DE2247882B2

DE2247882B2 - Festkörperbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten

Info

Publication number: DE2247882B2
Application number: DE2247882A
Authority: DE
Inventors: Marcus Longueluil Arts; Harold Keith Beaconsfield Eastwood; Michael Dollard Des Ormeaux Leitner; Frank Dollard Des Ormeaux Marsman; Charles T. Beaconsfield Plough; William Montreal Russel
Original assignee: Multi State Devices Ltd
Current assignee: Multi State Devices Ltd
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1978-06-29
Also published as: AU456375B2; GB1361740A; DE2247882C3; CA938735A; FR2152332A5; NL7213197A; JPS5229828B2; AU4733472A; US3843949A; JPS5012576A; DE2247882A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Festkörperbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten mit einem plättchenförmigen Substrat aus elektrisch isolierendem Material, auf welchem eine zwei, auf ihm angeordnete elektrische Kontakte überbrückende temperaturempfindliche Schicht aus einem Material, enthaltend

a) Atome, die bei chemischer Verbindung mit anderen Elementen eine unvollständig gefüllte d-Schale oder eine unvollständig gefüllte f-Schale aufweisen,

b) eine Substanz, die s- und p-Elektronsn von den Leitungsbändern der Atome entfernt und welches

c) bei einer bestimmten kritischen Temperatur einen scharfen deutlichen Wechsel der Leitfähigkeit zwischen einem isolierenden Zustand und einem leitenden Zustand zeigt,

sowie eine elektrische Heizvorrichtung aufgebracht sind.

Ein derartiges Festkörperbauelement ist bekannt (Philips Research Reports, Bd. 22, 1967, Seiten 170-177, insbesondere Seite 171).

Beim bekannten Festkörperbauelement sind die einzelnen Bauelementschichten aufeinanderliegend auf einem Substrat aus Glas in Sandwichbauweise angeordnet. Als temperaturempfindüdie Schicht wird hierbei VO₂, welche unmittelbar auf das Glassubstrat aufgebracht ist, verwendet. Als elektrische Heizvorrichtung dient eine NiCr-Schicht, welche von der VO₂-Schicht durch eine dazwischenliegende SiO-Schicht isoliert ist. Das bekannte Festkörperbauelement kann nur bei niedrigen Spannungen Anwendung finden, da die SiO-Schicht bei Hochspannung zwischen der temperaturempfindlichen VO₂-Schicht und der elektrisch aufheizbaren NiCr-Schicht keine ausreichende Isolation herstellen kann. Darüber hinaus muß die SiO-Schicht relativ dick bemessen werden, um überhaupt eine elektrische Isolation zu erzielen. Darüber hinaus treten beim Aufbringen dieser Isolationsschicht Temperaturen bis etwa 800° C auf. Hierbei läßt es sich nicht vermeiden, daß die Eigenschaften des temperaturempfindlichen Materials der VO₂-Schicht beeinträchtigt werden.

Auch bei den Festkörperbauelementen zum thermisch gesteuerten Schalten in den US-Patentschriften 3543104 und 3543 196 sind die einzelnen Bauelementschichten in Sandwichbauweise übereinanderliegend auf dem Substrat aufgebracht, so daß auch hier die gleichen, im vorstehenden schon erwähnten Schwierigkeiten bei der Herstellung der Festkörperbauelemente auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Festkör-

perbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten der eingangs genannten Art zu zeigen, bei dem auch bei Hochspannung zwischen der elektrischen Heizvorrichtung und der temperaturempfindlichen Schicht die notwendige Isolation vorhanden ist, so daß es auch ^r> für Hochspannungszwecke einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat aus einem wärmeleitenden elektrisch isolierenden Material mit hoher Durchschlagsfestigkeit besteht und daß auf der einen Substratseite »· die elektrischen Kontakte und die diese Kontakte überbrückende temperaturempfindliche Schicht und auf der anderen Substratseite die Heizvorrichtung aufgebracht sind.

