CN111525028B - 利用电脉冲调控的低温可变电阻器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用电脉冲调控的低温可变电阻器，包括电阻器内核和制冷模块；所述电阻器内核是二维电荷密度波材料，电阻器内核在脉冲作用下电阻发生变化；所述的制冷模块，用于降低所述电阻器内核的温度并使电阻器内核恢复初态电阻。利用二维电荷密度波材料在电脉冲作用下的微观结构改变，结合热点制冷技术来实现电阻器件的电阻可变，用热电制冷模块恢复二维材料的电阻，然后可以重新定值。本发明电阻器件的高频和散热特性好，可以达到100A/mm2以上的电流密度，且器件结构简单，易于操控。
Description
技术领域
本发明涉及可变电阻器件，具体而言，是一种基于二维材料的可用电流脉冲进行阻值调控的电阻器。
背景技术
当前工业控制中所常用的电位器或其他电路中的电阻器，多数是由宏观固体导电材料制成或电阻排，经常承载一定的功率，这使得空间资源占据过大，难于集成，反应时间长，并且高频特性在有些情况下无法满足。
在有些特定环境，尽管可以用表面贴装电阻来实现高频应用和散热，但是无法达到可变或者可调控，为了实现电阻的在线可调控，只能是用多组备件从中选择其一的方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用电脉冲调控的低温可变电阻器，至少达到电阻器件易集成、易操作的目的。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用电脉冲调控的低温可变电阻器，包括电阻器内核和制冷模块；
——所述电阻器内核是二维电荷密度波材料，电阻器内核在电流脉冲作用下电阻值发生变化；
——所述的制冷模块，用于降低所述电阻器内核的温度并使电阻器内核恢复初态电阻。
进一步地，所述的二维电荷密度波材料是1T-TaS2晶体材料。
进一步地，所述的制冷模块采用热电制冷器TEC。
进一步地，所述的电阻器内核和热电制冷器TEC设置于散热外罩形成的腔体内；电阻器内核固定在热点制冷器TEC的冷端，热电制冷器TEC的热端连接散热底座；电阻器内核通过第一电极引线连接电阻器件控制器系统，热电制冷器TEC的驱动电流通过第二电极引线连接温度控制系统，靠近电阻器内核设置有温度传感器。
进一步地，所述的电阻器内核与热电制冷器TEC之间设置基片，所述基片选用白宝石基片。
进一步地，所述电阻器内核、基片和热电制冷器TEC用环氧树脂封装。
进一步地，所述的第一电极引线和第二电极引线均通过绝缘密封胶固定于散热外罩。
进一步地，散热底座与散热外罩的接触面设置有密封导热银胶。
本发明的另一方面提供的是1T-TaS2晶体材料在脉冲电场调控的电阻器中的应用。
本发明的总体构思是利用二维电荷密度波材料在电脉冲作用下的微观结构改变，结合热电制冷技术来实现器件的电阻值调控。克服了现有技术中存在的空间资源占据过大，难于集成，且高频特性不易满足的难题，结构简单，易于操控。
本发明利用脉冲电场调控二维材料的相变来实现可变阻值的电阻器，高频和散热特性好，可以达到100A/mm2以上的电流密度，并且可以用脉冲电场在一个数量级范围内实现在线调控，无需拆焊电子器件，用热电制冷模块恢复二维材料的电阻，然后可以重新定值。二维材料为平面型，几乎不涉及高频的寄生电抗效应。器件的散热功率要求很小，只有不到50mW，加上半导体制冷器，总热消耗功率也比较小。
本发明已知的应用领域为二维材料的电学特性控制器件，潜在的应用可以扩展到其他半导体器件，结合热电制冷技术或者直接实现低温下可变电阻器件的功能。器件是全固态全电模式控制器件，不涉及机械转动和传动，能够自动实现外加电脉冲对器件电阻值的调整，无需人工干预，可用于比如人工智能和飞行器中电子设备工作点的自适应调控等。
附图说明
此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明提供的一种利用电脉冲调控的低温可变电阻器的结构示意图。
图2是本发明提供的一种电阻器核心、基片和电极引线的连接示意图。
图3是在电流脉冲作用下电阻器核心的电阻值变化的测试电路示意图。
图4 1T-TaS2晶体材料在脉冲电场作用下的电阻变化图。
