощной поддержки критических систем памяти, могут извлекать выгоду из суперконденсатора 4300. В других примерах суперконденсатор 4300 может быть использован, например, в транспортном средстве для усиления во время ускорения и преодоления подъема и для рекуперации энергии торможения. Суперконденсатор 4300, например, может быть частью рекуперативной тормозной системы транспортного средства, чтобы улавливать и накапливать большие количества электрической энергии (сгенерированной при торможении) и быстро высвобождать ее для повторного ускорения. Этот признак, как ожидается, значительно улучшит топливную эффективность в условиях городского движения с остановками и разгонами и других условиях движения. Таким образом, конкретные величины и число компонентов суперконденсатора 4300 описывать здесь не нужно, поскольку они будут отличаться от применения к применению и от устройства к устройству. Авторы изобретения предполагают, что обычный специалист в данной области техники, которому в этой заявке предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, суперконденсаторов и принципов, будет способен реализовать, без лишнего экспериментирования, множество различных суперконденсаторов 4300 с одним или более компонентами, сформированными целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

Дополнительные устройства накопления энергии

[001342] Как отмечено выше, используя модифицированный ЧНС-материал в таких устройствах накопления энергии, устройства накопления энергии, как ожидается, будут обеспечивать улучшенные рабочие характеристики по сравнению с традиционными устройствами накопления энергии. Как дополнительно отмечено выше, модифицированный ЧНС-материал имеет характеристики, которые зависят от температуры. В результате, описанные здесь устройства накопления энергии, использующие модифицированный ЧНС-материал, аналогично зависят от температуры. Изменение температуры влияет на проникновение поля в полосковые проводники, а это влияет на глубину проникновения магнитного потока, как описано выше. Такие изменения материала могут быть смоделированы на основе характера зависимости температура - отклик у модифицированных ЧНС-материалов, которые описаны здесь, или могут быть получены эмпирически. А именно, за счет использования модифицированных ЧНС-материалов, сопротивление линии пренебрежимо мало, но это сопротивление может регулироваться на основе температуры, как показано на приведенных здесь температурных графиках. Следовательно, конструкция и конфигурация устройства накопления энергии могут быть скорректированы, чтобы компенсировать температуру, или рабочие характеристики устройства накопления энергии могут регулироваться посредством изменения температуры.

[001343] Хотя показаны отдельные устройства накопления энергии, устройства накопления энергии могут быть объединены вместе, образуя сети или массивы накопителей энергии. Как и с другими категориями устройств накопления энергии, описанными здесь, возможны многие конфигурации устройств накопления энергии, которые являются конструктивными соображениями для разработчиков, реализующих массив накопителей энергии или многокомпонентную систему, который(ая) по меньшей мере частично сформирован(а) из модифицированного ЧНС-материала. Описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы в сложных системах накопления энергии, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь устройств накопления энергии и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны. Действительно, такие сложные системы накопления энергии могут использовать два или более несхожих или разнородных устройства накопления энергии, а не просто аналогичные или однородные устройства накопления энергии. Такая система или массив может включать в себя относительно однородные устройства накопления энергии, все из которых сформированы из модифицированного ЧНС-материала, или разнородное сочетание различных типов устройств накопления энергии, некоторые устройства сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинацию различающихся устройств и различающихся материалов. Таким образом, сложные системы или массивы устройств накопления энергии могут применять два или более устройства накопления энергии, образованные из двух или более однородных устройств накопления энергии, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, двух или более разнородных устройств накопления энергии, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, и/или двух или более однородных/разнородных устройств накопления энергии, сформированных как из традиционных проводников, так и модифицированного ЧНС-материала.

[001344] Хотя здесь описаны конкретные примеры устройств накопления энергии, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из модифицированных ЧНС-материалов, обычный специалист в данной области техники поймет, что фактически любая конфигурация накопления энергии может использовать компоненты, которые сформированы по меньшей мере частично из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, принимать сигналы, накапливать различные формы энергии или передавать или модифицировать электромагнитные сигналы. Известные устройства и системы накопления энергии широко применяют проводящие элементы и другие элементы, некоторые из которых перечислены выше. Хотя модифицированный ЧНС-материал может быть использован с любыми проводящими элементами в цепи, может быть более уместно констатировать, в зависимости от определения термина ʺпроводящийʺ, что модифицированный ЧНС-материал способствует распространению энергии или сигналов по своей длине или площади. В результате, невозможно перечислить в исчерпывающих деталях все возможные устройства и системы накопления энергии, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов. Конечно, любой описанный здесь проводник может быть сформирован целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

[001345] Хотя некоторые подходящие геометрии, межсоединения, схемы и конфигурации показаны и описаны здесь для некоторых устройств и систем накопления энергии, возможны многочисленные другие геометрии, межсоединения, схемы и конфигурации. Авторы изобретения предполагают, что фактически все устройства накопления энергии и относящиеся к ним системы, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и полагают, что обычный специалист в данной области техники, которому в этой заявке предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, устройств накопления энергии и принципов, будет способен реализовать, без лишнего экспериментирования, другие устройства накопления энергии с одним или более компонентами, сформированными целиком или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

[001346] В некоторых вариантах реализации устройство накопления энергии, которое включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описано следующим образом:

[001347] Аппарат, содержащий: по меньшей мере одно устройство накопления энергии, выполненное с возможностью принимать и накапливать энергию от внешнего источника энергии, при этом устройство накопления энергии содержит компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его в себя, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001348] Аппарат, содержащий: по меньшей мере один электрохимический элемент, выполненный с возможностью преобразовывать химическую энергию в электрическую энергию, при этом электрохимический элемент содержит компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его в себя, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001349] Конденсатор, содержащий: первый проводящий элемент; второй проводящий элемент; и диэлектрик, расположенный между первым и вторым проводящими элементами, при этом первый проводящий элемент, второй проводящий элемент или они оба сформированы по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части.

[001350] Способ, содержащий: получение энергии из источника энергии и преобразование энергии в электрическую энергию; и накопление электрической энергии в устройстве накопления энергии, функционально связанном с источником энергии, при этом устройство накопления энергии или линии передачи между источником энергии и устройством накопления энергии сформированы из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включают его в себя, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001351] Аппарат, содержащий: маховик, поддерживаемый в корпусе и функционально связанный с генератором; и по меньшей мере один магнитный подшипник, смежный с маховиком и выполненный с возможностью удерживать маховик, при этом магнитный подшипник сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включает его в себя, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001352] Аппарат, содержащий: по меньшей мере один электрохимический элемент, выполненный с возможностью преобразовывать реагенты из внешнего источника в электрическую энергию, при этом электрохимический элемент содержит компонент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его в себя, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001353] Система, содержащая: компонент накопления энергии, подключенный между одним или более внешними источниками энергии в распределительной сети электроснабжения, при этом компонент накопления энергии содержит элемент, сформированный из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающий его в себя, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001354] Аппарат, содержащий: устройство накопления энергии, включающее в себя катушку, сформированную из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС) или по меньшей мере частично включающую его в себя; и компонент охлаждения, выполненный с возможностью поддерживать катушку при желаемой температуре, при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001355] Суперконденсатор, содержащий: первую проводящую пластину; вторую проводящую пластину, смежную с и разнесенную с первой проводящей пластины, при этом первая проводящая пластина, вторая проводящая пластина или они обе сформированы по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал сформирован из первой части, состоящей из ЧНС-материала, и второй части, состоящей из модифицирующего ЧНС-материала, химически связанного с ЧНС-материалом первой части; электролит, расположенный между первой и второй проводящими пластинами; и диэлектрический сепаратор между первой и второй проводящими пластинами.

Глава 16. Ограничители тока повреждения, сформированные из ЧНС-материалов

[001356] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-Q по 50-Q; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001357] Здесь описываются различные типы ограничителей тока повреждения, использующих индукционные катушки, сформированные из материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), таких как модифицированные, щелевые и/или другие новые ЧНС-материалы. Хотя различные примеры изобретения описываются в отношении ʺмодифицированных ЧНС-материаловʺ и/или различных конфигураций модифицированных ЧНС-материалов (например, модифицированных ЧНС-пленок, и т.д.), будет понятно, что может быть использован любой из описанных здесь улучшенных ЧНС-материалов, в том числе, например, модифицированные ЧНС-материалы (например, модифицированный ЧНС-материал 1060, и т.д.), щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы в соответствии с различными аспектами изобретения. Как описано здесь, среди других аспектов, эти улучшенные ЧНС-материалы имеют по меньшей мере одну улучшенную рабочую характеристику, которая в некоторых примерах включает в себя работу в ЧНС-состоянии при температурах больших, чем 150 K.

[001358] Раскрытые здесь ограничители тока повреждения подходят для применений множества различных масштабов. Например, эти применения могут охватывать диапазон от мелкомасштабных применений, которые ограничивают ток повреждения на уровне компонента или кристалла, к среднемасштабных применениям, которые могут ограничивать ток повреждения на уровне системы или устройства, до крупномасштабных применений, которые ограничивают ток повреждения на уровне электрического распределения или передачи. Прежде чем привести подробности, касающиеся новых ограничителей тока повреждения, будут приведены некоторые подробности, касающиеся некоторых вариантов применения ограничителей тока повреждения.

[001359] Касаясь мелкомасштабных применений, фигура 37-Q является принципиальной схемой, иллюстрирующей кристалл (микросхему) или другую монолитную структуру, содержащий(ую) ограничитель тока повреждения, использующий ЧНС-материал. Кристалл 3700 содержит схемы 3710, которые должны быть защищены посредством ограничителя 3705 тока повреждения. Защищаемая схема 3710 может состоять из одной или более отдельных схем или схемных компонентов. В варианте реализации по фигуре 37-Q ограничитель 3705 тока повреждения подключен последовательно с защищаемой схемой 3710. Тем не менее, специалисты в данной области техники поймут, что ограничитель тока повреждения может подключаться к защищаемой схеме в любой из нескольких возможных конфигураций, включая параллельное соединение или связь через электрическое или магнитное поле.

[001360] За счет использования внутрикристальных ограничителей тока повреждения кристалл может, очевидно, извлекать выгоды из улучшенной защиты от повреждений, но может получать и множество дополнительных преимуществ. За счет использования ЧНС-материала в кристалле 3700, кристалл может достигать большей плотности схем, помимо других преимуществ. Например, за счет использования ЧНС-материала, кристалл имеет меньше тепловых потерь и может использовать более тонкие проводники, поскольку по проводнику может протекать больший ток. Проводники и межсоединения могут быть изготовлены из ЧНС-материала. Кроме того, сигналы могут быть переданы без усиления, поскольку вносимые потери значительно уменьшаются. Дополнительно, кристалл может быть изготовлен с использованием некоторых из методов изготовления интегральных схем наименьшего масштаба, таких как технология с минимальным размером топологического элемента ≤45 нм. При уменьшенном размере топологического элемента проектировщики схем имеют меньше ограничений по размещению и длине проводников, что может ускорить физическую реализацию, помимо других преимуществ.

[001361] Касаясь среднемасштабных применений, фигура 38-Q иллюстрирует систему 3800, которая включает в себя ограничитель тока повреждения, который может быть вмонтирован в кожух и соединен с устройством, таким как бытовой прибор. Например, ограничитель 3825 тока повреждения может постоянно размещаться на плате (к примеру, PCB) и может быть смонтирован в одном кожухе 3820, тем самым образуя блок или прибор для защиты любого подключенного к нему электрооборудования. Например, кожух 3820 может содержать гнездовой разъем на одном конце и шнур питания со штекерным разъемом на противоположном конце. В этом примере потребитель может включить электрическое устройство (такое как телевизор 3805) в гнездовой разъем 3810 кожуха 3820 ограничителя тока повреждения и включить штекерный конец 3830 в электрическую розетку 3840. Электрическое устройство 3805 будет таким образом защищено от тока повреждения ограничителем 3825 тока повреждения.

[001362] Несмотря на то, что показан телевизор 3805, специалисты в данной области техники поймут, что кожух 3820 ограничителя тока повреждения может быть соединен со множеством разных бытовых устройств, таких как персональные компьютеры, стереофоническая аппаратура, будильники, кухонная бытовая техника, электроинструменты, и т.п. Кроме того, кожух 3820 ограничителя тока повреждения может быть использован с любым другим устройством, таким как медицинские или научные устройства, которые могут быть дорогими и чувствительными. Кроме того, специалисты в данной области техники поймут, что кожух 3820 ограничителя тока повреждения и разъемы к нему могут варьироваться и не ограничены подключениями в стандартные розетки.

[001363] Ограничители тока повреждения находят значительное применение в крупномасштабных применениях, таких как защита оборудования в сети электропередачи. Защита от тока повреждения в сети электропередачи, в частности, является важной вследствие крупногабаритного и дорогостоящего характера оборудования, которое находится в сети электропередачи, а также большого числа людей и предприятий (таких как больницы, аэропорты и коммерческие производственные установки и заводы), на которых может оказываться влияние вследствие одиночного отказа в сети.

[001364] Фигура 39-Q является иллюстрацией сети электропередачи, которая включает в себя ограничитель тока повреждения, который может использовать модифицированные ЧНС-материалы. Электростанция 3910 генерирует электричество, которое запитывает сеть. Электростанция может быть любого типа, способного на генерирование электричества для использования в сети, такой как угольная, геотермальная, ядерная, метановая, гидро, ветряная или солнечная. После генерации напряжение от электростанции 3910 повышается (или ʺподнимаетсяʺ) до более высокого, которое является подходящим для передачи на большие расстояния, к примеру, до 230 кВ. Повышение напряжения может происходить в открытом распределительном устройстве (ОРУ) 3915 высокого напряжения, которое может включать в себя повышающий трансформатор 3920, который повышает напряжение посредством последовательности катушек, намотанных вокруг сердечника.

[001365] Повышенное напряжение передается по высоковольтным линиям 3925 передачи к подстанции 3930. Подстанция 3930 включает в себя понижающий трансформатор 3935, который понижает напряжение до уровня, подходящего для распределения потребителям, к примеру, до 13,3 кВ. Напряжение распределения затем переносится по линиям 3937 распределения различным потребителям, таким как дом 3940, школа 3945 или больница 3950. Сеть 3900 электропередачи также включает в себя ограничитель 3955 тока повреждения, подсоединенный между повышающим трансформатором 3915 и понижающим трансформатором 3930. В этой конфигурации ограничитель 3955 тока повреждения может защищать повышающий трансформатор 3920 и электростанцию 3910 от повреждений, которые могут возникать дальше по сети, в том числе от повреждений в высоковольтной линии 3925 передачи (между ограничителем 3955 тока повреждения и подстанцией 3930), подстанции 3930 (включая понижающий трансформатор 3935 и другие компоненты на подстанции 3930), в линиях 3937 распределения и у потребителей (включая дом 3940, школу 3945 и больницу 3950). Аналогично, ограничитель 3955 тока повреждения может защищать высоковольтные линии 3925 передачи (между ограничителем 3955 тока повреждения и подстанцией 3930), подстанцию 3930 (включая понижающий трансформатор 3935 и другие компоненты на подстанции 3930), линии 3937 распределения и потребителей (в том числе дом 3940, школу 3945 и больницу 3950) от повреждений, которые могут возникать выше по сети, в том числе от повреждений в повышающем трансформаторе 3920 и на электростанции 3910.

[001366] Несмотря на то, что фигура 39-Q показывает ограничитель 3955 тока повреждения расположенным между повышающим трансформатором 3920 и понижающим трансформатором 3935, специалисты в данной области техники поймут, что ограничитель 3955 тока повреждения (а также несколько дополнительных ограничителей тока повреждения) могут быть размещены в одном или более различных положениях в сети 3900 электропередачи, в том числе, например, между электростанцией 3910 и повышающим трансформатором 3920 или между понижающим трансформатором 3935 и любым из потребителей 3940, 3945 или 3950. Дополнительно, специалисты в данной области техники поймут, что один или более ограничителей тока повреждения могут размещаться на электростанции 3910, в ОРУ 3915 высокого напряжения или на подстанции 3930 (как описано ниже и иллюстрируется на фигурах 40A-Q и 40B-Q).