Dadurch, daß die Heizvorrichtung, welche insbe- '"> sondere von einem dünnen Ohmschen Widerstandsfilm aus Metall gebildet sein kann, auf der einen Seite des Substrats und die temperaturempfindliche Schicht auf der anderen Seite des Substrates aufgebracht sind, läßt sich zwischen diesen beiden Schichten eine hohe -» Isolation erzielen und außerdem werden die Eigenschaften der temperaturempfindlichen Schicht durch das nachträgliche Aufbringen des die Heizvorrichtung bildenden dünnen Ohmschen Widerstandsfilmes nicht beeinträchtigt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig. 1 in Seitenansicht ein Festkörperbauelement, Fig. 2 eine Ansicht längs der Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 perspektivisch das Festkörperbauelement jo gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 4 die Temperatur/Widerstandscharakteristik des Festkörperbauelementes in den Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 perspektivisch eine abgewandelte Ausführungsform des Festkörperbauelementes für die elek- J> trische Schaltung in Fig. 9,

Fig. 6 bis 9 elektrische Schaltungen für das Festkörperbauelement und

Fig. 10 und 11 schematische Darstellungen der unterschiedlichen Wirkungsarten des Festkörperbauele- w mentes.

In der Fig. 1 wird als Substrat 1 ein rechteckiges Saphirplättchen verwendet, das eine Breite von etwa 0,4 mm, eine Länge von etwa 0,75 mm und eine Dicke von etwa 0,15 mm aufweist. Auf einer Seite des Substrats 1 sind elektrische Kontakte 3 aus einer Nickelchromlegierung als Filme aufgebracht, auf denen ferner jeweils sich eine Goldschicht 5 mit geringerer Abmessung befindet. Der Raum zwischen den beiden elektrischen Kontakten 3 ist durch eine dünne tempe- >o raturempfindliche Schicht 4 aus Vanadiumdioxid (VO₂) überbrückt, die mit den elektrischen Kontakten 3 verbunden, von denen Goldschichten 5 jedoch getrennt ist.

Auf der anderen Seite des Substrats 1 ist eine Heizvorrichtung 7 in Form eines dünnen Ohmschen Widerstandsfilmes aus einer Nickel-Chromlegierung vorgesehen, dessen Enden jeweils mit elektrischen Kontakten 8 in Form von Goldschichten verbunden sind. _b0

Die beschriebenen Teile sind auf einer Keramikplatte 9 angeordnet, wie auch aus Fig. 3 ersichtlich ist, und in einer Vorrichtung 11 untergebracht, die aus einer metallenen Bodenplatte 13 sowie aus vier Kontaktstiften 15, 17, 19 und 21 besteht, die sich je- b5 weils durch vier Isolierfassungen 25, 27, 29 und 31 hindurch durch die Bodenplatte 13 erstrecken. Die Keramikplatte 9 besteht beispielsweise aus Al₂O₁.

Auf der Oberfläche der Keramikplatte 9 sind vier metallische Kontaktflächen 35, 37, 39 und 41 vorgesehen, die jeweils über Zuleitungen 45, 47, 49 und 51 mit den Stiften 15, 17, 19 und 21 verbunden sind.

Die Goldschichten 5 sind jeweils mit einer Lötkugel 53 versehen, die beispielsweise aus einer Germanium-Goldlegierung oder aus einer Zinn-Goldlegierung besteht und durch welche das Substrat 1 und die davon getragenen Teile auf der Keramikplatte 9 befestigt sind. Die beiden Lötkugeln 53 stehen jeweils mit den Kontaktflächen 35 und 37 in Verbindung. Zuleitungen 55 und 57 verbinden jeweils die beiden elektrischen Kontakte 8 mit den beiden Kontaktflächen 39 und 41.

Aus Fig. 3 ist die vollständige Anordnung ersichtlich, wobei ein Abschlußdeckel 59 strichpunktiert dargestellt ist.

Das Substrat 1 kann auch aus Quarz und anderen Glasarten hergestellt werden; es können auch BeO oder Al₂O₃ verwendet werden. Das Substrat 1 soll ein elektrischer Isolator mit hoher Durchschlagsfestigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit sein.

Vanadiumdioxid zeigt bei Erhitzung auf eine kritische Temperatur eine sehr große Widerstandsänderung in der Größenordnung von 1000 : 1. Die Charakteristiken dieses Materials und ähnlicher Stoffe werden weiter unten erläutert.

