DE2247882C3

DE2247882C3 - Festkörperbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten

Info

Publication number: DE2247882C3
Application number: DE722247882A
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: CANADIAN THERMOSTATS AND CONTROL DEVICES Ltd MONTREAL QUEBEC (KANADA)
Current assignee: CANADIAN THERMOSTATS AND CONTROL DEVICES Ltd MONTREAL QUEBEC (KANADA)
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1979-03-08
Also published as: FR2152332A5; JPS5012576A; DE2247882A1; AU456375B2; NL7213197A; CA938735A; JPS5229828B2; US3843949A; AU4733472A; GB1361740A; DE2247882B2

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-Elektronen von den Leitungsbändern der Atome entfernt und welches

in 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

i") sind.

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

Beim bekannten Festkörperbauelement sind die

4Ii einzelnen Bauelementschichten aufeinanderliegend auf einem Substrat aus Glas in Sandwichbauweise angeordnet. Als temperaturempfindliche Schicht wird hierbei VO₂, welche unmittelbar auf das Glassubstrat aufgebracht ist, verwendet. Als elektrische Heizvor-

4i richtung 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 zwi-

■><) sehen 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.

Yi 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.

w) Auch bei den Festkörperbauelementen zum thermisch gesteuerten Schalten in den US-Patentschriften 3543 104 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 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 elektriscnen Kontakte und die diese Kontakte überbrückende temperaturempfindliche Schicht und auf der anderen Substratseite die Heizvorrichtung aufgebracht sind.

Dadurch, daß die Heizvorrichtung, welche insbesondere 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 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 elektrische Schaltung in Fig. 9,

Fig. 6 bis 9 elektrische Schaltungen für das Festkörperbauelement und

Fig. K) und 11 schematische Darstellungen der unterschiedlichen Wirkungsarten des Festkörperbauelementes.

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 temperaturempfindliche 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.

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 jeweils durch vier Isolierfassungen 25, 27, 29 und 31 hindurch durch die Bodenplatte 13 erstrecken. Die Keramikplatte 9 besteht beispielsweise aus AI₂O,.

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 ve'sehen, 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 befe-

stigt 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, «vobei 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 Widerstandsände-

-'■> rung in der Größenordnung von 1000 : !. 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

en 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 μπι. Anschließend wird mit einer Dicke von beispielsweise

r> 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. ! ersichtlich, mit der temperatur-

4i) empfindlichen 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

-n 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.

)(i Das Vanadiumdioxid ist ein Beispiel für eine Klasse von Stoffen, 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-Elektronen aus den Leitungsbändern der Atome entfernt, und welches

c) bei einer bestimmten kritischen Temperatur ei-ί,ο nen 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 h-3 Bereich der kritischen Temperatur T 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 Hystereseschleite zu erhalten.

Für die leinperaturempfindliche Schicht eignen sich beispielsweise folgende Stoffe:
Vanadiumdixod VO-,

Varud'.umtrioxid V, O₁

SilhersuKid Ag,S

Titanoxid Ti,O_s

Vapnriiumtrioxid (V₂O₁) 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 schärfer ausbildet und auf etwa 270° K absenkt. Diese zweite Änderung der Leitfähigkeit liegt in entgegengesetzter Richtung zur ersten Änderung. Dies verdeutlicht, daß die jeweiligen kritischen Temperaturen durch Variieren der Dotiermaterialmenge eingestellt werden können.

Das in der temperaturempfindlichen Schicht 4 beim Au'jführungsbeispiel verwendete Vanadiumdioxid ist so dotiert, daß seine kritische Temperatur bei 55^c C liegt. Wenn die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur liegt, beträgt der Widerstand zwischen den Stiften 15 und 17 200 X K)' 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 Rücksteilzeit. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Wärme als Impuls mit relativ hoher Leistung zuzuführen, wodurch man ein schnelleres Umschalten erhält, während gleichzeitig die Gesamtwärmezufuhr 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 Schaltkreisbedingungen 'erringert oder wenn das Material auf eine Temperatur abgekühlt wird, die etwas niedriger als diejenige liegt, bei der es hochleitend wurde, dann zeigt der Stromfluß die Neigung, sich in einem schmaleren, längserstreckenden Bereich des Materials zu konzentrieren (Fig. 11). Der konzentriertere Strom erzeugt in diesem Bereich ausreichend thermische Wärme, um diesen Teil des Materials in seinem stärker leitenden Zustand zu halten.