[001367] Фигуры 40A-Q и 40B-Q показывают принципиальную схему двух возможных вариантов реализации подстанции 3935, включающих ограничитель тока повреждения, который может использовать модифицированные ЧНС-материалы. В первом варианте реализации 4000, изображенном на фигуре 40A-Q, ограничитель 4020 тока повреждения находится на подстанции 3930 и подключен к понижающему трансформатору 3935. Понижающий трансформатор 3935 подключен к электростанции 3910 через высоковольтные линии 3925 и повышающий трансформатор 3920, который находится в ОРУ 3915 высокого напряжения. Ограничитель 4020 тока повреждения далее подключен к дому 3940 и школе 3945 через выключатели 4030 и 4044 фидеров подстанции и дополнительно подключен к больнице 3950 через выключатели 4030 и 4043 фидеров подстанции. Ограничитель 4020 тока повреждения может быть подключен к дополнительным потребителям через выключатели 4041 и 4042 фидеров подстанции. В варианте реализации по фигуре 40A-Q ограничитель 4020 тока повреждения защищает несколько компонентов, связанных с подстанцией 3930. Несколько защищенных компонентов включают в себя дом 3940, школу 3945, больницу 3950 и других потребителей, подключаемых к выключателям 4041 и 4042 фидеров подстанции, все из которых пропускают свои соответствующие нагрузки через выключатель 4030 фидера подстанции до прохождения через ограничитель 4020 тока повреждения.

[001368] Во втором варианте реализации 4050, изображенном на фигуре 40-Q, включается понижающий трансформатор 3935, подключенный к электростанции 3910 через высоковольтные линии 3925 передачи, и повышающий трансформатор 3920, который находится в ОРУ 3915 высокого напряжения. Ограничитель 4070 тока повреждения подключен к больнице 3950 через выключатели 4080 и 4093 фидеров подстанции. Дом 3940 и школа 3945 подключены к понижающему трансформатору 3935 через выключатели 4094 и 4080 фидеров подстанции, но не подключены к ограничителю 4070 тока повреждения. Понижающий трансформатор 3935 может быть подключен к дополнительным потребителям через выключатели 4091 и 4092 фидеров подстанции. В варианте реализации по фигуре 40B-Q ограничитель 4070 тока повреждения защищает больницу 3950 от тока повреждения, но не защищает дом 3940 и школу 3945. Специалисты в данной области техники поймут, что ограничитель тока повреждения может быть размещен в различных положениях для того, чтобы защищать как можно больше или как можно меньше конкретных компонентов, насколько это потребуется. Эта возможность размещать ограничитель тока повреждения в положении для защиты конкретного потребителя или компонента позволяет компании-производителю электроэнергии удовлетворять динамические потребности системы передачи и распространения электроэнергии.

[001369] Раскрытые здесь ограничители тока повреждения могут быть нескольких различных типов, которые используют различные способы ограничивать ток повреждения. Здесь описаны два основных типа ограничителей тока повреждения, которые могут использовать модифицированные ЧНС-материалы: резистивные ограничители тока повреждения и индуктивные ограничители тока повреждения. Также здесь описан третий, реакторный тип ограничителя тока повреждения, такой как ограничитель тока повреждения насыщаемого реакторного типа, который может быть сформирован из модифицированных ЧНС-материалов. Несмотря на то, что здесь описаны три типа ограничителей тока повреждения (т.е. резистивный, индуктивный и насыщаемый реакторный), специалисты в данной области техники поймут, что из модифицированных ЧНС-материалов может быть сформировано множество дополнительных типов ограничителей тока повреждения в дополнение к этим трем типам.

[001370] Фигура 41-Q является схематичной иллюстрацией резистивного ограничителя тока повреждения, который работает за счет увеличения сопротивления на пути протекания тока до уровня, который препятствует протеканию тока на уровнях повреждения. В частности, резистивный ограничитель 4100 тока повреждения может быть реализован с модифицированным ЧНС-материалом, имеющим переменные сопротивление или импеданс 4110 в зависимости от сверхпроводящего или ЧНС-состояния ЧНС-материала в некое данное время, как показано на фигуре 41-Q. Альтернативно или дополнительно, модифицированный ЧНС-материал может быть легирован соответствующим элементом или соединением, чтобы подобрать удельное сопротивление модифицированного ЧНС-материала и тем самым обеспечить переменное или выбранное сопротивление.

[001371] Как показано, резистивный ограничитель 4100 тока повреждения состоит из модифицированного ЧНС-материала, помещенного последовательно с цепью 4115, которая должна быть защищена. Когда состояние повреждения отсутствует (т.е. в нормальном режиме работы), ток, протекающий через модифицированный ЧНС-материал, остается ниже плотности критического тока модифицированного ЧНС-материала. В результате модифицированный ЧНС-материал остается в сверхпроводящем или ЧНС-состоянии с малым или нулевым сопротивлением 4110. Это позволяет защищаемой цепи 4115 работать эффективно, без добавочного сопротивления или импеданса, который ухудшал бы эффективность защищаемой цепи или системы. Когда состояние повреждения (КЗ) присутствует, ток, протекающий в модифицированном ЧНС-материале, растет до уровня, который превышает его плотность критического тока. В результате модифицированный ЧНС-материал ʺподавляетсяʺ [теряет свою сверхпроводимость или ЧНС-состояние] и переходит в несверхпроводящее состояние. Этот переход в несверхпроводящее состояние вызывает резкое повышение сопротивления или импеданса 4110 защищаемой цепи 4115. В результате такое большое сопротивление или импеданс служит ограничению протекания тока повреждения в защищаемой цепи 4115. Резистивный ограничитель 4100 тока повреждения может также включать в себя шунт 4120, который поглощает электроэнергию во время повреждения.

[001372] Фигура 42-Q иллюстрирует резистивный ограничитель 4200 тока повреждения, который может находить применение во множестве вариантов применения, в том числе, размещение в сети электропередачи. Резистивный ограничитель 4200 тока повреждения включает в себя кожух или оболочку 4215, которая соединена последовательно с линией 4205 и нагрузкой 4210. Линия 4205, которая может быть сформирована либо из традиционных материалов, либо из модифицированных ЧНС-материалов, может входить в оболочку 4215 ограничителя тока повреждения через внешний разъем 4245. Входной проводник 4220, сформированный либо из традиционных материалов, либо из модифицированных ЧНС-материалов, подсоединен между внешним разъемом 4245 и секцией модифицированного ЧНС-материала 4230, которая размещается в оболочке 4215 ограничителя тока повреждения. Противоположный конец ЧНС-материала 4230 соединен с выходным проводником 4225, который может быть сформирован либо из традиционного материала, либо из модифицированного ЧНС-материала. Выходной проводник 4225 соединен с внешним разъемом 4250, который, в свою очередь, подключен к нагрузке 4210.

[001373] Параллельный импеданс 4240 может быть подключен последовательно между линией 4205 и нагрузкой 4210. Помимо этого, к оболочке 4215 ограничителя тока повреждения может быть подсоединен блок 4235 охлаждения для того, чтобы охлаждать модифицированный ЧНС-материал 4215 до его рабочей или окружающей температур. Несмотря на то, что модифицированный ЧНС-материал 4215 допускает работу в ЧНС-состоянии при температурах более высоких, чем обычные ВТСП-материалы (например, комнатных температурах, как описано здесь), блок 4235 охлаждения, тем не менее, может быть необходим для того, чтобы охлаждать модифицированный ЧНС-материал до его рабочей температуры вследствие чрезмерного тепла, которое может выделяться окружающим высоковольтным оборудованием передачи и от воздействия окружающего тепла или солнечного света при теплой погоде. Дополнительно, за счет управления температурой модифицированного ЧНС-материала можно регулировать характеристики или отклик ограничителя тока повреждения, как описано подробнее здесь.

[001374] Работа резистивного ограничителя 4200 тока повреждения согласуется с ранее описанными здесь принципами резистивных ограничителей тока повреждения. В частности, резистивный ограничитель 4200 тока повреждения подключается последовательно с линией 4205 и нагрузкой 4210. Когда состояния повреждения нет (т.е. в нормальном режиме работы), ток, протекающий через модифицированный ЧНС-материал 4230, остается ниже плотности критического тока модифицированного ЧНС-материала. В результате модифицированный ЧНС-материал остается в сверхпроводящем или ЧНС-состоянии с малым или нулевым сопротивлением или импедансом. Это позволяет устройствам в сети электропередачи работать эффективно, без добавочного сопротивления или импеданса, который ухудшал бы характеристики сети. Когда состояние повреждения присутствует, ток, протекающий через модифицированный ЧНС-материал 4230, увеличивается до уровня, который превышает плотность критического тока модифицированного ЧНС-материала. В результате модифицированный ЧНС-материал теряет свою сверхпроводимость или ЧНС-состояние и переходит в не-ЧНС-состояние. Этот переход в не-ЧНС-состояние вызывает резкое повышение сопротивления или импеданса защищаемых частей сети. В результате такое большое сопротивление или импеданс ограничивают протекание тока повреждения (и отклоняют большую часть электроэнергии повреждения к шунту 4240 для поглощения).

[001375] Фигура 43-Q является схематичной иллюстрацией индуктивного ограничителя тока повреждения, который ограничивает ток повреждения за счет использования трансформатора для введения импеданса в подлежащую защите цепь. Индуктивный ограничитель тока повреждения может быть реализован в виде трансформатора, как показано на фигуре 43-Q. Как показано, индуктивный ограничитель 4300 тока повреждения состоит из первичной обмотки, катушки 4310, и вторичной обмотки, катушки 4315. Цепь 4320, которая должна быть защищена, подключена последовательно с первичной обмоткой 4210. Вторичная обмотка 4315 является частью замкнутого контура, состоящего из модифицированного ЧНС-материала (хотя некоторая часть или вся первичная обмотка и присоединенная цепь могут также состоять из модифицированного ЧНС-материала). Хотя упоминается одна катушка, альтернативные системы могут использовать более чем одну катушку в качестве первичной индукционной катушки, вторичной индукционной катушки, или их обоих.

[001376] Когда состояния повреждения нет (т.е. в нормальном режиме работы), первичная обмотка создает магнитное поле, которое выталкивается из вторичной, короткозамкнутый виток, который остается ниже напряженности критического магнитного поля [H_кр] модифицированного ЧНС-материала. В результате модифицированный ЧНС-материал во вторичной цепи 4325 остается в его сверхпроводящем или ЧНС-состоянии с малым или отсутствующим сопротивлением и отражает малое или отсутствующее сопротивление и импеданс к первичному индуктору. Это позволяет защищаемой цепи 4320 (которая подключена последовательно с первичной) работать эффективно, без добавочного импеданса и потерь на сопротивление, которые ухудшали бы характеристики и эффективность цепи или защищаемой системы. Тем не менее, когда состояние повреждения присутствует, увеличенное магнитное поле проникает во вторичную и связывается с сердечником, что фактически наводит индуктивность во вторичной цепи, которая отражается на первичной. Этот переход в не-ЧНС-состояние вызывает резкое повышение сопротивления 4325 во вторичной цепи, что, в свою очередь, отражается на первичной вместе с потерями в сердечнике, которые являются резистивными. В результате импеданс и сопротивление, отражаемые на первичной цепи, служат для ограничения протекания тока повреждения в защищаемой цепи 4320 (которая подключена последовательно с первичной).

[001377] Фигура 44-Q иллюстрирует индуктивный ограничитель 4400 тока повреждения, который может использоваться во множестве вариантов применения. Первичная обмотка или катушка 4405, выполненная либо из традиционных материалов, либо из модифицированного ЧНС-материала, подключена последовательно с подлежащей защите цепью 4420. В первичной обмотке 4405 находится вторичная обмотка 4410, сформированная из замкнутого контура или короткозамкнутого витка из модифицированного ЧНС-материала, который служит защитой или экраном. (Альтернативно, вторичная обмотка 4410 может быть индуктивно связана с первичной обмоткой 4405, но не должна обязательно быть внутри первичной обмотки). В примере по фигуре 44-Q первичная намотана на трубку, образованную из ВТСП или модифицированного ЧНС-материала, который действует в качестве одновитковой вторичной обмотки. Катушка вторичной обмотки может быть сформирована вокруг сердечника 4415, который может быть выполнен из материалов нескольких типов, в том числе из ферромагнитных материалов, к примеру, железа, как описано здесь.

[001378] Работа индуктивного ограничителя 4400 тока повреждения согласуется с описанными здесь принципами индуктивных ограничителей тока повреждения. Когда состояние повреждения отсутствует (т.е. в нормальном режиме работы), первичная обмотка 4405 создает магнитное поле, которое ниже критической напряженности H_кр магнитного поля цилиндра из модифицированного ЧНС-материала 4410. Следовательно, магнитное поле выталкивается из вторичной, что действует в качестве защиты или экрана. В результате модифицированный ЧНС-материал во вторичной цепи 4410 остается в своем сверхпроводящем или ЧНС-состоянии, и малое или нулевое сопротивление и индуктивный импеданс отражается на первичной обмотке 4405. Это позволяет защищаемой цепи 4420 (которая подключена последовательно с первичной обмоткой) работать эффективно, без добавочного импеданса, который ухудшил бы характеристики или сопротивление, что снижало бы эффективность. Тем не менее, когда состояние повреждения присутствует, протекающий в первичной ток создает напряженность магнитного поля, которая превышает критическую напряженность H_кр магнитного поля модифицированного ЧНС-материала. В результате модифицированный ЧНС-материал во вторичной цепи 4410 переходит в не-ЧНС-состояние. Этот переход в не-ЧНС-состояние вызывает резкое повышение сопротивления вторичной цепи 4410, которое, в свою очередь, отражается ее индуктивным импедансом на первичной 4405. В результате этот большой импеданс, отраженный на первичной обмотке 4405, служит ограничению протекания тока повреждения в защищаемую цепь 4420 (которая подключена последовательно с первичной обмоткой 4405). Другими словами, при отсутствии состояний повреждения созданное первичной магнитное поле не связывается со вторичной, которая действует в качестве защиты или экрана. Таким образом, первичная находится при низком импедансе. Во время повреждения магнитное поле проникает через экран, превышая H_кр, вторичная цепь становится резистивной и индуктивный импеданс сердечника и его потери вводятся в цепь. Преимущество этого типа ограничителя тока повреждения состоит в том, что сопротивление и индуктивность в состояниях повреждения могут регулироваться по отдельности, чтобы удовлетворять характеристикам линии и нагрузок.

[001379] Фигура 45-Q является принципиальной схемой ограничителя тока повреждения насыщаемого реакторного типа, который ограничивает ток повреждения путем насыщения сердечника внутри несущей нагрузку катушки переменного тока с магнитным потоком постоянного тока. Реакторный ограничитель 4500 тока повреждения включает в себя источник 4510 переменного напряжения, подключенный последовательно с двумя катушками 4515 переменного тока и нагрузкой 4520, любая или обе из которых могут состоять, полностью или частично, из модифицированного ЧНС-материала. Реакторный ограничитель 4500 тока повреждения дополнительно включает в себя источник 4530 напряжения постоянного тока, подключенный последовательно с катушкой 4535 постоянного тока, сформированной из модифицированных ЧНС-материалов. Катушка переменного тока соединена с катушкой постоянного тока через сердечник, который может быть сформирован из нескольких возможных материалов, включая ферромагнитный материал, такой как сталь, как описано здесь. Катушка постоянного тока является частью замкнутого контура и состоит из модифицированного ЧНС-материала (хотя некоторая часть или вся катушка постоянного тока и присоединенная цепь могут также состоять из модифицированного ЧНС-материала). Хотя упоминается одна катушка, альтернативные системы могут использовать более чем одну катушку в качестве катушки постоянного тока, катушки переменного тока, или же и той, и другой.