Bei der Herstellung des Festkörperbauelementes gemäß Fig. 1 bis 3 wird das Substrat 1 zuerst über seine gesamte Fläche mit der Nickel-Chromlegierungsschicht 7 überzogen, beispielsweise durch Aufdampfen in inerter Atmosphäre. Die Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 0,05-0,1 μηι. Anschließend wird mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 μπι eine Goldschicht aufgebracht. Das Gold wird dann vom mittleren Teil des Substrats 1 abgeätzt und dann auch ein Teil der Nickel-Chromlegierungsschicht, in der Weise, daß Schultern verbleiben, welche, wie aus Fig. 1 ersichtlich, mit der temperaturempfindlichen Schicht 4 aus Vanadiumdioxid verbunden werden. Die Schicht 4 aus Vanadiumdioxid wird bei einer Temperatur von 350—450° C mit einer Dicke von 0,15-0,25 μηι aufgetragen, wobei sich das Vanadiumdioxid im polykristallinen und nicht im amorphen Zustand befindet. Dieser Film bedeckt zunächst den mittleren Teil des Substrats 1, die beiden Schultern aus der Nickel-Chromlegierungsschicht und die beiden Goldschichten 5, wird dann jedoch so weit abgeätzt, daß er von den Goldschichten 5 getrennt ist.

Das Vanadiumdioxid ist ein Beispiel für eine Klasse von Stoffen, enthaltend

b) eine Substanz, die s- und p-Elektronen aus den Leitungsbändern der Atome entfernt, und welches

c) bei einer bestimmten kritischen Temperatur einen scharfen, deutlichen Wechsel der Leitfähigkeit zwischen einem isolierenden Zustand und einem leitenden Zustand zeigt.

Das Diagramm gemäß Fig. 4 verdeutlicht, wie sich der elektrische Widerstand eines solchen Materials im Bereich der kritischen Temperatur T_c verhält.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich eine relativ breite Hystereseschleife, jedoch ist es auch möglich, durch Änderung der Herstellungsbe-

dingungen des Materials eine schmalere Hystereseschleife zu erhalten.

Für die temperaturempfindliche Schicht eignen sich beispielsweise folgende Stoffe:
Vanadiumdixod VQ,

Vanadiumtrioxid V₂O,

Silbersulfid Ag,S

Titanoxid T,O₅

Vanadiumtrioxid (V₂Oj) weist eine scharfe Änderung der Leitfähigkeit bei etwa 150° K sowie eine unzureichend definierte Änderung bei etwa 500° K auf. Durch Dotieren dieses Materials mit 1 % Chromtrioxid (Cr₂O₃) wird jedoch erreicht, daß sich die Änderung der Leitfähigkeit bei der tiefen Temperatur zu etwa 170° K verschiebt, während sich die Änderung der Leitfähigkeit bei der höheren Temperatur schärfeir ausbildet und auf etwa 270° K absenkt. Diese zweite Änderung der Leitfähigkeit liegt in entgegengesetzte«- Richtung zur ersten Änderung. Dies verdeutlicht, daß die jeweiligen kritischen Temperaturen durch Variieren der Dottermaterialmenge eingestellt werden können.

Das in der temperaturempfindlichen Schicht 4 beim Ausführungsbeispiel verwendete Vanadiumdioxid ist so dotiert, daß seine kritische Temperatur bei 55° C liegt. Wenn die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur liegt, beträgt der Widerstand zwischen den Stiften 15 und 17 200 X 10^J Ω. Wenn zwischen den Stiften 19 und 21 eine Spannung angelegt wird, fließt ein Strom durch den Ohmschen Widerstandsfilm 7 und die erzeugte Wärme wird durch das Substrat 1 in die temperaturempfindliche Schicht aus Vanadiumdioxid geleitet. Erreicht diese Schicht 4 die: kritische Temperatur, fällt der Ohmsche Widerstand zwischen den Stiften 15 und 17 plötzlich auf einen sehr viel kleineren Wert ab, beispielsweise auf 200 Ω.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel hat es. sich gezeigt, daß die temperaturempfindliche Schicht 4 aus Vanadiumdioxid nach etwa 15 ms umschaltet, wenn der Ohmsche Widerstandsfilm 7, welcher als Heizvorrichtung dient, eine Leistung in der Größenordnung von 500 mW verbraucht. Die Zeit, die die Schicht 4 benötigt, um wieder in den ursprünglichen (hochohmigen) Zustand zu gelangen, beträgt ebenfalls etwa 15 ms. Es ist möglich, ein schnelleres Umschalten zu erzielen, wenn man dem Ohmschen Widerstandsfilm 7 eine höhere Leistung zuführt. Der erhöhte Wärmestau im Substrat 1 bewirkt jedoch eine verlängerte Rückstellzeit. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Wärme als Impuls mit relativ hoher Leistung zuzuführen, wodurch man ein schnelleres Umschalten erhält, während gleichzeitig die Gesamtwärmczufuhr niedrig gehalten werden kann und dadurch ein relativ rasches Zurückkehren in den Ausgangszustand möglich ist.