图中，1-电阻器内核，2-热电制冷器TEC，3-散热外罩，4-散热底座，5-第一电极引线，6-第二电极引线，7-基片，8-环氧树脂，9-导热银胶，10-绝缘密封胶。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明一种典型的实施方式提供的一种利用电脉冲调控的低温可变电阻器，包括电阻器内核1和制冷模块；
——所述电阻器内核1是二维电荷密度波材料，电阻器内核1在脉冲作用下电阻发生变化；
——所述的制冷模块，用于降低所述电阻器内核的温度并使电阻器内核恢复初态电阻。
本实施方式提供了一种调控电阻的新机制，靠脉冲电场改变二维电荷密度波材料的微观结构，从而改变其电阻；用制冷模块恢复二维电荷密度材料的电阻，然后可以重新“复位”。
作为电阻器内核1的二维电荷密度波材料是二维过渡金属硫化物，优选是1T-TaS2晶体材料，其原子长程有序，规则排列。通常用化学气相输运合成法制取。将试剂原料：纯度为 99.995％钽(Ta)单质，纯度为 99.5％升华硫(S)单质，纯度为 99.995%以上的硒（Se）单质，按照化学计量比例用天秤称量好，研磨为细粉末，按8mg/cm3的比例加入纯度为99％碘单质I2作为输运剂，一起封入直径12mm的石英管内。之后双段管式电炉程序控制按如下温度曲线进行：从室温经过120分钟，升温至400℃，恒温时间300分钟。再经过900分钟温度升至热端温度为 950℃，冷端的温度为 850℃，通过输运剂I2，保持热端和冷端的反应温度10天，用于晶体生长，最后对封闭的石英管进行冷水淬火，层状的单晶样品生长在冷端。将石英管内的晶体取出，保存备用。
采用如图3所示的测试电路进行测试，1T-TaS2晶体材料在电流脉冲的激励作用下电阻值发生了变化，不同的脉冲幅值导致了不同的电阻值。
其他具有类似性质的化合物，还包括Se掺杂比例在0.5以内的1T-TaS2晶体材料1T-TaS2-xSex(x<0.5),随Se掺杂量的增加，测量结果显示，能够提高器件的工作温度区间，对于1T-TaS1.6Se0.4晶体，工作温度可提升约为40℃。
将上述材料制成电阻器件之后，通过电脉冲可以对器件的电阻值进行在线方式的调控。
以上所述的二维电荷密度波材料，如1T- TaS2晶体中内部带电团簇结构的重新分布，实现电阻变化。团簇图案为高电阻的六边形区域，以低电阻态的区域间隔开，象网状Kagome拼图。
二维电荷密度波材料发生电荷密度波相变过程，对应体系从高电阻状态转变为低电阻态，实验发现，如图4所示，在50微秒电压脉冲的作用下，电阻会发生变化，并可以停留在这个电阻改变后的很多亚稳态上。尽管是亚稳态，在无外界干扰的情况下，可以稳定存在。当再受到电流脉冲激发后，状态再次改变，低电流密度下电阻不改变。实际应用中，可以选择0.5毫米宽、10-20微米厚的宏观体材料，完全可以容纳电流到达100mA以上。
本实施方式提供的可变电阻器件，其高频和散热特性好，可以达到100A/mm2以上的电流密度，并且可以用脉冲电场在一个数量级范围内实现调控，具体的电阻值有赖于器件的尺寸参数。可以用脉冲电场在一个数量级范围内实现调控，用制冷模块恢复二维材料的电阻，使其恢复至初态电阻。在电流脉冲调控后，器件即可以正常工作，比如实现常见的分压；进而利用不同电脉冲作用下的多状态响应，还可以制成记忆电阻器件。
作为优选的实施方式，所述的制冷模块采用热电制冷器TEC2，给器件整体提供一个稳定的低温环境，如－80℃，这可由温度传感及控制器完成（或器件本就处于低温下）。之后对电阻器和核心加脉冲冲击，器件电阻即发生变化。
在一种相对具体的实施方式中，所述的电阻器内核1和热电制冷器TEC2设置于散热外罩3形成的腔体内；电阻器内核1固定在热点制冷器TEC2的冷端，热电制冷器TEC2的热端连接散热底座4；电阻器内核1通过第一电极引线5连接电阻器件控制器系统，热电制冷器TEC2的驱动电流通过第二电极引线6连接温度控制系统，靠近电阻器内核1设置有温度传感器。
在该实施方式中，电阻器核心1固定在热电制冷器TEC2的冷端，靠近电阻器内核1的一侧设置温度传感器用于监测温度。电阻器内核1通过第一电极引线5和电阻器件控制器系统相连，完成电阻器内核的阻值调整。热电制冷器TEC2驱动电流以及温度传感器信号用于调控和监测温度。优选地，所述的电阻器内核1与热电制冷器TEC2之间设置基片7，所述基片7选用白宝石基片。白宝石基片在低温下的导热能力强。优选地，所述电阻器1、基片7和热电制冷器TEC2用环氧树脂封装。