[001380] Когда состояние повреждения отсутствует (т.е. в нормальном режиме работы), катушка 4535 постоянного тока вызывает насыщение сердечника, причем сердечник индуктивно связывает катушку 4535 постоянного тока с катушками 4515 переменного тока. Насыщенный сердечник приводит к низкому импедансу в катушках 4515 переменного тока, что позволяет току протекать нормально. Тем не менее, когда состояние повреждения присутствует, магнитный поток в катушках 4515 переменного тока повышается и заставляет сердечник становиться ненасыщенным. Ненасыщенность сердечника приводит к немедленному увеличению импеданса катушки переменного тока, что, в свою очередь, ограничивает ток повреждения.

[001381] Фигура 46-Q иллюстрирует ограничитель тока 4600 повреждения типа насыщаемого реактора, который может использоваться во множестве вариантов применения. Ограничитель 4600 тока повреждения типа насыщаемого реактора включает в себя две катушки 4610 и 4615 переменного тока, по меньшей мере одна из которых подключается к нагрузке переменного тока (не показана). Ограничитель 4610 тока повреждения типа насыщаемого реактора дополнительно включает в себя катушку 4620 постоянного тока, подключенную последовательно с источником напряжения постоянного тока (не показан). Катушки 4610 и 4615 переменного тока связаны с катушкой 4620 постоянного тока через сердечники 4625 и 4630, которые могут быть сформированы из нескольких возможных материалов, в том числе из ферромагнитного материала, к примеру, стали, как описано здесь. Катушка 4620 постоянного тока является частью замкнутого контура, состоящего из модифицированного ЧНС-материала (хотя некоторая часть или вся катушка постоянного тока и присоединенная цепь могут также состоять из модифицированного ЧНС-материала). Хотя упоминается одна катушка постоянного тока и две катушки переменного тока, альтернативные системы могут использовать одну или более катушек в качестве катушки постоянного тока, катушки переменного тока, или же и той, и другой.

[001382] Когда состояние повреждения отсутствует (т.е. в нормальном режиме работы), катушка 4620 постоянного тока вызывает насыщение сердечников 4625 и 4630, которые связаны как с катушкой 4620 постоянного тока, так и с катушками 4610 и 4615 переменного тока. Насыщенные сердечники 4625 и 4630 приводят к низкому импедансу в катушках 4610 и 4615 переменного тока, что позволяет току нормально протекать в защищаемой цепи переменного тока. Тем не менее, когда состояние повреждения присутствует, магнитный поток в катушках 4610 и 4615 переменного тока растет и заставляет сердечники 4625 и 4630 становиться ненасыщенными. Ненасыщенность сердечников 4625 и 4630 приводит к немедленному увеличению импеданса катушек 4610 и 4615 переменного тока, что, в свою очередь, ограничивает ток повреждения в защищаемой цепи переменного тока.

[001383] Ограничители тока повреждения, описанные здесь, могут быть реализованы с индукторами и другими компонентами, сформированными по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС или других материалов, как описано ниже.

Индукторы с ЧНС-компонентами

[001384] Описываются индукторы, такие как индукторы с воздушным сердечником или магнитным сердечником, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных пленок с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В некоторых примерах индукторы включают в себя сердечник и нанопроводную катушку, сформированную из модифицированной ЧНС-пленки. В некоторых примерах индукторы включают в себя сердечник и ленточную или фольговую катушку, сформированную из модифицированной ЧНС-пленки. В некоторых примерах индукторы формируют с использованием тонкопленочных модифицированных ЧНС-пленок. Модифицированные ЧНС-пленки оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики вращающихся машин при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[001385] В некоторых примерах модифицированные ЧНС-пленки изготавливают, исходя из типа материалов, применения модифицированной ЧНС-пленки, размера компонента, использующего модифицированную ЧНС-пленку, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей модифицированную ЧНС-пленку, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления индуктора материал, использованный в качестве базового слоя модифицированной ЧНС-пленки, и/или материал, использованный в качестве модифицирующего слоя модифицированной ЧНС-пленки, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и/или производственно-технологических характеристик.

[001386] Различные устройства, применения и/или системы могут использовать модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах настраиваемые или резонансные контуры и их варианты применения используют модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах трансформаторы и их варианты применения используют модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах устройства накопления энергии и их варианты применения используют модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах токоограничивающие устройства и их варианты применения используют ЧНС-индукторы.

[001387] Фигура 47-Q является схемой, иллюстрирующей индуктор 4700 с воздушным сердечником, имеющий модифицированную ЧНС-пленку. Индуктор 4700 включает в себя катушку 4710 и воздушный сердечник 4720. Когда катушка 4710 переносит ток (например, в направлении направо по странице), в сердечнике 4720 образуется магнитное поле 4730. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из модифицированной ЧНС-пленки, такой как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и сформированный на базовом слое модифицирующий слой. Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки подробно описываются здесь.

[001388] Аккумуляторная батарея или другой источник питания (не показан) могут прикладывать напряжение к модифицированной ЧНС-катушке 4710, заставляя ток протекать в катушке 4710. Будучи сформированной из модифицированной ЧНС-пленки, катушка 4710 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температуре окружающей среды (~21°C). Электрический ток в катушке создает в сердечнике 4720 магнитное поле, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[001389] Поскольку индуктор 4700 включает в себя катушку 4710, сформированную из материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (т.е. модифицированной ЧНС-пленки), индуктор может работать аналогично идеальному индуктору, когда катушка 4710 демонстрирует малые или нулевые потери вследствие обмоточного или последовательного сопротивления, типично обнаруживаемого в индукторах с традиционными проводящими катушками (например, медными катушками), независимо от тока через катушку 4710. То есть индуктор 4700 может демонстрировать очень высокую добротность (Q) (например, приближающуюся к бесконечности), которая представляет собой отношение его индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте, или Q=(индуктивное реактивное сопротивление)/сопротивление.

[001390] В некоторых примерах модифицированная ЧНС-катушка оказывает чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (~80-135 K) и комнатными температурами (~294 K). В этих примерах индуктор может включать в себя систему охлаждения (не показана), такую как криогенный охладитель или криостат, используемую для того, чтобы охлаждать катушку 4710 до критических температур используемого катушкой 4710 типа модифицированной ЧНС-пленки. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение катушки 4710 до температуры, аналогичной температуре жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре льда или тающего льда, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированной ЧНС-пленки, используемой в катушке 4710.

[001391] В некоторых примерах воздушный сердечник 4720 является самонесущим. В других примерах воздушный сердечник 4720 сформирован из немагнитного материала (не показан), такого как пластик или керамика. Материал или форма сердечника может выбираться на основе множества факторов. Например, выбор материала сердечника, имеющего более высокую проницаемость, чем проницаемость воздуха, в общем увеличивает напряженность наведенного магнитного поля 4730 и тем самым увеличивает индуктивность индуктора 4700. В другом примере выбор материала сердечника может определяться желанием уменьшать потери в сердечнике в высокочастотных вариантах применения. Специалисты в данной области техники поймут, что сердечник может быть сформирован из ряда различных материалов и с рядом различных форм, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[001392] Как известно в данной области техники, конфигурация катушки 4710 может влиять на определенные рабочие характеристики, такие как индуктивность. Например, число витков катушки, площадь поперечного сечения катушки, длина катушки и т.д. может влиять на индуктивность индуктора. Из этого следует, что индуктор 4700, хотя он показан в одной конфигурации, может быть сконфигурирован множеством способов, чтобы достигать определенных рабочих характеристик (например, значений индуктивности), с тем чтобы уменьшать определенные нежелательные эффекты (например, скин-эффекты, эффекты близости, паразитные емкости) и т.д.

[001393] В некоторых примерах катушка 4710 может включать в себя множество витков, лежащих параллельно друг другу. В некоторых примерах катушка может включать в себя небольшое число витков, которые навиты под различными углами друг к другу. Таким образом, катушка 4710 может быть сформирована во множестве различных конфигураций, таких как сотовые, шахматные рисунки, волновые обмотки, в которых последовательные витки располагаются крест-накрест под различными углами друг к другу, паутинные рисунки или пи-образные обмотки, в которых катушка образована из плоских спиральных катушек, разнесенных друг от друга, в виде многожильных проводов, в которых различные жилы изолированы друг от друга, чтобы уменьшать сопротивление переменному току, и т.д.

[001394] В дополнение к индукторам с воздушным сердечником, индукторы с магнитным сердечником, такие как индуктор 4800, могут также использовать модифицированные ЧНС-пленки, как теперь будет пояснено. Фигура 48-Q является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 4800 с магнитным сердечником, использующий модифицированную ЧНС-пленку. Индуктор 4800 включает в себя катушку 4810 и магнитный сердечник 4820, такой как сердечник, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов. Аналогично индуктору 4700 по фигуре 47-Q, в сердечнике 4820 образуется магнитное поле 4830, когда по катушке 4810 переносится ток. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из модифицированной ЧНС-пленки, такой как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и сформированный на базовом слое модифицирующий слой. Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки подробно описываются здесь. Будучи сформированной из модифицированной ЧНС-пленки, катушка 4810 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем температуры, используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, комнатные температуры или температуры окружающей среды (~21°C). Электрический ток в катушке создает магнитное поле 4830 в сердечнике 4820, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[001395] Магнитный сердечник 4820, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов, увеличивает индуктивность индуктора 4800, поскольку магнитная проницаемость магнитного материала в полученном магнитном поле 4830 выше проницаемости воздуха, и тем самым в большей степени поддерживает образование магнитного поля 4830 вследствие намагничивания магнитного материала. Например, магнитный сердечник может увеличить индуктивность на коэффициент 1000 или больше.

[001396] Индуктор 4800 может использовать различные иные материалы в магнитном сердечнике 4820. В некоторых примерах магнитный сердечник 4820 сформирован из ферромагнитного материала, такого как железо. В некоторых примерах магнитный сердечник 4820 сформирован из ферромагнитного материала, такого как феррит. В некоторых примерах магнитный сердечник 4820 сформирован из многослойных магнитных материалов, таких как шихтованные пластины из кремнистой стали. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы другие материалы, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 4800.

[001397] Помимо этого, магнитный сердечник 4820 (и, таким образом, индуктор 4800) может быть сконфигурирован во множестве различных форм. В некоторых примерах магнитный сердечник 4820 может быть стержнем или цилиндром. В некоторых случаях магнитный сердечник 4820 может быть тороидом. В некоторых случаях магнитный сердечник 4820 может быть подвижным, позволяя индуктору 4800 реализовывать переменные индуктивности. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы другие формы и конфигурации, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 4800. Например, магнитный сердечник 4820 может быть сконструирован с возможностью ограничивать различные недостатки, такие как потери в сердечнике вследствие вихревых токов и/или гистерезис и/или нелинейность индуктивности, помимо прочего.

[001398] Таким образом, в некоторых примерах формирование катушки 4710 индуктора 4700 или катушки 4810 индуктора 4800 с использованием модифицированных ЧНС-материалов и/или компонентов, таких как модифицированные ЧНС-пленки, увеличивает добротность Q индукторов за счет снижения или исключения сопротивления току в катушках, помимо других преимуществ.

Изготовление и/или формирование индукторов, состоящих из ЧНС-пленок

[001399] Как описано здесь, в некоторых примерах катушка индуктора демонстрирует чрезвычайно низкие сопротивления переносимому току, поскольку она сформирована из модифицированных ЧНС-материалов. Фигура 49A-Q является изображением, показывающим индуктор 4900, использующий модифицированный ЧНС-нанопровод. Индуктор 4900 включает в себя катушку 4902, сформированную в виде модифицированного ЧНС-нанопровода, который составлен из описанных здесь ЧНС-компонентов, таких как модифицированные ЧНС-пленки.

[001400] При формировании ЧНС-провода множественные ЧНС-ленты или фольги могут размещаться сэндвичем с образованием макропровода. Например, катушка может включать в себя несущую конструкцию и одну или более ЧНС-лент или фольг, поддерживаемых несущей конструкцией.

[001401] В дополнение к ЧНС-проводам, индукторы могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[001402] В дополнение к нанопроводам, модифицированные ЧНС-ленты или фольги также могут быть использованы описанными здесь индукторами и устройствами. Фигура 49B-Q является схемой, иллюстрирующей индуктор 4910, использующий модифицированную ЧНС-ленту или фольгу. Индуктор 4910 включает в себя сердечник 4912, такой как железный сердечник, и катушку 4914, сформированную из модифицированной ЧНС-ленты.

[001403] Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения из раствора для того, чтобы формировать ЧНС-материалы.

[001404] Кроме того, тонкопленочные индукторы могут использовать описанные здесь ЧНС-компоненты. Фигура 49C-Q является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 4920, использующий модифицированный тонкопленочный ЧНС-компонент. Индуктор 4920 включает в себя модифицированную ЧНС-катушку 4922, сформированную на печатной плате 4924, и необязательный магнитный сердечник 4926. Катушка 4922, которая может быть модифицированной ЧНС-пленкой, вытравленной на плате 4924, может быть сформирована во множестве конфигураций и/или рисунков, в зависимости от потребностей устройства или системы, использующей индуктор. Дополнительно, необязательный магнитный сердечник 4926 может быть вытравлен на платах 4924, как показано, или может быть плоским сердечником (не показан), размещенным выше и/или ниже катушки 4922.

[001405] Таким образом модифицированные ЧНС-пленки могут быть сформированы в ленты, фольги, стержни, полосы, нанопровода, тонкие пленки и другие формы, геометрии или структуры, способные на протекание или перенос тока от одной точки к другой, чтобы создавать магнитное поле.

[001406] В некоторых примерах тип материалов, используемых в модифицированных ЧНС-пленках, может быть определен типом применения, использующего пленки. Например, некоторые варианты применения могут использовать модифицированные ЧНС-пленки, имеющие ЧНС-слой BSCCO, тогда как другие применения могут использовать слой YBCO. То есть описанные здесь модифицированные ЧНС-пленки могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или нанопровода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа машины или компонента, использующего модифицированные ЧНС-пленки, помимо прочих факторов.

[001407] Различные процессы могут использоваться при изготовлении индуктора, такого как индукторы 4900, 4910 и/или 4920. В некоторых примерах сердечник формируется, поддерживается, принимается и/или размещается. Сердечник может принимать различные формы или конфигурации. Примерные конфигурации включают в себя цилиндрический стержень, I-образную форму, C- или U-образную форму, E-образную форму, парную Е-образную форму, куполообразную форму, тороидальную форму, форму кольца или валика, плоскую (планарную) форму и т.д. Сердечник может быть сформирован из различных немагнитных и магнитных материалов. Примерные материалы включают в себя железо или мягкое железо, кремнистую сталь, различные многослойные материалы, сплавы кремния, карбонильное железо, железные порошки, ферримагнитную керамику, стекловидные или аморфные металлы, керамику, пластмассу, воздух и т.д.

[001408] Помимо этого, катушка, такая как катушка, сформированная из модифицированного ЧНС-нанопровода, ленты или тонкой пленки, выполнена с требуемой формой или рисунком и связана со сформированным или поддерживаемым сердечником. В некоторых примерах сердечник отсутствует, и модифицированный ЧНС-нанопровод выполнен с требуемой формой или рисунком. В некоторых примерах модифицированная нанопроводная ЧНС-катушка вытравливается непосредственно на печатной плате, а плоский магнитный сердечник размещается относительно вытравленной катушки. Специалисты в данной области техники поймут, что другие процессы изготовления могут быть использованы при изготовлении и/или формировании описанных здесь индукторов.

[001409] Хотя выше в общем описывается один ограничитель тока повреждения для каждого варианта применения, два или более ограничителя тока повреждения могут быть предусмотрены в неком данном кристалле (микросхеме), кожухе, подстанции сети или в другом окружении. Действительно, некое данное окружение может использовать один или более кристаллов или вариантов реализации, имеющих один или более раскрытых ограничителей тока повреждения, которые, в свою очередь, могут быть встроены в один или более кожухов, и которые могут дополнительно быть встроены в окружения большего масштаба, к примеру, в электрораспределительную сеть. Конечно, описанные здесь ограничители тока повреждения могут быть изготовлены вместе как с ЧНС-материалом, так и с традиционными материалами.