Wie in Fig. 10 angezeigt, ist der Stromfluß über den Querschnitt des Materials verteilt, wenn das Material über seine kritische Temperatur erhitzt ist. Wenn der Stromfluß durch äußere Schaltkreisbedingungcn verringert oder wenn das Material auf eine Temperatur abgekühlt wird, die etwas niedriger als diejenige liegt, bei der es hochleitend wurde, dann zeigt der Stroinfluß die Neigung, sich in einem schmaleren, längscrstrcckcndcn Bereich des Materials zu konzentrieren (Fig. 11). Der konzcntriertcrc Strom erzeugt in diesem Bereich ausreichend thermische Wärme, um diesen Teil des Materials in seinem siiirker leitenden Zustand zu halten.

Fig. ft zeigt eine Schaltung mit einer Stromquelle 601, die in einem Verbraucher /?603 einen Überstrom mißt und einen npn-Transistor Q\ ausschaltet, um den Strom im Verbraucher auf einen sicheren Wert zu begrenzen. Ein Widerstand R6%5 wird so gewählt, daß genügend Basisstrom fließt, um über den Transistor Q\ einen ausreichenden Verbtaucherstrom unter normalen Arbeitsbedingungen zu liefern. Die temperaturempfindliche Schicht 4 wird zwischen den Emit-

i» ter und die Basis des Transistors Q\ gelegt. Zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors Ql liegt der Widerstand Λ605 mit beispielsweise HKK) Ω. Der Ohmsche Widerstandsfilm 7 liegt in Reihe mit dem Verbraucher R603.

ι > Bei normalen Arbeitsbedingungen ist der Transistor Ql durchgeschaltet, da die Temperatur der temperaturempfindlichen Schicht 4 unterhalb der kritischen Temperatur liegt. Wenn jedoch durch den Verbraucher Λ603 und durch den Ohmschen Wider-

-'<> standsfilm 7 ein Überstrom fließt, wird die temperaturempfindliche Schicht 4 auf erhöhte Leitfähigkeit geschaltet, wodurch der dem Verbraucher Ä603 gelieferte Strom auf den erforderlichen Wert gebracht wird.

-'"> Die Schaltung gemäß Fig. 7 ist der zuvor erläuterten ähnlich, jedoch mit derjenigen Ausnahme, daß sie selbstschaltend ist, wenn die temperaturempfindliche Schicht 4 auf einen niedrigen Widerstandswert gebracht ist.

J» Ein npn-Transistor Q3 ist über den Ohmschen Widerstandsfilm 7 und einen Verbraucher Ä803 an eine Gleichstromquelle 805 angeschlossen. Der Film 7 liegt mit einem Widerstand /?807 in Reihe an der Gleichstromquelle 805, und die Basis des Transistors Q3 ist über eine Zenerdiode Z)801 an die Verbindungsstellen der temperaturempfindlichen Schicht 4 mit dem Widerstand 7?8O7 angeschlossen. Der Widerstand R809 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q3 und dient zum Ableiten von Streuströmen.

Die aus Fig. 8 ersichtliche Schaltung ist eine Weiterentwicklung der zuvor erläuterten Schaltung, wobei an Stelle einer Zenerdiode eine Vorspannungsquelle 907 verwendet wird. Darüber hinaus überbrückt der Ohmsche Widerstandsfilm 7 einen niedrig bemessenen Widerstand R90S, so daß höhere Verbraucherströme verwendet werden können. Wie schon bei der zuvor erläuterten Schaltung, verwendet diese Schaltung einen npn-Transistor Q4, der in Reihe mit dem Ohmschen Widerstandsfilm 7 und einem Verbraucher /?901 liegt und an eine Gleichstromquelle 903 angeschlossen ist. Die temperaturempfindliche Schicht 4 liegt in Reihe mit der als Vorspannungsquelle dienenden Glcichspannungsquelle 907 sowie mit einem Widerstand Λ909 und ist ebenfalls an die Gleichspannungsquclle 903 angeschlossen. Die Basis des Transistors QA ist an die Verbindungsstelle der temperaturempfindlichen Schicht 4 mit dem Widerstand Λ909 angeschlossen. Diese Schaltung ist ebenfalls

M> sclbsthaltcnd, wenn die temperaturempfindliche Schicht 4 in den nicdcrohmigen Zustand erwärmt worden ist.

