CN110120317A - 一种基于液态金属相变的热晶体管 - Google Patents

一种基于液态金属相变的热晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于液态金属相变的热晶体管，包括封装结构，所述封装结构内部设有若干腔体，所述腔体内都设有液态金属，所述腔体两端分别设有第一接触电极、第二接触电极；所述第一接触电极与所述液态金属接触；所述封装结构外部设有温控装置，所述温控装置用于控制所述液态金属的温度，使所述液态金属在固液相变时与所述第二接触电极分离或接触。低熔点液态金属相变材料兼具有金属介质的导电性与流体的流动性，并且其密度、电导率随着温度而变化，可作为一种类似半导体晶体管的电路开关。结合液态金属直写式印刷技术，实现热晶体管电子电路在任意基底材料上直接打印，提高了电路制作的效率，提升了集成电路的生产效率与柔性特性。

Description

一种基于液态金属相变的热晶体管
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种基于液态金属相变的热晶体管。
背景技术
经过几十年的飞速发展，计算机已经成为信息时代中不可或缺的工具。从电子管、晶体管到集成电路、超大规模集成电路，计算机的硬件单元不断更新换代，与之伴随的是计算存储能力的显著提升。然而在这一过程中，计算机系统的基本结构并没有发生改变，仍然遵循着冯诺依曼结构，即由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成。目前的集成电路计算机普遍采用半导体元件作为基本单元。利用不同的半导体材料，采用不同的工艺和几何结构，制作出功能各异，种类繁多的半导体元件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。
随着物理、生物学与材料科学等学科的发展，各种全新的计算机构成方案层出不穷。1959年，诺贝尔奖获得者费曼提出研制分子尺度计算机。1983年美国提出了生物计算机(biological computer)的概念，生物学家将仿生学运用到生物计算机领域，开发了以核酸分子作为“数据”，以生物酶及生物操作作为信息处理工具的一种新颖的计算机模型。与传统硅基芯片计算机不同，光计算机(optical computer)用光束代替电子进行计算和存储。它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。量子计算机(quantum computer)最早由费曼提出，是一类遵循量子力学规律进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置。
晶体管(transistor)是一种固体半导体器件，作为计算机中的重要组成部分，其具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。传统的计算机中采用的固态半导体晶体管虽然比较精准，但是加工工艺比较复杂，而且固体元件不适用于柔性设备。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于液态金属相变的热晶体管，解决了现有技术中加工工艺比较复杂，而且固体元件不适用于柔性设备的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种热晶体管，包括封装结构，所述封装结构内部设有若干腔体，所述腔体内都设有液态金属，所述腔体两端分别设有第一接触电极、第二接触电极；所述第一接触电极与所述液态金属接触；所述封装结构外部设有温控装置，所述温控装置用于控制所述液态金属的温度，使所述液态金属在固液相变时与所述第二接触电极分离或接触。
作为优选的，所述封装结构内部的腔体并联或串联。
作为优选的，所述封装结构内部包括第一腔体、第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体并联，且所述第一腔体内部的液态金属与所述第二腔体内部的液态金属不同。
作为优选的，所述封装结构内部包括第一腔体、第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体串联，且所述第一腔体内部的液态金属与所述第二腔体内部的液态金属不同。
作为优选的，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银。
作为优选的，所述第一接触电极、第二接触电极还分别连接有外部电极，所述外部电极与所述封装结构连接固定，所述外部电极的材料为石墨或不锈钢。
作为优选的，所述第二接触电极的材料为镍或不锈钢，所述第一接触电极的材料为陶瓷、硅片、耐热塑料、二氧化硅或聚四氟乙烯。
作为优选的，所述封装结构材料为聚二甲基硅氧烷、二氧化硅、聚四氟乙烯、镍或不锈钢。