Дополнительные применения ограничителей тока повреждения с ЧНС-компонентами

[001410] Ограничители тока повреждения, описанные выше, могут подходить для использования во множестве вариантов применения, начиная от использования на кристалле и заканчивая использованием в электросети. За счет использования модифицированного ЧНС-материала в таких ограничителях тока повреждения, ограничители тока повреждения оказывают на порядки величины меньшее сопротивление, чем лучшие общепринятые проводники при аналогичных условиях.

[001411] Дополнительно, такие ограничители тока повреждения могут быть изготовлены в меньших и более компактных формах, к примеру, на кристаллах, как отмечено выше, где такие кристаллы могут включать в себя другие компоненты, такие как логика, аналоговые схемы и т.п. За счет использования внутрикристальных ограничителей тока повреждения кристалл может, очевидно, извлекать преимущества из улучшенной защиты и производительности. За счет использования ЧНС-материала в кристалле, кристалл может также достигать большей плотности схем, помимо других преимуществ. Например, за счет использования ЧНС-материала, кристалл имеет меньшее тепловыделение и может использовать более тонкие проводники, поскольку больше тока может проходить при идентичной ширине линии. Проводники и межсоединения могут быть изготовлены от ЧНС-материала. Кроме того, сигналы могут быть переданы без усиления, поскольку вносимые потери значительно уменьшаются.

[001412] Как отмечено выше, модифицированный ЧНС-материал имеет характеристики, которые зависят от температуры. В результате описанные здесь ограничители тока повреждения, использующие модифицированный ЧНС-материал, аналогично зависят от температуры. Изменение температуры влияет на проникновение поля в ленточные проводники, что влияет на глубину проникновения магнитного потока. Такие изменения материала могут моделироваться на основе характера зависимости температура - отклик у модифицированных ЧНС-материалов, как описано здесь, или могут выводиться эмпирически. А именно, за счет использования модифицированных ЧНС-материалов, сопротивление линии пренебрежимо мало, но это сопротивление может регулироваться на основе температуры, как показано на приведенных здесь температурных графиках. Следовательно, конструкция ограничителя тока повреждения может быть скорректирована, чтобы компенсировать температуру, или работа ограничителя тока повреждения может регулироваться путем варьирования температуры.

[001413] Обращаясь к фигуре 50-Q, там показан пример системы 5000, которая включает в себя схемы 5010, соединенные со схемой 5015 регулирования температуры, и логику 5020. (Хотя все блоки показаны взаимно соединенными на фигуре 50-Q, возможно меньшее число соединений). Схемы 5010 используют один или более описанных здесь ограничителей тока повреждения, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала. Логика управляет схемой регулирования температуры, которая управляет, в свою очередь, охладителем/холодильником, к примеру, криогенным, жидкостным или газовым охладителем, который охлаждает схемы 5010. Таким образом, чтобы увеличить чувствительность или отклик системы 5000, логика 5020 сигнализирует схеме 5015 регулирования температуры понизить температуру схем 5010. В результате схемы 5010, использующие ЧНС-материал, вынуждают ЧНС-материал увеличивать удельную электропроводность, тем самым увеличивая чувствительность или отклик схемы.

[001414] Хотя показаны отдельные ограничители тока повреждения, ограничители тока повреждения могут быть объединены, образуя группы или массивы ограничителей тока повреждения, или другие более сложные системы ограничителей тока повреждения. Как и при других категориях ограничителей тока повреждения, поясненных здесь, возможны многие конфигурации массивов ограничителей тока повреждения, которые являются конструктивными соображениями для проектировщика, реализующего ограничитель тока повреждения или систему с множественными ограничителями тока повреждения, которые по меньшей мере частично сформированы из модифицированного ЧНС-материала. Описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы в системах с множественными ограничителями тока повреждения, которые содержат комбинацию двух или более описанных здесь ограничителей тока повреждения и принципов, даже если эти комбинации явно не описываются. Действительно, такие системы с множественными ограничителями тока повреждения могут использовать два или более разнородных или разнородных ограничителя тока повреждения (например, резистивный и индуктивный), а не просто аналогичные или однородные ограничители тока повреждения (например, оба индуктивные). Такая система ограничителей тока повреждения может включать в себя относительно однородные ограничители тока повреждения, все сформированные из модифицированного ЧНС-материала, или разнородное сочетание различных типов ограничителей тока повреждения, причем некоторые ограничители тока повреждения сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинацию различающихся ограничителей тока повреждения и различающихся материалов. Таким образом, сложные системы ограничителей тока повреждения могут использовать два или более ограничителя тока повреждения, образованные из двух или более однородных ограничителей тока повреждения, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, двух или более разнородных ограничителей тока повреждения, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, и/или двух или более однородных/разнородных ограничителей тока повреждения, сформированных как из традиционных проводников, так и из модифицированного ЧНС-материала.

[001415] Хотя здесь описаны конкретные примеры ограничителей тока повреждения, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из модифицированных ЧНС-материалов, специалисты в данной области техники поймут, что фактически любая конфигурация ограничителя тока повреждения может использовать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, принимать сигналы или передавать или модифицировать электромагнитные сигналы. (Хотя ЧНС-материал может быть использован с любыми проводящими элементами в цепи, может быть более уместно констатировать, в зависимости от определения термина ʺпроводящийʺ, что модифицированный ЧНС-материал способствует распространению энергии или сигналов по своей длине или площади). В результате невозможно перечислить подробно все возможные ограничители тока повреждения и системы ограничителей тока повреждения, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001416] Хотя некоторые подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых ограничителей тока повреждения, возможно множество других геометрий. Эти другие геометрии включают в себя различные рисунки, конфигурации или компоновки по длине и/или ширине, в дополнение к различиям в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур (например, в типах катушек и сердечников). Авторы изобретения предполагают, что фактически все ограничители тока повреждения и относящиеся к ним системы, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и полагают, что специалисты в данной области техники, которым в этой заявке предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, ограничителей тока повреждения и принципов, смогут реализовать, без чрезмерного экспериментирования, другие ограничители тока повреждения с одним или более компонентами, сформированными полностью или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

[001417] В некоторых вариантах реализации ограничитель тока повреждения (FCL), который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[001418] Индуктивный ограничитель тока повреждения, содержащий: первичную индукционную катушку, подключенную последовательно с подлежащей защите цепью; и вторичную индукционную катушку, размещенную последовательно в замкнутом контуре; при этом первичная индукционная катушка и вторичная индукционная катушка индуктивно связаны вместе так, что между первичной индукционной катушкой и вторичной индукционной катушкой может взаимно наводиться индуктивность; при этом вторичная индукционная катушка содержит сердечник и модифицированный нанопровод с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, по меньшей мере частично окружающей сердечник; и при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001419] Аппарат, содержащий: первую трехмерную катушку, намотанную по меньшей мере частично вокруг первого сердечника; вторую трехмерную катушку, намотанную по меньшей мере частично вокруг второго сердечника; при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка каждая включают в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала; и при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка индуктивно через первую трехмерную катушку и вторую трехмерную катушку.

[001420] Индуктивный ограничитель тока повреждения для использования в сети распределения электроэнергии, содержащий: первичную индукционную катушку, подключенную последовательно с подлежащей защите цепью, которая размещена ниже по сети от источника генерации электроэнергии; и вторичную индукционную катушку, размещенную последовательно в замкнутом контуре; при этом первичная индукционная катушка и вторичная индукционная катушка индуктивно связаны вместе так, что между первичной индукционной катушкой и вторичной индукционной катушкой может взаимно наводиться индуктивность; при этом первичная индукционная катушка и вторичная индукционная катушка выполнены с такими размерами и скомпонованы так, чтобы выдерживать токи или напряжения более высокие, чем токи или напряжения, связанные с электроэнергией, поставляемой стандартным бытовым потребителям; при этом вторичная индукционная катушка содержит сердечник и модифицированный нанопровод с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, по меньшей мере частично окружающей сердечник; и при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001421] Резистивный ограничитель тока повреждения, содержащий: резистивный элемент, соединенный с подлежащей защите цепью, при этом резистивный элемент подсоединен последовательно между цепью и источником электроэнергии; при этом резистивный элемент включает в себя по меньшей мере часть, которая сформирована из модифицированного ЧНС-нанопровода или ленты, которая сформирована из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001422] Реакторный ограничитель тока повреждения, содержащий: первичную индукционную катушку, подключенную последовательно с подлежащей защите цепью, при этом подлежащая защите цепь принимает мощность переменного тока; и вторичную индукционную катушку, размещенную последовательно в замкнутом контуре; при этом первичная индукционная катушка и вторичная индукционная катушка индуктивно связаны вместе так, что между первичной индукционной катушкой и вторичной индукционной катушкой может взаимно наводиться индуктивность; при этом вторичная индукционная катушка содержит сердечник и модифицированный нанопровод с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, по меньшей мере частично окружающей сердечник; при этом вторичная индукционная катушка связана с источником напряжения постоянного тока; и при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001423] Аппарат для защиты прибора или устройства, содержащий: первый модифицированный ЧНС-нанопровод или ленту, сформированные в форме первой трехмерной катушки, при этом первый модифицированный ЧНС-нанопровод или лента сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом; второй модифицированный ЧНС-нанопровод или ленту, сформированные в форме второй трехмерной катушки вокруг сердечника, при этом второй модифицированный ЧНС-нанопровод или лента сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом; при этом вторая трехмерная катушка принимает напряжение постоянного тока, при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка размещены так, что между первой трехмерной катушкой и второй трехмерной катушкой может взаимно наводиться индуктивность; и выходной электрический разъем для разъемного соединения первой трехмерной катушки с подлежащим защите прибором или устройством; входной электрический разъем для приема внешней электрической мощности переменного тока; и кожух для размещения первой трехмерной катушки и второй трехмерной катушки, выходного электрического разъема и входного электрического разъема.

Глава 17. Трансформаторы, сформированные из ЧНС-материалов

[001424] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37-R по 50-R; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001425] Идеальный трансформатор не имел бы никаких потерь энергии и был бы эффективным на 100%, но традиционные трансформаторы рассеивают энергию в обмотках, сердечнике и т.д., зачастую вследствие сопротивления в проводниках. Существующие трансформаторы с использованием сверхпроводящих обмоток достигли эффективностей свыше 99%, так как большинство потерь происходит вследствие электрического сопротивления в обмотках. Тем не менее, трансформаторы со сверхпроводящими обмотками имеют недостаток в том, что требуют затратного, ненадежного криогенного охлаждения для достижения высокой эффективности (кпд).

[001426] Более детально здесь описываются различные типы трансформаторов, использующих обмотки или индукционные катушки, сформированные из модифицированных, щелевых и/или других новых пленок и материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), которые преодолевают большинство проблем существующих трансформаторов и тем самым приближаются к идеальному трансформатору. Описанные здесь трансформаторы фактически уменьшают сопротивление обмотки до нуля. Другие потери в трансформаторах возникают от вихревых токов, потерь на гистерезис, магнитострикции и потерь от полей рассеяния. Некоторые из этих потерь непосредственно не компенсируются при использовании ЧНС-материала, но другие, такие как потери переменного тока в обмотках, могут быть уменьшены посредством использования ЧНС-материала.

[001427] Различные устройства, применения и/или системы могут использовать описанные здесь трансформаторы, все из которых используют описанные ниже модифицированные ЧНС-материалы. Эти трансформаторы обеспечивают многочисленные преимущества, такие как трансформаторы, которые являются более эффективными, чем изготовленные из традиционных материалов или существующих ВТСП-материалов. Дополнительное преимущество заключается в том, что описанные здесь трансформаторы способны занимать меньше места, чем изготовленные из традиционных материалов и существующих ВТСП-материалов. Уменьшение размера следует из увеличенной плотности тока модифицированных ЧНС-материалов, которые образуют обмотки трансформаторов, и сниженного требования по рассеянию тепла из этих обмоток. Кроме того, трансформаторы с обмотками из ВТСП-материалов требует криогенного охлаждения, которое может требовать модификаций для теплообмена обмоток, чтобы гарантировать то, что все части обмоток поддерживаются ниже критической температуры (T_кр). Соответственно, описанные здесь трансформаторы, использующие модифицированный ЧНС-материал, предоставляют возможность защищать цепи, понижать/повышать переменное напряжение или обеспечивают другие преимущества в вариантах применения в диапазоне от мелкомасштабных до крупномасштабных. Например, описанные здесь трансформаторы могут использоваться в качестве зарядных устройств для в небольших электронных устройств(ах), таких как мобильные телефоны, в источниках питания для больших электронных устройств, таких как телевизоры или стереосистемы, или они могут быть использованы в крупномасштабных применениях, к примеру, в оборудовании подстанций или в региональных системах передачи и распределения электроэнергии, которые переносят тысячи ампер.

[001428] Любой из описанных здесь трансформаторов может быть одного или более из нескольких общих типов трансформаторов, включая автотрансформаторы, многофазные трансформаторы, согласующие трансформаторы, развязывающие, разделительные или изолирующие трансформаторы, многофазные трансформаторы, трансформаторы утечки реактивного сопротивления чрезмерной утечки, резонансные трансформаторы, повышающие или понижающие трансформаторы, и т.д. За счет использования ЧНС-материалов для индукторов и других элементов описанных здесь трансформаторов могут быть изготовлены трансформаторы, которые находят широкое применения во многих технологиях, для использования в защите или изоляции различных электронных устройств и электрических систем, среди других вариантов применения.

[001429] Раскрытые здесь трансформаторы являются подходящими для вариантов применения множества различных масштабов. Например, эти варианты применения могут простираться от мелкомасштабных применений на уровне компонента или кристалла (например, чтобы защищать схемы или изменять уровни напряжения) к среднемасштабным применениям на уровне системы или устройства (например, в источниках питания переменного тока на 120 Вольт) и до крупномасштабных применений в электрических сетях распределения или передачи. Прежде чем привести подробности, касающиеся новых трансформаторов, будут приведены некоторые подробности, касающиеся некоторых вариантов применения трансформаторов.

[001430] Касаясь мелкомасштабных применений, фигура 37-R является принципиальной схемой, иллюстрирующей кристалл (микросхему) или другую монолитную структуру, содержащую трансформатор, использующий модифицированный ЧНС-материал. Кристалл 3700 содержит схему 3710, которая должна быть защищена/изолирована, которая работает от выпрямленного и отфильтрованного повышенного/пониженного напряжения, и т.п., через трансформатор 3705. Схема 3710 может состоять из одной или более отдельных схем или схемных компонентов. В варианте реализации по фигуре 37-R трансформатор 3705 размещен последовательно с защищаемой схемой 3710. Тем не менее, специалисты в данной области техники поймут, что трансформатор может подключаться к схеме в любой из нескольких возможных конфигураций, включая параллельное соединение, связь через электрическое или магнитное поле, и т.д.

[001431] За счет использования внутрикристальных трансформаторов, кристалл может, очевидно, извлекать преимущество из общеизвестных преимуществ и работы трансформаторов, но может пользоваться множеством дополнительных преимуществ. За счет использования ЧНС-материала в кристалле 3700, кристалл может достигать большей плотности схем, помимо других преимуществ. Например, за счет использования ЧНС-материала, кристалл имеет меньше тепловых потерь и может использовать более тонкие проводники, поскольку по проводнику может протекать больший ток. Проводники и/или межсоединения могут быть изготовлены из ЧНС-материала. Кроме того, сигналы могут быть переданы без усиления, поскольку вносимые проводниками потери значительно уменьшаются. Дополнительно, кристалл может быть изготовлен некоторыми из методов изготовления интегральных схем наименьшего масштаба, таких как технология с минимальным размером топологического элемента ≤45 нм. При уменьшенном размере топологического элемента проектировщики схем имеют меньше ограничений по размещению и длине проводников, что может ускорить физическую реализацию, помимо других преимуществ.