热电制冷器TEC2热端通过良好的热接触粘接固定在所述散热底座4上；电阻器内核1的背侧固定在热点制冷器TEC2的冷端，二者之间也有良好的热接触。散热底座4是导热系数高的铝片散热器，可以使TEC制冷片通过良好的导热直接固定在散热底座4上，提高散热效果。
散热外罩3用于电阻器件整体散热，可选用合金外罩，形成一个密封良好的腔体，从而使电阻器件在正常制冷工作的时候不结霜。散热外罩3与散热底座4的接触部位密封粘接，优选地，散热底座4与散热外罩3的接触面设置有密封导热银胶9。
所述第一电极引线5和第二电极引线6通过绝缘密封胶10或者密封圈固定在所述散热外罩3上。上述气密性电极引线提供电阻器件信号和电阻器件控制器电路的连接，以及TEC信号、温度传感器信号和温度控制系统的电气连接。如果想恢复二维材料原始的高电阻值，只需对器件的TEC制冷片通入非常短时间的电流，使体系的温度下降到材料的相变点以下，通常将温度降低幅度设定为30℃即可，这可以通过检测电阻值来实现。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。其中所涉及的化学元素试剂有市售，无毒。
参考图1和图2，本实施例提供的低温可变电阻器，主要有作为电阻器内核1的1T-TaS2晶体材料和非真空热电制冷装置组成。
本实施例中的非真空热电制冷装置，包括散热外罩3、TEC2、温度传感器。针对电阻器件芯片恢复原始电阻值需要制冷的需求，利用合金材料的良好导热特性和机械特性对非真空热电制冷装置进行设计，完成一个小型且简单的，能工作在温度为-120℃的非真空热电制冷模块。器件的整体散热功率要求很小，只有瓦特数量级，设计结构简单，以减小热噪声的影响。
合金材质的散热外3罩形成腔体，第一电极引线5和第二电极引线6通过绝缘密封胶10固定于散热外罩3上，作为器件的电路接口，只需用市售的导电银胶将金属丝作为电极引线引出即可。器件的核心电阻材料固定于白宝石基片7上，之后用环氧树脂将基片7与TEC2固定于散热底座4之上。温度传感器固定于TEC2的冷端面处，工作中，在TEC2的上下两个表面形成温度差。
腔体内部，TEC2通过良好的热接触与散热底座4连接。电阻器内核通过良好的热接触固定在TEC制冷片的冷端。工作过程中的热消耗功率由散热外罩3散出。
电阻器内核1通过第一电极引线5和电阻器件控制器系统相连，TEC制冷片的驱动电流通过第二电极引线6和温度控制板相连，完成TEC的驱动和温度测量。
在工作过程中，开始先将电阻器核心1冷却，这是通过第一电极引线5施加直流的电流完成。电阻器核心1正常工作时，通过第一电极引线5提供电流脉冲可以非常容易改变电阻器核心的电阻值。当需要将电阻器核心1复位成高电阻态时，还是只需通过第二电极引线6施加直流的电流完成，操作简单。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种利用电脉冲调控的低温可变电阻器，其特征在于：包括电阻器内核和制冷模块；
——所述电阻器内核是二维电荷密度波材料，电阻器内核在脉冲作用下电阻发生变化；所述的二维电荷密度波材料是1T-TaS2晶体材料；
——所述的制冷模块，用于降低所述电阻器内核的温度并使电阻器内核恢复初态电阻；所述的制冷模块采用热电制冷器TEC；所述的电阻器内核和热电制冷器TEC设置于散热外罩形成的腔体内；电阻器内核固定在热点制冷器TEC的冷端，热电制冷器TEC的热端连接散热底座；电阻器内核通过第一电极引线连接电阻器件控制器系统，热电制冷器TEC的驱动电流通过第二电极引线连接温度控制系统，靠近电阻器内核设置有温度传感器。
2.根据权利要求1所述的利用电脉冲调控的低温可变电阻器，其特征在于：所述的电阻器内核与热电制冷器TEC之间设置基片，所述基片选用白宝石基片。
3.根据权利要求1或2所述的利用电脉冲调控的低温可变电阻器，其特征在于：所述电阻器内核、基片和热电制冷器TEC用环氧树脂封装。
4.根据权利要求3所述的利用电脉冲调控的低温可变电阻器，其特征在于：所述的第一电极引线和第二电极引线均通过绝缘密封胶固定于散热外罩。
5.根据权利要求4所述的利用电脉冲调控的低温可变电阻器，其特征在于：散热底座与散热外罩的接触面设置有密封导热银胶。
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