Die aus Fig. 9 ersichtliche Schaltung macht Gebrauch von der Vorrichtung gemäß Fig. 1-3 in Vcr-

b¹) bindung mit einem Triac 950, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Der Triac 950 dient als Wechselstromschalter und ist in Reihe mit einer Wechselstromquelle 951 sowie einem Verbraucher 953 verbunden. Parallel

zum Triac 950 liegen in Reihe geschaltet der Ohmsche Widerstandsfilm 4 und ein Widerstand R955 mit 1000 Ω. Die Steuerelektrode des Triac 950 ist an die Verbindungsstelle zwischen dem Ohmschen Widerstandsfilm 4 und dem Widerstand R9SS angeschlossen. Der Ohmsche Widerstaiidfilin 7 ist an eine einstellbare Steuerstromquelle 957 augeschlossen, die bei Spannungen in der Größenordnung von 5—50 V arbeitet. Demgegenüber kann die Spannung zwischen dem Verbraucher und der Steuerschaltung durchaus

1500 V,_ff betragen.

Bei dieser Vorrichtung wird die kleine Steuerspannung zur Steuerung des Widerstandes der temperaturempfindlichen Schicht 4 verwendet, wodurch die an die Steuerelektrode des Triac 950 angelegte Spannung den Verbraucherstrom steuert. Im Verbraucher 953 fließt so lange ein Strom, wie die temperaturempfindliche Schicht 4 auf Grund der am Ohmschen Widerstandfilm 7 angelegten Spannung über der kritischen Temperatur gehalten wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

809 626/200

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörperbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten mit einem plättchenförmigen Substrat aus elektrisch isolierendem Material, auf welchem eine zwei, auf ihm angeordnete elektrische Kontakte überbrückende temperaturempfindliche Schicht aus einem Material, enthaltend

b) eine Substanz, die s- und p-Elektronen von den Leitungsbändern der Atome entfernt und welches

sowie eine elektrische Heizvorrichtung aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material mit hoher Durchschlagsfestigkeit besteht, und daß auf der einen Substratseite die elektrischen Kontakte (3) und die diese Kontakte überbrückende temperaturempfindliche Schicht (4) und auf der anderen Substratseite die Heizvorrichtung (7) aufgebracht sind.

2. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizvorrichtung ein dünner Ohmscher Widerstandsfilm (7) aus Metall ist.

3. Festkörperbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsfilm (7) aus einer Nickel-Chromlegierung besteht und darauf zwei im Abstand voneinander angeordnete elektrische Kontakte (8) aus einer Goldschicht angeordnet sind.

4. Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Saphirplättchen ist und die von der temperatuternpfinulichcn Schicht (4) überbrückten elektrischen Kontakte (3) aus einer Nikkel-Chromlegierung bestehen und mit einer Goldschicht (5) bedeckt sind.

5. Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) auf einer Keramikplatte (9) mit bedeutend größeren Abmessungen angeordnet ist in der Weise, daß die temperaturempfindliche Schicht (4) der Keramikplatte (9) gegenüberliegt und mittels abstandhaltender Lötkugeln (53), weiche elektrische Kontakte zwischen den von der temperaturempfindlichen Schicht (4) überbrückten Kontakten (3) und auf der Keramikplatte (9) vorgesehenen metallischen Kontaktflächen (35, 37) herstellen, im Abstand gehalten ist.

6. Festkörperbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatte (9) an einer metallenen Bodenplatte (13) befestigt ist und eine kappenförmige Umhüllung (59) zur Umhüllung der Keramikplatte (9) und des Substrats (1) vorgesehen ist.

7. Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Material Vanadiumdi

oxid ist.

8. Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Material Vanadiumtrioxid ist.

9. Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Material Silbersulfid ist.

10. Festkörperbauelement nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Material Titanoxid ist.