[001432] Касаясь среднемасштабных применений, фигура 38-R иллюстрирует один пример системы 3800, который включает в себя трансформатор, заключенный в кожух и соединенный с устройством, таким как бытовой прибор. Например, трансформатор 3825 может находиться на плате (к примеру, PCB) и может быть смонтирован в одном кожухе 3820, тем самым образуя блок или прибор, чтобы защищать/изолировать и запитывать любое подсоединенное к нему электрооборудование. Например, кожух 3820 может содержать гнездовой разъем на одном конце и шнур питания со штекерным разъемом на противоположном конце. В этом примере потребитель может включить электрическое устройство (такое как компьютер или телевизор 3805) в гнездовой разъем 3810 кожуха 3820 трансформатора и включить штекерный конец 3830 в электрическую розетку 3840. Электрическое устройство 3805 будет при этом защищено и запитываться трансформатором 3825. Конечно, трансформатор может быть интегрирован с другими компонентами в самом электрооборудовании (например, на одной печатной плате в качестве схем устройства), и таким образом размещен в кожухе с этими другими схемами. Таким образом, трансформатор может быть заключен в компьютере или телевизоре 3805, вместо того, чтобы быть внешним, отдельным блоком.

[001433] Хотя показан телевизор 3805, специалисты в данной области техники поймут, что трансформатор 3825 может быть соединен с или интегрирован с множеством бытовых устройств, таких как стереофоническая аппаратура, будильники, кухонная бытовая техника, электроинструменты и т.п. Кроме того, трансформатор 3825 может быть использован с любым другим устройством, таким как медицинские или научные устройства. Кроме того, специалисты в данной области техники поймут, что трансформатор 3825 и разъемы к нему могут варьироваться и не ограничены подключениями в стандартные розетки или к стандартным для потребительских товаров напряжениям.

[001434] Трансформаторы находят значительное применение в крупномасштабных вариантах применения, к примеру, в сетях электропередач (электроэнергетических системах). Фигура 39-R является иллюстрацией сети электропередач, которая включает в себя по меньшей мере один трансформатор, который использует модифицированные ЧНС-материалы. Электростанция 3910 генерирует электричество, которое питает сеть. Электростанция может быть любого типа, способного на генерирование электричества для использования в сети, такой как угольная, геотермальная, ядерная, метановая, гидро, ветряная или солнечная. После генерации напряжение от электростанции 3910 поднимается (или ʺповышаетсяʺ) до более высокого напряжения, которое является подходящим для передачи на большое расстояние, к примеру, 230 кВ. Повышение напряжения может происходить в открытом распределительном устройстве (ОРУ) 3915 высокого напряжения, которое может включать в себя повышающий трансформатор 3920, который повышает напряжение через последовательность катушек, намотанных вокруг сердечника.

[001435] Повышенное напряжение передается по высоковольтным линиям 3925 передачи к подстанции 3930. Подстанция 3930 включает в себя понижающий трансформатор 3935, который понижает напряжение до уровня, подходящего для местного распределения, к примеру, до 13,3 кВ. Напряжение распределения затем переносится по линиям 3937 распределения к дополнительным понижающим трансформаторам, находящимся около различных потребителей, таких как дом 3940, школа 3945 или больница 3950. Электрическая сеть 3900 может включать в себя промежуточный трансформатор 3955, подсоединенный между повышающим трансформатором 3915 и понижающим трансформатором 3930. Дополнительно, специалисты в данной области техники поймут, что больше трансформаторов может быть размещено в упрощенной сети по фигуре 39-R.

[001436] Фигура 40-R является принципиальной схемой, иллюстрирующей трансформатор 4000, имеющий модифицированные первичную и вторичную ЧНС-обмотки. Трансформатор 4000 включает в себя магнитный сердечник 4010, первичную обмотку 4020, имеющую витки 4025 первичной обмотки, и вторичную обмотку 4030, имеющую витки 4035 вторичной обмотки. Первичная обмотка 4020 и вторичная обмотка 4030 сформированы из модифицированных ЧНС-материалов, таких как модифицированные ЧНС-нанопровода. Как отмечено выше, в некоторых примерах трансформатор 4000 может быть частью энергосети общего пользования, в то время как в других примерах трансформатор 4000 может быть частью установок и других электронных устройств, которые повышают или понижают напряжения питания в ходе работы. В некоторых примерах трансформатор 4000 может быть сигнальным или аудиотрансформатором, а не силовым трансформатором. Специалисты в данной области техники поймут, что трансформатор 4000 может быть реализован во многих других применениях и устройствах, не описанных здесь. Специалисты в данной области техники поймут, что различные схемы размещения сердечника и компоновки обмоток могут быть реализованы в зависимости от варианта применения.

[001437] Использование материалов с чрезвычайно низким сопротивлением, таких как описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы, может обеспечить множество разных преимуществ и выгод трансформатору 4000 и/или различным применениям. Например, трансформаторы, использующие модифицированные ЧНС-материалы в катушках, демонстрируют меньшие потери на сопротивление, что может существенно влиять на эксплуатационные затраты посредством минимизации потерь энергии в трансформаторе, помимо других преимуществ, при недопущении проблем, связанных с традиционными сверхпроводящими материалами, таких как стоимость и надежность криогенных систем охлаждения, помимо прочего.

[001438] Фигура 41A-R иллюстрирует другой трансформатор 4100, который может находить применение во множестве вариантов применения, включая размещение в сети электропередач. Трансформатор 4100 включает в себя кожух или оболочку 4115, которая соединяется с линией 4105 и нагрузкой 4110. Линия 4105, которая может быть сформирована либо из традиционных материалов, либо из модифицированных ЧНС-материалов, может входить в оболочку 4115 трансформатора через внешнее соединение 4145. Первичная или первая обмотка 4120, соединенная с линией 4105 и сформированная либо из традиционных материалов, либо из модифицированных ЧНС-материалов, намотана вокруг сердечника 4130, который размещается в оболочке 4115 трансформатора. Вторая обмотка 4125 намотана вокруг противоположного конца сердечника 4130 и может быть сформирована либо из традиционного материала, либо из модифицированного ЧНС-материала. Выходной проводник 4150 подсоединен между второй катушкой 4125 и нагрузкой 4110.

[001439] В зависимости от применения, оболочка 4115 может содержать охладитель, такой как трансформаторное масло; тем не менее, за счет использования модифицированного ЧНС-материала, использование или потребность в охладителях может уменьшаться или исключаться. Помимо этого, с оболочкой 4115 трансформатора может быть связан блок 4135 охлаждения, чтобы охлаждать модифицированный ЧНС-материал 4115 до температуры окружающей среды. Хотя модифицированный ЧНС-материал способен работать в сверхпроводящем состоянии при комнатных температурах, как описано здесь, блок 4135 охлаждения может, тем не менее, быть необходимым, чтобы охлаждать модифицированный ЧНС-материал до комнатных температур вследствие чрезмерного тепла, которое может быть выделено окружающим высоковольтным оборудованием передачи и при воздействии окружающего тепла или прямого солнечного света в теплую погоду. Дополнительно, путем управления температурой модифицированного ЧНС-материала могут регулироваться электрические характеристики или отклик трансформатора, как описано подробнее здесь.

[001440] В зависимости от применения, шунт 4140 материала сердечника может быть размещен между первичной и вторичной обмотками, к примеру, чтобы ограничивать вторичный ток короткого замыкания. Этот тип трансформатора называется трансформатором с повышенным магнитным рассеянием или высокой индуктивностью рассеяния. Обращаясь к фигуре 41B-R, показан простой пример трансформатора 4150 с высокой индуктивностью рассеяния. Как показано, трансформатор включает в себя первичную обмотку 4155 и вторичную обмотку 4160, каждая из которых намотана вокруг соответствующей ветви сердечника 4165. А именно, сердечник включает в себя шунт 4170 между первичной и вторичной обмотками.

[001441] Фигура 42A-R иллюстрирует трехфазный трансформатор 4200 с сердечником, который может использоваться во множестве вариантов применения. Первая, вторая и третья первичные обмотки 4210, 4220 и 4230 каждая включают в себя отдельные контактные выводы 4215, 4225 и 4235. Аналогично, первая, вторая и третья вторичные обмотки 4250, 4260 и 4270 каждая включают в себя отдельные контактные выводы 4255, 4265 и 4275. (Фигура 42A-R показывает вид в поперечном сечении первых первичной и вторичной обмоток и половины вторых первичной и вторичной обмоток). Первичные и вторичные обмотки могут быть соединены звездой, треугольником или в других конфигурациях (в частности, при преобразовании, задействующем больше фаз, катушек, сердечников, и т.д.)

[001442] Первые, вторые и третьи первичные и вторичные обмотки образованы вокруг сердечника 4240, как показано на чертеже по фигуре 42A-R. Сердечник 4240 может быть изготовлен из материалов нескольких типов, включая ферромагнитные материалы, к примеру, сталь, как описано здесь. Фигура 42B-R показывает трехфазный броневой трансформатор 4280, который практически аналогичен трансформатору 4200, но включает в себя броневой магнитопровод (сердечник) 4285, как показано.

[001443] Трехфазные трансформаторы находят конкретное применение в электрораспределительных сетях, которые используют трехфазное электрическое распределение. Хотя показано три фазы, возможно использование большего числа фаз. Любой многофазный трансформатор может включать в себя группу из трех или более однофазных трансформаторов, или все фазы включены в один многофазный трансформатор. Возможно любое число обмоток и конфигураций сердечника, чтобы давать в результате различные атрибуты, сдвиги фаз или другие свойства.

[001444] Фигура 43-R показывают пример автотрансформатора 4300, где части одной и той же обмотки действуют в качестве как первичной, так и вторичной обмотки. Как показано, трансформатор 4300 включает в себя первичную обмотку 4310, соединенную с одной единственной катушкой 4330. Вторичная обмотка 4320 включает в себя подвижный отвод 4340, хотя возможны два или более фиксированных отвода, и обмотка 4330 в примере по фигуре 43-R намотана или образована вокруг сердечника.

[001445] Возможно множество других типов трансформаторов. Один другой пример показан на фигуре 44-R, хотя возможны многие другие. Как показано на фигуре 44-R, трансформатор 4400 включает в себя две катушки 4410 и 4415 и промежуточную катушку 4420. Катушки 4410 и 4415 индуктивно связаны с катушкой 4420 через сердечники 4425 и 4430, вокруг которых соответственно образованы катушки 4410 и 4415. Сердечники могут быть сформированы из нескольких возможных материалов, включая ферромагнитный материал, к примеру, сталь, как описано здесь.

[001446] Возможно множество других геометрий. Например, могут использоваться тороидальные сердечники. Известно множество других геометрий сердечника. Дополнительно, как описано здесь, сердечник может быть сформирован из множества различных типов материалов, даже сердечники, которые могут частично или полностью использовать модифицированный ЧНС-материал.

[001447] В дополнение к различным сердечникам, возможны различные обмотки, как описано ниже. Например, трансформаторы могут быть образованы из индукторов, выполненных с прямоугольной лентой или полосой, изолированной соответствующим изолятором. Обмотки могут быть организованы таким образом, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и паразитную емкость, тем самым улучшая электрические характеристики, к примеру, частотную характеристику. Дополнительно, трансформаторы могут включать в себя обмотки с несколькими отводами или выводами, чтобы тем самым позволить выбирать множественные коэффициенты трансформации.

[001448] Описанные здесь трансформаторы могут все быть реализованы с индукторами и другими компонентами, сформированными по меньшей мере частично из модифицированного ЧНС или других материалов, как описано ниже.

Индукторы с модифицированными, щелевыми и/или другими ЧНС-компонентами

[001449] Описываются индукторы, такие как индукторы с воздушным сердечником или с магнитным сердечником, которые включают в себя компоненты, сформированные из модифицированных пленок с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). В некоторых примерах индукторы включают в себя сердечник и нанопроводную катушку, сформированную из модифицированной ЧНС-пленки. В некоторых примерах индукторы включают в себя сердечник и ленточную или фольговую катушку, сформированную из модифицированной ЧНС-пленки. В некоторых примерах индукторы формируют с использованием тонкопленочных модифицированных ЧНС-пленок. Модифицированные ЧНС-пленки оказывают чрезвычайно низкие сопротивления току при температурах более высоких, чем температуры, обычно ассоциирующиеся с существующими высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), улучшая рабочие характеристики индукторных машин при этих более высоких температурах, помимо других преимуществ.

[001450] В некоторых примерах модифицированные ЧНС-пленки изготавливают, исходя из типа материалов, применения модифицированной ЧНС-пленки, размера компонента, использующего модифицированную ЧНС-пленку, эксплуатационных требований к устройству или машине, использующей модифицированную ЧНС-пленку, и т.д. По сути, в ходе конструирования и изготовления индуктора материал, использованный в качестве базового слоя модифицированной ЧНС-пленки, и/или материал, использованный в качестве модифицирующего слоя модифицированной ЧНС-пленки, может быть выбран на основе различных соображений и требуемых рабочих и/или производственно-технологических характеристик.

[001451] Различные устройства, применения и/или системы могут использовать модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах настраиваемые или резонансные контуры и их варианты применения используют модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах трансформаторы и их варианты применения используют модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах устройства накопления энергии и их варианты применения используют модифицированные ЧНС-индукторы. В некоторых примерах токоограничивающие устройства и их варианты применения используют ЧНС-индукторы.

[001452] Фигура 45-R является схемой, иллюстрирующей индуктор 4500 с воздушным сердечником, имеющий модифицированную ЧНС-пленку. Индуктор 4500 включает в себя катушку 4510 и воздушный сердечник 4520. Когда катушка 4510 переносит ток (например, в направлении направо на странице), в сердечнике 4520 образуется магнитное поле 4530. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из модифицированной ЧНС-пленки, такой как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и сформированный на базовом слое модифицирующий слой. Различные подходящие модифицированные ЧНС-пленки подробно описываются здесь.

[001453] Аккумуляторная батарея или другой источник питания (не показан) могут подавать напряжение к модифицированной ЧНС-катушке 4510, заставляя ток протекать в катушке 4510. Будучи сформированной из модифицированной ЧНС-пленки, катушка 4510 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, при комнатных температурах или температуре окружающей среды (~21°C). Электрический ток в катушке создает в сердечнике 4520 магнитное поле, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[001454] Поскольку индуктор 4500 включает в себя катушку 4510, сформированную из материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (т.е. модифицированной ЧНС-пленки), индуктор может действовать аналогично идеальному индуктору, когда катушка 4510 демонстрирует малые или нулевые потери вследствие обмоточного или последовательного сопротивления, типично обнаруживаемого в индукторах с традиционными проводящими катушками (например, медными катушками), независимо от тока через катушку 4510. То есть индуктор 4500 может демонстрировать очень высокую добротность (Q) (например, приближающуюся к бесконечности), которая представляет собой отношение его индуктивного реактивного сопротивления к сопротивлению на данной частоте, или Q=(индуктивное реактивное сопротивление)/сопротивление.

[001455] В некоторых примерах модифицированная ЧНС-катушка оказывает чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (~80-135 K) и комнатными температурами (~294 K). В этих примерах индуктор может включать в себя систему охлаждения (не показана), к примеру, криогенный охладитель или криостат, используемую для того, чтобы охлаждать катушку 4510 до критической температуры используемого катушкой 4510 типа модифицированной ЧНС-пленки. Например, система охлаждения может быть системой, способной на охлаждение катушки 4510 до температуры, аналогичной температуре точки кипения жидкого фреона, до температуры, аналогичной температуре точки плавления льда, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения может быть выбрана на основе типа и структуры модифицированной ЧНС-пленки, используемой в катушке 4510.