作为优选的，所述温控装置为热电阻、热电丝或半导体热电片。
作为优选的，所述腔体内部截面为圆形、椭圆形或多边形。
本发明提出一种基于液态金属相变的热晶体管。低熔点液态金属相变材料兼具有金属介质的导电性与流体的流动性，并且其密度、电导率随着温度而变化，可作为一种类似半导体晶体管的电路开关。结合液态金属直写式印刷技术，可以实现热晶体电子电路在任意基底材料上的直接打印，大大提高了电路制作的效率，降低了制作门槛。利用液态金属制作具有执行功能的电子元件将进一步提升集成电路的生产效率与柔性特性。
附图说明
图1为根据本发明实施例1的基于液态金属相变的热晶体管结构示意图；
图2为根据本发明实施例2的基于液态金属相变的热晶体管结构示意图；
图3为根据本发明实施例3的基于液态金属相变的热晶体管结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中示出了一种基于液态金属相变的热晶体管，包括封装结构，所述封装结构内部设有若干腔体，所述腔体内都设有液态金属，所述腔体两端分别设有第一接触电极、第二接触电极；所述第一接触电极与所述液态金属接触；所述封装结构外部设有温控装置，所述温控装置用于控制所述液态金属的温度，使所述液态金属在固液相变时与所述第二接触电极分离或接触。具体的，第一接触电极在腔体底部，第二接触电极在腔体顶部，在常温状态下，液态金属呈液态时，液态金属与第一接触电极接触，液态金属与第二接触电极分离，温控装置对腔体进行冷却并使液态金属温度逐渐降至相变温度，液态金属随温度的降低而凝固，随后发生相变而膨胀，与顶部的第二接触电极接触，使得电路导通。
具体的，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银，或其他低熔点金属或合金。室温液态金属(如镓及其合金)由于其独特的物理化学性质逐渐获得了研究者的关注。室温液态金属在室温下呈液态，并具有较低的蒸汽压和很高的沸点(如镓的熔点为29.8℃，沸点为2204℃)；其密度是水的6倍，粘度与水相近，因而可以实现低阻力流动。此外，室温液态金属具有良好的导电能力(5.74×106/Ω·m)与导热能力(29.31W/m·K)，兼具金属的导电导热性能、液体的流动性及化学稳定性，并具有较好的生物相容性。基于以上特性，液态金属在能量管理与存储，柔性电子，印刷电子，生物医学等领域均得到了研究与应用。
具体的，可以通过液态金属在电场与磁场下的可控性变形与运动，液态金属的固液相转变，以及其在溶液中的运动与化学反应等特征来对外接电路进行控制。低熔点液态金属相变材料兼具有金属介质的导电性与流体的流动性，并且其密度、电导率随着温度而变化，可以实现热晶体管电子电路在任意基底材料上的直接打印，大大提高了电路制作的效率，降低了制作门槛。
具体的，所述第一接触电极、第二接触电极还分别连接有外部电极，所述外部电极与所述封装结构连接固定，所述外部电极的材料为石墨或不锈钢。
具体的，所述第二接触电极的材料为镍或不锈钢，或者其他与液态金属湿润性较差的材料；所述第一接触电极的材料为陶瓷、硅片、耐热塑料、二氧化硅或聚四氟乙烯，或者其他与液态金属湿润性较好的材料，也可以为内表面经过处理的金属铜或铝，第二接触电极的材料与液态金属湿润性差，使得在液态金属温度升至常温相变为液态时，与第二接触电极完全分离，不遗留液态金属液滴在第二接触电极上，避免分离不完全；同理，第一接触电极采用与液态金属湿润性好的材料，使得第一接触电极能很好的与液态金属接触，保证了电路能够随时导通。
具体的，所述封装结构材料为聚二甲基硅氧烷、二氧化硅、聚四氟乙烯、镍或不锈钢，也可以为内表面经过处理的金属铜或铝。
具体的，所述温控装置为热电阻、热电丝或半导体热电片。
实施例1
如图1所示，图中示出了一种基于液态金属相变的热晶体管，包括封装结构1，所述封装结构1内部设有一个腔体2，所述腔体2内都设有液态金属，所述腔体2两端分别设有第一接触电极31、第二接触电极32，第一接触电极31连接有第一外部电极41，第二接触电极32连接有第二外部电极42；所述第一接触电极31与所述液态金属接触；所述封装结构1外部设有温控装置5，所述温控装置5用于控制所述液态金属的温度，使所述液态金属在固液相变时与所述第二接触电极32分离或接触。本实施例中的其他结构和属性与上述的基于液态金属相变的热晶体管相同，因此不再赘述。
封装结构1内部盛有一定量的液态金属2。常温下处于液态，仅与底部的第一接触电极31和第一外部电极41接触，线路均处于断开状态。当温控装置5从一侧对腔体进行冷却时，低熔点液态金属随着温度的降低而凝固，随后发生相变而膨胀，与上端的第二接触电极32、第二外部电极42接触，该条线路导通，如图1中右侧图所示。当温度逐渐升高，腔体中的金属融化收缩后，线路处于断开状态，如图1中左图所示。据此可以利用温度控制电路的开合。
实施例2