Fig. (i zeigt eine Schaltung mi! einer Stromquelle €iül.dic in einem Verbraucher /?603 einen Überstrom mi!.'.' iüh! rincn npn-Ti ansistor Qi ausschaltet. um den Strom im Verbraucher aiii einen sicheren Wcii /u begrenzen. Ein Widerstand /?605 wird so gewählt, daß genügend Basisstrom fließt, um über den Transi- >\n^r Ql eine» ausreichenden Verbraucherstrom unter normalen Arbeitsbedingungen zu liefern. Die temperaturempfindlich·.; Schicht 4 wird zwischen den Emitter und die Basis de.·. Transistors Q\ gelegt. Zwischen der p.iisis und dem Kollektor des Transisturs Q\ liegt der Widerstand R605 mit beispielsweise 1000 Ω. Der Ühmsche Widerstandslilm 7 liegt in Reihe mit dem Verbraucher tf603

Bei normalen Arbeitsbedingungen ist dei Transistor Q\ durchgeschaltet, da die Temperatur der lempeiaiui empfindlichen Schicht 4 unterhalb der kritischen Temperatur liegt. Wenn jedoch durch den Verbraucher Λ603 und durch den Ohmschen Widerstandsfilm 7 ein Überstrom fließt, wird die temperaturempfindliche Schicht 4 auf erhöhte Leitfähigkeit geschaltet, wodurch der dem Verbraucher R603 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.

Ein npn-Transistor Q2> ist über den Ohmschen Widerstandsfilm 7 und einen Verbraucher /?803 an eine Gleichstromquelle 805 angeschlossen. Der Film " liegt mit einem Widerstand R807 in Reihe an dei Gleichstromquelle 805. und die Basis des Transistors 23 ist über eine Zenerdiode D801 an die Verbindungsstellen der temperaturempfindlichen Schicht 4 mit dem Widerstand /?807 angeschlossen. Der Widerstand /?809 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q3 und dient zum Ableiter von Streuströmen.

Die aus Fig. 8 ersichtliche Schaltung ist eine Weiterentwicklung der zuvor erläuterten Schaltung, wöbe an Stelle einer Zenerdiode eine Vorspannungsquelle 907 verwendet wird. Darüber hinaus überbrückt dei Ohmsche Widerstandsfilm 7 einen niedrig bemessenen Widerstand R905. so daß höhere Verbraucherströme verwendet werden können. Wie schon bei dei zuvor erläuterten Schaltung, verwendet diese Schaltung einen npn-Transistor QA. der in Reihe mit dem Ohmschen Widerstandsfilm 7 und einem Verbrauchei /?901 liegt und an eine Gleichstromquelle 903 angeschlossen ist. Die temperaturempfindliche Schicht 4 liegt in Reihe mit der als Vorspannungsquelle dienenden Gleichspannungsquelle 907 sowie mit einem Widerstand R909 und ist ebenfalls an die Gleichspannungsquelle 903 angeschlossen. Die Basis de; Transistors ß4 ist an die Verbindungsstelle der temperaturempfindlichen Schicht 4 mit dem Widerstanc Ä909 angeschlossen. Diese Schaltung ist ebenfalli selbsthaltend, wenn die temperaturempfindliche Schicht 4 in den niederohmigen Zustand erwärm worden ist.

Die aus Fig. 9 ersichtliche Schaltung macht Ge brauch von der Vorrichtung gemäß Fig. 1-3 in Ver bindung mit einem Triac 950, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Der Triac 950 dient als Wechselstromschalte: und ist in Reihe mit einer Wechselstromquelle 951 sowie einem Verbraucher 953 verbunden. Paralle

/um Triac950 liegen in Reihe geschaltet der Ohnische Widerstandsfilm 4 und ein Widerstand RfSS mit 1000 Ω. Die Steuerelektrode iks Triac 950 ist an die Verbindungsstelle zwischen dem Ohmschen Widerstandsfilm 4 und dem Widerstand R955 angeschlossen. Der Ohmsche Widerstandfürn 7 ist an eine einstellbare Steuerstromquelle 957 angeschlossen, die bei Spannungen in der Größenordnung von 5-50 V arbeitet. Demgegenüber kann die Spannung zwischen dem Verbraucher und der Steuerschaltung durchaus

1500 V,._fl 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

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

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

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, 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 temperaturempfindlichen 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), welche elektrische Kontakte zwischen den von der temperaturempfindlichen Schicht (4) überbrückten Kontakten (3) und auf der Keramikplatte (9) vorgesehenen metallischen Kontaktflächen (35, 37) herstellen, im Abitand 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 nacjh einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das teniperaturempfindliche Material Vanadiumtrioxid ist.

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

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