[001456] В некоторых примерах воздушный сердечник 4520 является самонесущим. В других примерах воздушный сердечник 4520 намотан на немагнитные материал или конструкцию (не показано), к примеру, из пластика или керамики. Материал или форма сердечника может выбираться на основе множества факторов. Например, выбор материала сердечника, имеющего более высокую проницаемость, чем проницаемость воздуха, будет в общем увеличивать напряженность наведенного магнитного поля 4530 и тем самым увеличивать индуктивность индуктора 4500. В другом примере выбор материала сердечника может определяться желанием уменьшить потери в сердечнике в высокочастотных вариантах применения. Специалисты в данной области техники поймут, что сердечник может быть сформирован из ряда различных материалов и с рядом различных форм, чтобы достигать определенных требуемых свойств и/или рабочих характеристик.

[001457] Как известно в данной области техники, конфигурация катушки 4510 может влиять на определенные рабочие характеристики, такие как индуктивность. Например, число витков катушки, площадь поперечного сечения катушки, длина катушки и т.д. может влиять на индуктивность индуктора. Из этого следует, что индуктор 4500, хотя он показан в одной конфигурации, может быть сконфигурирован множеством способов для того, чтобы достигать определенных рабочих характеристик (например, значений индуктивности), с тем, чтобы уменьшать определенные нежелательные эффекты (например, скин-эффекты, эффекты близости, паразитные емкости) и т.д. Эти приемы обычно привлекают для увеличения собственной частоты и добротности (Q) индуктора.

[001458] В некоторых примерах катушка 4510 может включать в себя множество витков, лежащих параллельно друг другу. В некоторых примерах катушка может включать в себя небольшое число витков, которые навиты под различными углами друг к другу. Таким образом, катушка 4510 может быть сформирована во множестве различных конфигураций, таких как сотовые, шахматные рисунки, волновые обмотки, в которых последовательные витки располагаются крест-накрест под различными углами друг к другу, паутинные рисунки или пи-образные обмотки, в которых катушка образована из плоских спиральных катушек, разнесенных друг от друга, в виде многожильных проводов, в которых различные жилы изолированы друг от друга, чтобы уменьшать сопротивление переменному току, и т.д.

[001459] В дополнение к индукторам с воздушным сердечником, индукторы с магнитным сердечником, такие как индуктор 4600, могут также использовать модифицированные ЧНС-пленки, как теперь будет пояснено. Фигура 46-R является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 4600 с магнитным сердечником, использующий модифицированную ЧНС-пленку. Индуктор 4600 включает в себя катушку 4610 и магнитный сердечник 4620, такой как сердечник, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов. Аналогично индуктору 4700 по фигуре 47-R, в сердечнике 4620 образуется магнитное поле 4630, когда катушкой 4610 переносится ток. Катушка сформирована, по меньшей мере частично, из модифицированной ЧНС-пленки, такой как пленка, имеющая базовый слой ЧНС-материала и модифицирующий слой, сформированный на базовом слое. Различные подходящие ЧНС-пленки подробно описываются здесь. Будучи сформированной из модифицированной ЧНС-пленки, катушка 4610 оказывает малое или нулевое сопротивление течению тока при температурах более высоких, чем температуры, используемые в традиционных ВТСП-материалах, к примеру, комнатные температуры или температуры окружающей среды (~21°C). Электрический ток в катушке создает магнитное поле 4630 в сердечнике 4620, которое может быть использовано для того, чтобы накапливать энергию, переносить энергию, ограничивать энергию и т.д.

[001460] Магнитный сердечник 4620, сформированный из ферромагнетика или ферромагнитных материалов, увеличивает индуктивность индуктора 4600, поскольку магнитная проницаемость магнитного материала в полученном магнитном поле 4630 выше проницаемости воздуха, и тем самым в большей степени поддерживает образование магнитного поля 4630 вследствие намагничивания магнитного материала. Например, магнитный сердечник может увеличить индуктивность на коэффициент 1000 или больше.

[001461] Индуктор 4600 может использовать различные иные материалы в магнитном сердечнике 4620. В некоторых примерах магнитный сердечник 4620 сформирован из ферромагнитного материала, такого как железо. В некоторых примерах магнитный сердечник 4620 сформирован из ферромагнитного материала, такого как феррит. В некоторых примерах магнитный сердечник 4620 сформирован из многослойных магнитных материалов, таких как шихтованные пластины из кремнистой стали. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы другие материалы, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 4600.

[001462] Помимо этого, магнитный сердечник 4620 (и, таким образом, индуктор 4600) может быть сконфигурирован во множестве различных форм. В некоторых примерах магнитный сердечник 4620 может быть стержнем или цилиндром. В некоторых случаях магнитный сердечник 4620 может быть тороидом. В некоторых случаях магнитный сердечник 4620 может быть подвижным, позволяя индуктору 4600 реализовывать переменные индуктивности. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы другие формы и конфигурации, в зависимости от потребностей и требований к индуктору 4600. Например, магнитный сердечник 4620 может быть сконструирован с возможностью ограничивать различные недостатки, такие как потери в сердечнике вследствие вихревых токов и/или гистерезис и/или нелинейность индуктивности, помимо прочего.

[001463] Таким образом, в некоторых примерах формирование катушек индукторов с использованием модифицированных ЧНС-материалов и/или компонентов, к примеру, модифицированных ЧНС-пленок, увеличивает добротность Q индукторов путем понижения или исключения сопротивления току в катушках, помимо других преимуществ.

Изготовление и/или формирование индукторов, состоящих из ЧНС-материалов

[001464] Как описано здесь, в некоторых примерах катушка индуктора демонстрирует чрезвычайно низкие сопротивления переносимому току, поскольку она сформирована из модифицированных ЧНС-материалов, таких как модифицированные ЧНС-материалы, щелевые ЧНС-материалы и/или другие новые ЧНС-материалы. Фигура 47-R является изображением, показывающим индуктор 4700, использующий модифицированный ЧНС-нанопровод. Индуктор 4700 включает в себя катушку 4702, сформированную в виде модифицированного ЧНС-нанопровода, который составлен из описанных здесь ЧНС-компонентов, таких как модифицированные ЧНС-пленки.

[001465] При формировании ЧНС-провода множественные ЧНС-ленты или фольги могут размещаться сэндвичем с образованием макропровода. Например, катушка может включать в себя несущую конструкцию и одну или более ЧНС-лент или фольг, поддерживаемых несущей конструкцией.

[001466] В дополнение к ЧНС-проводам, индукторы могут быть сформированы из ЧНС-нанопроводов. В традиционных терминах, нанопровода являются наноструктурами, которые имеют ширины или диаметры порядка десятков нанометров или менее и в целом неограниченные длины. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 50 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 40 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 30 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 20 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 10 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы в нанопровода, имеющие ширину и/или глубину 5 нанометров. В некоторых случаях ЧНС-материалы могут быть сформированы как нанопровода, имеющие ширину и/или глубину менее 5 нанометров.

[001467] В дополнение к нанопроводам, ЧНС-ленты или фольги также могут быть использованы описанными здесь индукторами и устройствами. Фигура 48-R является схемой, иллюстрирующей индуктор 4810, использующий модифицированную ЧНС-ленту или фольгу. Индуктор 4810 включает в себя сердечник 4812, к примеру, железный сердечник, и катушку 4814, сформированную из модифицированной ЧНС-ленты.

[001468] Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения из раствора для того, чтобы формировать ЧНС-материалы. В дополнение к нанопроводам, модифицированные ЧНС-ленты или фольга также могут быть использованы описанными здесь индукторами и устройствами.

[001469] Кроме того, тонкопленочные индукторы могут использовать описанные здесь ЧНС-компоненты. Фигура 49-R является принципиальной схемой, иллюстрирующей индуктор 4920, использующий модифицированный тонкопленочный ЧНС-компонент. Индуктор 4920 включает в себя модифицированную ЧНС-катушку 4922, сформированную на печатной плате 4924, и необязательный магнитный сердечник 4926. Катушка 4922, которая может быть модифицированной ЧНС-пленкой, вытравленной на плате 4924, может быть сформирована во множестве конфигураций и/или рисунков, в зависимости от потребностей устройства или системы, использующей индуктор. Дополнительно, необязательный магнитный сердечник 4926 может быть вытравлен на плате 4924, как показано, или может быть плоским сердечником (не показан), размещенным выше и/или ниже катушки 4922.

[001470] Чтобы образовать трансформатор, второй индуктор или катушка могут быть сформированы рядом с индуктором 4920. Альтернативно или дополнительно, второй индуктор может быть сформирован под индуктором 4920, с обоими проводниками, сформированными на одно и той же подложке, такой как печатная плата. Как отмечено здесь, близкий к идеальному отклик трансформатора может достигаться за счет использования описанного здесь модифицированного ЧНС-материала, и поэтому трансформаторы с воздушным сердечником могут быть приемлемыми для многих вариантов применения.

[001471] В целом, модифицированные ЧНС-пленки могут быть сформированы в ленты, фольги, стержни, полосы, нанопровода, тонкие пленки и другие формы или структуры, способные на протекание или перенос тока от одной точки до другой, чтобы создать магнитное поле.

[001472] В некоторых примерах тип материалов, использованных в модифицированных ЧНС-пленках, может быть определен типом варианта применения, использующего пленки. Например, некоторые варианты применения могут использовать модифицированные ЧНС-пленки, имеющие ЧНС-слой BSCCO, тогда как другие варианты применения могут использовать слой YBCO. То есть описанные здесь модифицированные ЧНС-пленки могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или нанопровода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа машины или компонента, использующего модифицированные ЧНС-пленки, помимо прочих факторов.

[001473] Различные процессы могут использоваться при изготовлении индуктора, к примеру, описанных здесь индукторов, и, следовательно, описанных здесь трансформаторов. В некоторых примерах сердечник формируется, поддерживается, принимается и/или размещается. Сердечник может принимать различные формы или конфигурации. Примерные конфигурации включают в себя цилиндрический стержень, I-образную форму, C- или U-образную форму, E-образную форму, парную Е-образную форму, куполообразную форму, тороидальную форму, форму кольца или валика, плоскую форму и т.д. Сердечник может быть сформирован из различных немагнитных и магнитных материалов. Примерные материалы включают в себя железо или мягкое железо, кремнистую сталь, различные многослойные материалы, сплавы кремния, карбонильное железо, железные порошки, ферримагнитную керамику, стекловидные или аморфные металлы, керамику, пластмассу, воздух и т.д.

[001474] Помимо этого, по меньшей мере одна катушка, такая как катушка, сформированная из модифицированного ЧНС-нанопровода, ленты или тонкой пленки, выполняют с требуемой формой или рисунком и связывают со сформированным или поддерживаемым сердечником. В некоторых примерах сердечник отсутствует, и с требуемой формой или рисунком выполняют модифицированный ЧНС-нанопровод. В некоторых примерах модифицированная нанопроводная ЧНС-катушка вытравливается непосредственно на печатной плате, а плоский магнитный сердечник размещается относительно вытравленной катушки. Специалисты в данной области техники поймут, что могут быть использованы и другие процессы изготовления при изготовлении и/или формировании описанных здесь индукторов.

[001475] Хотя выше в общем описывается один трансформатор для каждого варианта применения, два или более трансформатора могут быть предусмотрены в неком данном кристалле (микросхеме), кожухе, сетевой подстанции или другом окружении. Действительно, некое данное окружение может использовать один или более кристаллов, имеющих один или более раскрытых трансформаторов, которые, в свою очередь, могут быть встроены в один или более кожухов, и которые могут дополнительно быть встроены в окружения большего масштаба, к примеру, в электрораспределительную сеть. Конечно, описанные здесь трансформаторы могут быть изготовлены вместе как с ЧНС-материалом, так и с традиционными материалами.

Дополнительные применения трансформаторов с ЧНС-компонентами

[001476] Описанные выше трансформаторы могут подходить для использования во множестве вариантов применения, начиная от использования на кристалле и заканчивая использованием в электросети. За счет использования модифицированного ЧНС-материала в таких трансформаторах, трансформаторы обеспечивают на порядки величины меньшее сопротивление, чем у лучших общепринятых проводников при аналогичных условиях.

[001477] Как отмечено выше, модифицированный ЧНС-материал имеет характеристики, которые зависят от температуры. В результате описанные здесь трансформаторы, использующие модифицированный ЧНС-материал, аналогично зависят от температуры. Изменение температуры влияет на проникновение поля в проводники, что влияет на глубину проникновения магнитного потока. Такие изменения материала могут моделироваться на основе характера зависимости температура - отклик у модифицированных ЧНС-материалов, как описано здесь, или могут выводиться эмпирически. А именно, за счет использования модифицированных ЧНС-материалов, сопротивление линии пренебрежимо мало, но это сопротивление может регулироваться на основе температуры, как показано на приведенных здесь температурных графиках. Следовательно, конструкция трансформатора может быть скорректирован, чтобы компенсировать температуру, или выходной сигнал трансформатора может регулироваться путем варьирования температуры.

[001478] Обращаясь к фигуре 50-R, показан пример системы 5000, которая включает в себя схемы 5010, соединенные со схемой 5015 регулирования температуры, и логику 5020. (Хотя все блоки показаны взаимно соединенными на фигуре 50-R, возможно меньше соединений). Схемы 5010 используют один или более из описанных здесь трансформаторов, которые по меньшей мере частично сформированы из ЧНС-материала. Логика управляет схемой регулирования температуры, которая управляет, в свою очередь, охладителем/холодильником, таким как криогенный или жидкостногазовый охладитель, который охлаждает схемы 5010. Таким образом, чтобы увеличить чувствительность или отклик системы 5000, логика 5020 сигнализирует схеме 5015 регулирования температуры понизить температуру схем 5010. В результате схемы 5010, использующие ЧНС-материал, вынуждает ЧНС-материал увеличивать удельную электропроводность, тем самым увеличивая чувствительность, отклик или эффективность схемы.

[001479] Хотя показаны отдельные трансформаторы, трансформаторы могут быть объединены вместе, образуя группы или массивы трансформаторов или другие более сложные трансформаторные системы. Как и при других категориях трансформаторов, поясненных здесь, возможны многие конфигурации массивов трансформаторов, которые являются конструктивными соображениями для проектировщика, реализующего трансформатор или многотрансформаторную систему, который(ая) по меньшей мере частично сформирован(а) из модифицированного ЧНС-материала. Описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы могут быть использованы в многотрансформаторных системах, которые содержат комбинацию двух или более из описанных здесь трансформаторов и принципов, даже если эти комбинации явно не описаны. Действительно, такие многотрансформаторные системы могут использовать два или более несходных или разнородных трансформатора, а не просто аналогичные или однородные трансформаторы. Такая трансформаторная система может включать в себя относительно однородные трансформаторы, все сформированные из модифицированного ЧНС-материала, или разнородное сочетание различных типов трансформаторов, причем некоторые трансформаторы сформированы из не-ЧНС-материала, или комбинацию различающихся трансформаторов и различающихся материалов. Таким образом, сложные трансформаторные системы могут использовать два или более трансформатора, образованных из двух или более однородных трансформаторов, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, двух или более разнородных трансформаторов, сформированных главным образом из модифицированного ЧНС-материала, и/или двух или более однородных/разнородных трансформаторов, сформированных как из традиционных проводников, так и из модифицированного ЧНС-материала.

[001480] Хотя здесь описаны конкретные примеры трансформаторов, которые используют компоненты, сформированные частично или исключительно из модифицированных ЧНС-материалов, специалисты в данной области техники поймут, что фактически любая конфигурация и геометрия трансформатора может использовать компоненты, которые по меньшей мере частично сформированы из модифицированных ЧНС-материалов, такие как перечисленные выше компоненты, например, чтобы проводить электрические токи, или передавать или модифицировать электромагнитные сигналы. (Хотя ЧНС-материал может быть использован с любыми проводящими элементами в цепи, может быть более уместно констатировать, в зависимости от определения термина ʺпроводящийʺ, что модифицированный ЧНС-материал способствует распространению энергии или сигналов по своей длине или площади). В результате невозможно перечислить полностью все возможные трансформаторы и трансформаторные системы, которые могут использовать компоненты, которые сформированы из модифицированных ЧНС-материалов.