如图2所示，图中示出了一种串联式的基于液态金属相变的热晶体管的电路逻辑控制示意图，封装结构1内部两个腔体2中分别放置具有不同熔点的两种液态金属，例如镓(Ga，熔点30℃)与镓铟合金(GaIn24.5，熔点15℃)。初始时两种液态金属均处于液态，仅与底部的第一接触电极31和第一外部电极41接触，线路处于断开状态。当温控装置5从一侧对腔体2进行冷却时，熔点较高的Ga首先发生固液相变，与上端的第一接触电极32、第一外部电极42接触，该条线路导通，另一条仍处于断开状态，因此外电路仍处于断开状态。当温度逐渐降低至另一个腔体2中的液态金属GaIn24.5的熔点以下，并且膨胀后接通线路时，两条线路均处于导通状态，外电路导通。本实施例中的其他结构和属性与上述的基于液态金属相变的热晶体管相同，因此不再赘述。
电路的导通与断开相当于“1”和“0”这两种状态。在本实施例中，开关的这三种导通情况对应于逻辑电路的“非”、“或”、“与”三种结果，据此可以利用温度控制电路的开合，从而进行逻辑运算。
实施例3
如图3所示，图中示出了一种并联式的基于液态金属相变的热晶体管的电路逻辑控制示意图，封装结构1内部两个腔体2中分别放置具有不同熔点的两种液态金属2相变材料，例如镓(Ga，熔点30℃)与镓铟合金(GaIn24.5，熔点15℃)。初始时两种液态金属均处于液态，仅与底部的第一接触电极31和第一外部电极41接触，线路处于断开状态。当温控装置5从一侧对腔体2进行冷却时，熔点较高的Ga首先发生固液相变，与上端的第二接触电极32、第二外部电极42接触，该条线路导通，另一条仍处于断开状态，因此外电路处于导通状态。当温度逐渐降低至另一个腔体中的金属GaIn24.5的熔点以下，并且膨胀后接通线路时，两条线路均处于导通状态，外电路短路，因此处于断开状态，基于液态金属相变实现了温控开关的控制。本实施例中的其他结构和属性与上述的基于液态金属相变的热晶体管相同，因此不再赘述。
综上所述，本发明提出一种基于液态金属相变的热晶体管。低熔点液态金属相变材料兼具有金属介质的导电性与流体的流动性，并且其密度、电导率随着温度而变化，可作为一种类似半导体晶体管的电路开关。结合液态金属直写式印刷技术，可以实现电子电路在任意基底材料上的直接打印，大大提高了电路制作的效率，降低了制作门槛。利用液态金属制作具有执行功能的电子元件将进一步提升集成电路的生产效率与柔性特性。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热晶体管，其特征在于，包括封装结构，所述封装结构内部设有若干腔体，所述腔体内都设有液态金属，所述腔体两端分别设有第一接触电极、第二接触电极；所述第一接触电极与所述液态金属接触；所述封装结构外部设有温控装置，所述温控装置用于控制所述液态金属的温度，使所述液态金属在固液相变时与所述第二接触电极分离或接触。
2.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述封装结构内部的腔体并联或串联。
3.根据权利要求2所述的热晶体管，其特征在于，所述封装结构内部包括第一腔体、第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体并联，且所述第一腔体内部的液态金属与所述第二腔体内部的液态金属不同。
4.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述封装结构内部包括第一腔体、第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体串联，且所述第一腔体内部的液态金属与所述第二腔体内部的液态金属不同。
5.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或水银。
6.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述第一接触电极、第二接触电极还分别连接有外部电极，所述外部电极与所述封装结构连接固定，所述外部电极的材料为石墨或不锈钢。
7.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述第二接触电极的材料为镍或不锈钢，所述第一接触电极的材料为陶瓷、硅片、耐热塑料、二氧化硅或聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述封装结构材料为聚二甲基硅氧烷、二氧化硅、聚四氟乙烯、镍或不锈钢。
9.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述温控装置为热电阻、热电丝或半导体热电片。
10.根据权利要求1所述的热晶体管，其特征在于，所述腔体内部截面为圆形、椭圆形或多边形。
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