[001481] Хотя некоторые подходящие геометрии показаны и описаны здесь для некоторых трансформаторов, возможны многочисленные другие геометрии. Эти другие геометрии включают в себя не только различные рисунки, конфигурации или компоновки по длине и/или ширине, но и различия в толщине материалов, использовании различных слоев и других трехмерных структур (например, в типах катушек и сердечников). Авторы изобретения предполагают, что фактически все трансформаторы и относящиеся к ним системы, известные в данной области техники, могут использовать модифицированный ЧНС-материал, и полагают, что специалисты в данной области техники, которым в этой заявке предоставлены различные примеры ЧНС-материалов, трансформаторов и принципов, смогут реализовать, без чрезмерного экспериментирования, другие трансформаторы с одним или более компонентами, сформированными полностью или отчасти из модифицированных ЧНС-материалов.

[001482] В некоторых вариантах реализации трансформатор, который включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описан следующим образом:

[001483] Трансформатор, содержащий: катушку первичной обмотки; и катушку вторичной обмотки, индуктивно связанную с катушкой первичной обмотки; при этом по меньшей мере катушка вторичной обмотки содержит сердечник и модифицированный нанопровод с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, по меньшей мере частично окружающей сердечник; и при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001484] Способ изготовления трансформатора, содержащий: выполнение первого удлиненного проводника в форме первой трехмерной катушки; выполнение второго удлиненного проводника в форме второй трехмерной катушки, при этом первый и второй удлиненные проводники каждый включают в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первого слоя; размещение формы первой трехмерной катушки поблизости от формы второй трехмерной катушки, чтобы наводить индуктивную связь между ними.

[001485] Способ изготовления трансформатора, содержащий: прием первого модифицированного ЧНС-нанопровода или ленты, при этом первый модифицированный ЧНС-нанопровод или лента сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом; прием второго модифицированного ЧНС-нанопровода или ленты, при этом второй модифицированный ЧНС-нанопровод или лента сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом; формирование первого модифицированного ЧНС-нанопровода или ленты в форме первой трехмерной катушки в качестве первичной обмотки; формирование трансформатора с использованием первой трехмерной катушки, а второго модифицированного ЧНС-нанопровода или ленты во вторичную обмотку; при этом первичную и вторичную обмотки размещают так, что между ними может взаимно наводиться индуктивность.

[001486] Аппарат, содержащий: первую трехмерную катушку, намотанную по меньшей мере частично вокруг первого сердечника; вторую трехмерную катушку, намотанную по меньшей мере частично вокруг первого или второго сердечника; при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка каждая включают в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала; и при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка индуктивно связаны.

[001487] Трансформатор для использования в сети распределения электроэнергии, содержащий: катушку первичной обмотки, присоединенную ниже по сети от источника генерации электроэнергии; и катушку вторичной обмотки; при этом катушка первичной обмотки и катушка вторичной обмотки индуктивно связаны вместе так, что между катушкой первичной обмотки и катушкой вторичной обмотки может взаимно наводиться индуктивность; при этом катушка первичной обмотки и катушка вторичной обмотки выполнены с такими размерами и компоновкой, чтобы выдержать более высокие токи или напряжения, чем токи или напряжения, связанные с электроэнергией, поставляемой стандартным бытовым потребителям; при этом по меньшей мере катушка вторичной обмотки содержит сердечник и модифицированный нанопровод с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), выполненный в форме катушки, по меньшей мере частично окружающей сердечника; и при этом модифицированный ЧНС-нанопровод сформирован из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом первого слоя.

[001488] Способ изготовления трансформатора для использования в сети распределения электроэнергии, содержащий: выполнение первого удлиненного проводника в форме первой трехмерной катушки; выполнение второго удлиненного проводника в форме второй трехмерной катушки, при этом первый и второй удлиненные проводники каждый включают в себя первый слой, состоящий из ЧНС-материала, и второй слой, состоящий из модифицирующего материала, химически связанного с ЧНС-материалом первого слоя, и размещение форм первой и второй трехмерных катушек друг относительно друга так, что между формой первой трехмерной катушки и формой второй трехмерной катушки может взаимно наводиться индуктивность, и при этом форма первой трехмерной катушки и форма второй трехмерной катушки выполнены с такими размерами и компоновкой, чтобы выдержать на по меньшей мере 30% более высокие токи или напряжения, чем токи или напряжения, связанные с электроэнергией, поставляемой стандартному бытовому потребителю.

[001489] Аппарат для использования в или с прибором или устройством, содержащий: первый модифицированный ЧНС-нанопровод или ленту, сформированные в форму первой трехмерной катушки, при этом первый модифицированный ЧНС-нанопровод или лента сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом; второй модифицированный ЧНС-нанопровод или ленту, сформированные в форме второй трехмерной катушки, при этом второй модифицированный ЧНС-нанопровод или лента сформированы из модифицированной ЧНС-пленки, имеющей первый слой ЧНС-материала и второй слой модифицирующего материала, связанного с ЧНС-материалом; при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка размещены так, что между первой трехмерной катушкой и второй трехмерной катушкой может взаимно наводиться индуктивность; выходной электрический разъем для соединения первой трехмерной катушки с подлежащим защите прибором или устройством; и входной электрический разъем для приема внешней электроэнергии, при этом входной разъем соединен со второй трехмерной катушкой.

[001490] Полупроводниковый кристалл, содержащий: подложку; и трансформатор, сформированный на подложке, при этом трансформатор содержит: первую трехмерную катушку; вторую трехмерную катушку; при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка каждая включают в себя первую часть, имеющую материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), и вторую часть, связанную с первой частью, которая понижает сопротивление ЧНС-материала; и при этом первая трехмерная катушка и вторая трехмерная катушка индуктивно связаны вместе.

Глава 18. Линии передачи, сформированные из ЧНС-материалов

[001491] Эта глава описания относится к фигурам 1-36 и фигурам с 37A-S по 40B-S; соответственно, все ссылочные номера, включенные в этот раздел, относятся к элементам, находящимся на этих фигурах.

[001492] Описываются компоненты передачи электроэнергии, такие линии передачи электроэнергии, провода и/или кабели, которые используют материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС). Эти ЧНС-материалы, которые могут быть модифицированными ЧНС-материалами, щелевыми ЧНС-материалами и т.д., позволяют компонентам передачи электроэнергии передавать, переносить и/или транспортировать электроэнергию от одного местоположения в другое, не испытывая потерь на сопротивление или испытывая уменьшенные потери на сопротивление, помимо других преимуществ.

[001493] Как описано здесь, некоторые или все из описанных здесь модифицированных и/или щелевых ЧНС-материалов могут быть использованы компонентами передачи электроэнергии, такими как линии передачи электроэнергии, провода и/или кабели, в энергосети общего пользования или в другой системе, требующей передачи электроэнергии от одного местоположения до другого. Фигуры 37A-S и 37B-S иллюстрируют системы распределения электроэнергии, которые используют материалы с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[001494] Фигура 37A-S иллюстрирует систему 3700 передачи электроэнергии. Система 3700 передачи электроэнергии включает в себя источник 3710 энергии, линию 3720 передачи и получателя 3730. Источник 3710 энергии может быть устройством выработки энергии и/или устройством накопления энергии. Например, источником 3710 энергии может быть устройство на основе статического электричества, устройство на основе электромагнитной индукции (например, генератор, динамо-машина, генератор переменного тока, синхронный генератор, сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии (СПИНЭ) и т.д.), электрохимическое устройство (например, батарея, конденсаторы, топливный элемент и т.д.), устройство на основе фотоэлектрического эффекта (например, солнечные или фотоэлектрические элементы и т.д.), устройство на основе термоэлектрического эффекта (например, термопары, термоэлементы и т.д.), устройство на основе пьезоэлектрического эффекта, ядерный генератор, устройство на основе природосберегающей или возобновляемой энергии (например, ветротурбина, устройство на основе приливной волны и т.д.), и/или другие устройства, способные генерировать, сохранять и/или поставлять энергию для использования в системе.

[001495] Получателем 3730 может быть любой объект, получающий энергию с помощью системы 3700 передачи электроэнергии, такой как нагрузка, узел системы или другой компонент и/или объект, который принимает энергию. Получатель 3730 может быть квартирой, электрическим устройством, микросетью или другим конечным пользователем. Например, получатель 3730 может включать в себя сеть системы распределения, которая переносит электричество от линии 3720 передачи и доставляет его потребителям. Типично, сеть системы распространения включает в себя линии питания среднего напряжения (меньше 50 кВ), электрические подстанции, смонтированные на мачте или столбе трансформаторы, проводка распределения низкого напряжения (меньше 1 кВ), счетчики электроэнергии и т.д.

[001496] Линия 3720 передачи может быть одной или более воздушными линиями электропередачи, одной или более подземными линиями электропередачи или другими кабелями и/или проводами, которые передают энергию от одного местоположения к другому. В некоторых примерах линия 3720 передачи включает в себя модифицированные и/или щелевые ЧНС-материалы, такие как описанные здесь ЧНС-материалы, которые способны передавать ток с чрезвычайно низкими сопротивлениями при температурах и давлениях окружающей среды.

[001497] Система 3700 передачи электроэнергии может включать в себя другие компоненты, выполненные с возможностью регулировать, управлять, размыкать, переключать, распределять и/или иным образом помогать в переносе энергии от одного местоположения до другого, к примеру, как в энергосети общего пользования. Фигура 37B-S изображает систему 3750 передачи электроэнергии, которая включает в себя трансформатор 3740, в дополнение к источнику 3710 энергии, линии 3720 передачи и получателю 3730 энергии.

[001498] Система 3750 передачи электроэнергии включает в себя трансформатор 3740, который может быть использован, чтобы повышать и/или понижать напряжение, связанное с передаваемой энергией. Например, передача электричества при высоких напряжениях типично уменьшает потери энергии из-за сопротивления в проводящих элементах линии передачи. То есть для данной величины мощности, повышение напряжения уменьшает ток, и, следовательно, потери на сопротивление в проводящих элементах. Например, повышение напряжения в 10 раз уменьшает ток в соответствующие 10 раз, и, следовательно, потери на сопротивление в 100 раз.

[001499] Система 3700 и/или 3750 передачи электроэнергии может включать в себя другие компоненты, не показанные на фигурах с 37A-S по 37B-S, к примеру, регуляторы тока повреждения, ограничители тока повреждения, подстанции, устройства сбора информации и т.д. В некоторых примерах использование описанных здесь ЧНС-материалов в качестве токонесущих проводников в компонентах передачи, таких как линии 3720 передачи, этих систем может позволить системам передавать энергию без повышения напряжений для того, чтобы предотвращать определенные потери на сопротивление. Таким образом, в этих примерах, описанные здесь линии 3720 передачи на основе ЧНС позволяют системе передачи электроэнергии переносить мощность при низких напряжениях, что делает системы передачи безопаснее, более эффективными и более дешевыми в построении и обслуживании, помимо других преимуществ. Теперь будут пояснены линии 3720 передачи на основе ЧНС.

[001500] Фигура 38-S является принципиальной схемой 3800, иллюстрирующей различные слои в линии передачи электроэнергии. Линия передачи электроэнергии, к примеру, линия 3720 передачи электроэнергии, может содержать некое число различных слоев, включая слой 3830 проводимости на основе ЧНС, который может включать в себя ЧНС-слой 3832 и модифицирующий слой или слои 3834, такие как описанные здесь.

[001501] Дополнительно, линия передачи электроэнергии может включать в себя слой 3810 подложки, буферный слой 3820, проводящий шунтирующий слой 3840 и изолирующий слой и/или стабилизирующий слой 3850. Например, буферный слой 3820 может быть сформирован из оксида магния (MgO), шунтирующий слой 3840 может быть сформирован из серебра, и/или стабилизирующий слой 3850 может быть сформирован из меди.

[001502] В некоторых примерах кабель на основе ЧНС может включать в себя слои 3810-3850 в форме ленты или лент, а также другие компоненты, используемые в изготовлении кабеля, подходящего для осуществления передачи тока. Фигура 39-S является видом в поперечном сечении силового кабеля 3900 для передачи электроэнергии, который включает в себя элементы передачи на основе ЧНС. В дополнение к слоям 3810-3850, кабель 3900 дополнительно включает в себя слой 3920 теплоизоляции, который обеспечивает тепловую изоляцию между внутренней областью 3910 и окружающей кабель 3900 областью, такой как область за пределами слоя 3930 покрова кабеля 3900.

[001503] В некоторых примерах кабель 3900 на основе ЧНС может включать в себя одну или более образованных слоями 3810 лент, навитых вокруг одного или более формеров, которые обеспечивают конструктивную опору для лент в кабеле 3900. Хотя это не показано на фигурах, кабель 3900 может включать в себя различные другие слои, к примеру, изолирующие слои, экранирующие слои, опорные слои, защитные слои, проводящие слои, соединительные слои и т.д. В некоторых примерах кабель 3900 на основе ЧНС может включать в себя множественные формеры, поддерживающие одну или более навитых лент на основе ЧНС.

[001504] В некоторых примерах ЧНС-материалы в кабелях 3900 могут демонстрировать чрезвычайно низкое сопротивление течению тока при температурах между температурами перехода традиционных ВТСП-материалов (например, ~80-135 K) и температурами окружающей среды (например, ~275 K-313 K), к примеру, между 150 K и 313 K, или выше. В этих примерах кабель 3900 на основе ЧНС может использовать систему 3940 охлаждения, такую как криогенный охладитель или криостат, используемый для того, чтобы охлаждать заключающую в себе ЧНС-материалы область 3910 в кабеле 3900. Система 3940 охлаждения может быть приспособлена поддерживать ЧНС-материалы при критической температуре используемого устройством типа модифицированного ЧНС-материала. Например, система 3940 охлаждения может быть системой, способной на охлаждение ЧНС-элемента до температуры, аналогичной температуре точки кипения фреона, до температуры, аналогичной температуре точки плавления воды, до температуры, более низкой, чем температура окружающей среды ЧНС-элемента, или до других температур, поясненных здесь. То есть система охлаждения 3940 может быть выбрана на основе типа и структуры ЧНС-материалов в кабеле 3900 на основе ЧНС.

[001505] Как описано здесь, в некоторых примерах проводящие слои 3830 кабелей на основе ЧНС могут демонстрировать чрезвычайно низкое сопротивление переносимому току при окружающих или других высоких температурах, таких как температуры между 150 K и 313 K, или выше. Тем не менее, специалисты в данной области техники поймут, что проводящие слои 3830 могут быть сформированы во множество различных конфигураций, таких как провода, нанопровода и т.д., в некоторых примерах они сформированы из лент и/или фольги на основе ЧНС для использования с линиями передачи электроэнергии на основе ЧНС.

[001506] Существуют различные методы получения и изготовления лент и/или фольги из ЧНС-материалов. В некоторых примерах такой метод включает в себя осаждение YBCO или другого ЧНС-материала на гибких металлических лентах, покрытых буферными оксидами металлов, формируя ʺпроводник с покрытиемʺ. В ходе обработки в саму металлическую ленту может вводиться текстура, к примеру, посредством использования процесса обработки на основе двуосно-текстурированных подложек с применением прокатки (RABiTS), либо вместо этого на подложке из нетекстурированного сплава может быть осажден текстурированный керамический буферный слой посредством использования пучка ионов, к примеру, посредством использования процесса ионно-лучевого осаждения (IBAD). Добавление оксидных слоев предотвращает диффузию металла из ленты в ЧНС-материалы. Другие методы могут использовать процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевую эпитаксию атомных слоев (ALL-MBE) и другие методы осаждения из раствора для того, чтобы получить модифицированные ЧНС-ленты.

[001507] В некоторых примерах тип применения, использующего эти материалы, может определять тип материалов, используемых в ЧНС-материалах. Например, некоторые варианты применения могут использовать ЧНС-материалы, имеющие ЧНС-слой BSCCO, тогда как некоторые варианты применения могут использовать слой YBCO. То есть описанные здесь ЧНС-материалы могут быть сформированы в определенные структуры (например, ленты или нанопровода) и образованы из определенных материалов (например, YBCO или BSCCO), исходя из типа устройства или компонента, использующего модифицированные ЧНС-материалы, помимо прочих факторов.

[001508] Различные процессы изготовления могут использоваться при выполнении описанных здесь линий передачи электроэнергии. Например, первый слой ЧНС-материала может быть осажден на металлическую ленту со сформированным на ее поверхности буферным оксидом, таким как MgO. На первый слой затем осаждают второй слой модифицирующих материалов. На модифицирующий слой может быть затем осажден защитный слой, такой как серебро или другой проводящий металл. На защитном слое может быть затем сформирован стабилизирующий слой, такой как слой меди. В некоторых случаях в линиях передачи электроэнергии могут также формироваться экранирующие слои, изоляционные слои, защитные слои и прочие слои.

[001509] Например, токонесущий компонент кабеля передачи электроэнергии может включать в себя ленту на основе ЧНС, навитую по спирали вокруг формера или другой конструкции-основы. Последующий слой электрической изоляции покрывает ленту на основе ЧНС, экранирующий слой покрывает слой изоляции, а защитный слой покрывает экранирующий слой, образуя проводящий сердечник кабеля передачи электроэнергии. Один или более проводящих сердечников могут быть помещены в оболочке кабеля. В некоторых случаях оболочка может быть теплоизолированной частью оболочки связанной с ней системы охлаждения, выполненной с возможностью поддерживать температуру внутри кабеля и окружающей упомянутые один или более проводящих сердечников при температуре более низкой, чем температура окружающей кабель передачи электроэнергии среды.

[001510] Конечно, специалисты в данной области техники должны понимать, что и другие процессы могут быть использованы во время изготовления лент на основе ЧНС, проводящих сердечников, кабелей передачи электроэнергии и/или компонентов линий передачи, описанных здесь.

[001511] Хотя на фигуре 39-S показаны кабели передачи электроэнергии для использования при передаче электроэнергии на большие расстояния, описанные здесь линии передачи на основе ЧНС могут быть частью различных других компонентов передачи энергии. Примеры линий передачи, которые могут использовать описанные здесь ЧНС-материалы, включают шнуры питания, провода электросети, и/или сетевые шнуры, подключающие электрические устройства к источникам питания, таким как розетки, проводка в конструкция, силовых кабелях связи и т.д.

Соединение линий передачи электроэнергии на основе ЧНС

[001512] Время от времени может быть необходимо подключать одну линию передачи на основе ЧНС к другой линии передачи на основе ЧНС или к традиционной линии передачи без потерь больших количеств энергии вследствие поврежденных соединений, ненадлежащего сгибания и других проблем сопряжения. Фигуры 40A-S и 40B-S являются принципиальными схемами, иллюстрирующими соединения между линиями передачи электроэнергии на основе ЧНС и другими компонентами электропередачи.

[001513] Фигура 40A-S изображает вид сбоку системы 4000 с линией 3800 передачи на основе ЧНС, соединенной с традиционной линией 4010 передачи, имеющей металлический проводник 4020, такой как медь, и другие непроводящие слои 4030. Соединение 4000 совмещает слои в проводящем элементе 3830 линии 3800 передачи на основе ЧНС, включая ЧНС-слой 3832 и модифицирующий слой 3834, с металлическим проводником 4020 традиционной линии 4010 передачи. Такое совмещение может способствовать надежному переносу электроэнергии от линии 3800 передачи на основе ЧНС к традиционной линии 4010 передачи, помимо прочего.

[001514] Фигура 40B-S изображает систему 4040 с линией А передачи на основе ЧНС, подключенной к линии B передачи на основе ЧНС. Соединительный компонент 4050 сопряжен с линией A и линией B и включает в себя проводник 4052 и слой 4054 изоляции. Проводник 4052 может быть традиционным проводником, таким как медь или алюминий, или может быть сформирован из некоторых или всех из описанных здесь ЧНС-материалов. Проводник, который может быть более толстым, чем проводящие элементы 3830 линий передачи, способствует надежному переносу электроэнергии от одной линии 3800 передачи на основе ЧНС к другой, помимо прочего. В некоторых случаях могут иметь место соединения между модифицированными и/или щелевыми ЧНС-материалами и традиционными ВТСП- или НТСП-материалами с ЧНС.

[001515] В некоторых случаях соединение может быть сформировано из нескольких каскадов, диагональных ориентаций и/или параллельных кабельных муфт. Такие конфигурации могут увеличить площадь соединения между компонентами и/или могут минимизировать тепловыделение в точке соединения, помимо других преимуществ.

[001516] Таким образом, описанные здесь ЧНС-материалы могут сделать возможными разработку и использование линий передачи электроэнергии, таких как воздушные и/или подземные силовые кабели, которые передают ток с чрезвычайно низким сопротивлением без дорогих систем охлаждения, помимо других преимуществ. Такое использование может обеспечить возможность упрощения систем передачи электроэнергии, поскольку больше нет необходимости в высоковольтных схемах передачи мощности с тем, чтобы уменьшать потери на сопротивление при передаче. Следовательно, материалы на основе ЧНС могут сделать возможными системы передачи электроэнергии, которые имеют меньшие напряжения, более высокие токи, более эффективны, более безопасны, более экономичны и более надежны, помимо других преимуществ. Например, использование ЧНС-материалов может способствовать широкому применению мощности постоянного тока, помимо прочего.

[001517] В некоторых вариантах реализации линия передачи, которая включает в себя модифицированные ЧНС-материалы, может быть описана следующим образом:

[001518] Линия передачи, содержащая: слой подложки; буферный слой, сформированный на слое подложки; и проводящий слой, при этом проводящий слой сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[001519] Способ выполнения линии передачи электроэнергии, содержащий: формирование первого слоя ЧНС-материала на подложке; и формирование второго слоя модифицирующего материала на первом слое ЧНС-материала.

[001520] Компонент передачи электроэнергии, выполненный с возможностью передавать ток из первого местоположения во второе местоположение, содержащий: проводящий элемент, при этом проводящий элемент включает в себя: первый слой щелевого ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала; при этом модифицирующий материал заставляет щелевой ЧНС-материал демонстрировать улучшенные характеристики по сравнению с характеристиками ЧНС-материала без модифицирующего слоя.

[001521] Линия передачи, содержащая: слой подложки; буферный слой, сформированный на слое подложки; проводящий слой, сформированный на буферном слое, при этом проводящий слой сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и температурный компонент, при этом температурный компонент выполнен с возможностью поддерживать температуру проводящего слоя при температуре более низкой, чем температура, окружающая линию передачи.

[001522] Способ выполнения линии передачи электроэнергии, содержащий: формирование оболочки; формирование первого слоя ЧНС-материала на подложке в оболочке; формирование второго слоя модифицирующего материала на первом слое ЧНС-материала; и соединение оболочки с охлаждающим компонентом, выполненным с возможностью поддерживать температуру оболочки при температуре более низкой, чем окружающая оболочку температура.

[001523] Компонент передачи электроэнергии, выполненный с возможностью передавать ток из первого местоположения во второе местоположение, содержащий: проводящий элемент, при этом проводящий элемент включает в себя: первый слой щелевого ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала; при этом модифицирующий материал вынуждает щелевой ЧНС-материал демонстрировать улучшенные характеристики по сравнению с характеристиками ЧНС-материала без модифицирующего слоя; и охлаждающий компонент, при этом температурный компонент выполнен с возможностью поддерживать температуру проводящего элемента при температуре более низкой, чем температура, окружающая компонент передачи электроэнергии.

[001524] Способ переноса тока из источника энергии к получателю, содержащий: ввод энергии, принятой из источника энергии, в линию передачи, сформированную из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и прием введенной энергии из линии передачи у одного или более получателей.

[001525] Система для передачи мощности между компонентами этой системы, содержащая: источник мощности; получатель мощности; и линию передачи, при этом линия передачи включает в себя модифицированные материалы с чрезвычайно низким сопротивлением, выполненные с возможностью передачи мощности от источника мощности к получателю мощности с чрезвычайно низким сопротивлением при температурах между 150 K и 313 K при стандартном давлении.

[001526] Способ передачи мощности в энергосети общего пользования, включающий: прием мощности в линию передачи, имеющую проводящий сердечник, сформированный из модифицированных материалов с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и передачи принимаемой мощности посредством линии передачи через проводящий сердечник при чрезвычайно низком сопротивлении.

[001527] Силовой кабель, содержащий: оболочку; при этом оболочка содержит проводящий сердечник, сформированный из: слоя подложки; буферного слоя, сформированного на слое подложки; проводящего слоя, сформированного на буферном слое, при этом проводящий слой сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и температурного компонента, при этом температурный компонент выполнен с возможностью поддерживать температуру в оболочке при температуре более низкой, чем окружающая оболочку температура.

[001528] Кабель передачи электроэнергии, выполненный с возможностью передавать ток из первого местоположения во второе местоположение, содержащий: оболочку; и проводящий сердечник, при этом проводящий сердечник включает в себя: формер; и проводящий элемент, навитый вокруг формера, при этом проводящий элемент включает в себя: первый слой щелевого ЧНС-материала; и второй слой модифицирующего материала; при этом модифицирующий материал заставляет щелевой ЧНС-материал демонстрировать улучшенные характеристики по сравнению с характеристиками ЧНС-материала без модифицирующего слоя.

[001529] Силовой кабель, содержащий: ленту с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом ЧНС-лента включает в себя: подложку, сформированную из металла; буферный слой, сформированный на подложке из металла; и проводящий слой, сформированный на буферном слое, при этом проводящий слой сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[001530] Система передачи электроэнергии, содержащая: источник энергии; линию передачи, которая включает в себя модифицированный материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС); и получателя энергии.

[001531] Силовой кабель для использования с энергосетью общего пользования, содержащий: ленту с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом ЧНС-лента включает в себя: подложку, сформированную из металла; буферный слой, сформированный на подложке из металла; и проводящий слой, сформированный на буферном слое, при этом проводящий слой сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[001532] Силовой кабель для соединения электрического устройства с источником питания, содержащий: ленту с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом ЧНС-лента включает в себя: подложку, сформированную из металла; буферный слой, сформированный на подложке из металла; и проводящий слой, сформированный на буферном слое, при этом проводящий слой сформирован из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС).

[001533] Таким образом, различные электрические (электротехнические), механические, вычислительные и/или другие устройства, описанные в главах 1-18, или же прочие конкретно не раскрытые устройства, могут использовать и/или включать в себя компоненты, сформированные из модифицированных ЧНС-материалов, таких как описанные здесь модифицированные ЧНС-материалы.

[001534] Если контекст безусловно не требует иного, по всему описанию и формуле изобретения слова ʺсодержатьʺ, ʺсодержащийʺ и т.п. должны быть истолкованы во включительном смысле, в противоположность полному исключающему или исчерпывающему смыслу, другими словами, в смысле ʺвключает в себя, но не ограничиваясь имиʺ. Употребляемые здесь термины ʺсоединенныеʺ, ʺподсоединенныйʺ, ʺподключенныйʺ, ʺсопряженныйʺ или любая их разновидность означают любое соединение или сопряжение, либо прямое или непосредственное, либо непрямое или опосредованное, между двумя или более элементами; сопряжение или соединение между элементами может быть физическим, логическим или их комбинацией. Дополнительно, слова ʺздесьʺ, ʺвышеʺ, ʺнижеʺ и слова аналогичного смыслового значения при использовании в этой заявке относятся к этой заявке в целом, а не к каким-то конкретным частям этой заявки. Где контекст позволяет, слова в вышеприведенном ʺПодробном описанииʺ с использованием единственного или множественного числа могут также включать в себя множественное или единственное число соответственно. Слово ʺилиʺ в отношении списка из двух или более элементов охватывает все следующие интерпретации слова: любой из элементов в списке, всех элементы в списке и любая комбинация элементов в списке.

[001535] Вышеприведенное подробное описание примеров системы не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать систему точной формой, раскрытой выше. Хотя выше в иллюстративных целях описаны конкретные варианты реализации и примеры системы, возможны различные эквивалентные модификации в рамках объема охраны системы, как признают специалисты в соответствующей области техники.

[001536] Идеи предусмотренной здесь системы могут применяться к другим системам, а не обязательно к описанной выше системе. Элементы и действия из описанных выше различных примеров могут быть комбинированы, чтобы предложить дополнительные варианты реализации.

[001537] Все вышеупомянутые патенты и заявки и другие источники информации, включая любые из тех, что могут быть перечислены в сопровождении подачу документах, включены сюда по ссылке. Аспекты системы могут быть модифицированы, при необходимости, чтобы использовать системы, функции и принципы различных описанных выше источников информации, чтобы предложить еще и другие варианты реализации системы.

[001538] Эти и другие изменения могут быть внесены в систему в свете вышеприведенного ʺПодробного описанияʺ. Хотя вышеприведенное описание детализирует конкретные варианты воплощения системы и описывает наилучший предусмотренный режим, независимо от того, насколько подробно вышеизложенное появляется в тексте, система может быть осуществлена на практике множеством способов. Подробности локальной системы поддержки могут значительно варьироваться в ее детальной реализации, все еще будучи охваченными раскрытой здесь системой. Как отмечено выше, конкретная терминология, используемая при описании определенных признаков или аспектов системы, не должна рассматриваться как подразумевающая, что терминология переопределяется здесь как ограничивающаяся любыми конкретными характеристиками, признаками или аспектами системы, с которой ассоциирована эта терминология. В общем, термины, использованные в прилагаемой формуле изобретения, не должны быть истолкованы ограничивающими систему конкретными вариантами воплощения, раскрытыми в этом описании, если только вышеприведенный раздел ʺПодробное описаниеʺ в явном виде не дает определение таким терминам. Соответственно, фактический объем охраны системы охватывает не только раскрытые варианты воплощения, но и все эквивалентные способы практического осуществления или реализация подпадающей под формулу изобретения системы.

[001539] Хотя конкретные аспекты технологии представлены ниже в форме отдельных пунктов формулы изобретения, авторы изобретения предусмотрели различные аспекты технологии в любом числе пунктов формулы изобретения. Соответственно, авторы изобретения сохраняют за собой право добавлять в формулу изобретения дополнительные пункты после подачи заявки, чтобы заявить такие дополнительные пункты формулы на другие аспекты системы.

Использование: для создания устройств, содержащих материал с чрезвычайно низким сопротивлением. Сущность изобретения заключается в том, что устройства содержат компонент, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал содержит ЧНС-материал с гранью и кристаллической структурой, причем эта грань параллельна a-оси кристаллической структуры, и модифицирующий материал, смежный с этой гранью ЧНС-материала. Технический результат: обеспечение возможности создания устройств, содержащих ЧНС-материалы, которые обеспечивают чрезвычайно низкое сопротивление при более высоких температурах. 3 н.п.ф-лы, 373 ил., 2 табл.

1. Вычислительное устройство, содержащее:

компонент, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал содержит ЧНС-материал с гранью и кристаллической структурой, причем эта грань параллельна a-оси кристаллической структуры, и модифицирующий материал, смежный с этой гранью ЧНС-материала.

2. Электрическое устройство, содержащее:

компонент, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал содержит ЧНС-материал с гранью и кристаллической структурой, причем эта грань параллельна a-оси кристаллической структуры, и модифицирующий материал, смежный с этой гранью ЧНС-материала.

3. Механическое устройство, содержащее:

компонент, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал содержит ЧНС-материал с гранью и кристаллической структурой, причем эта грань параллельна a-оси кристаллической структуры, и модифицирующий материал, смежный с этой гранью ЧНС-материала.