DE2532588A1 - Festkoerper-schaltvorrichtung - Google Patents
Festkoerper-schaltvorrichtungInfo
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Description
MÜLLER-BORE ■ GROENING · DEUFEL SCHÖN · HERTEL
PATENTANWÄLTE
MÜNCHEN - BRAUNSCHWEIG - KÖLN
MÜNCHEN - BRAUNSCHWEIG - KÖLN
DIt. W. MOLLKR-BOR«» B RAUN SCHWSI»
H.W.aROKNINQ.DIPL.-INtX.· MONCHKN
DR. P. DEUreUOIPUCHIll.· MONCmH
DR1A-SCHOh1DIPU-CHKM.- MONCHIN
WKRNEft HBRTSL, D(Pt^PHY*. - KÖLN
2 1. JUL11975
M 2451
Anmelder: Multi-State Devices Ltd.
1350 Trans Ganada Highway South
Dorval, Quebec / Kanada
Festkörper-Schaltvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Schaltvorrichtung
aus einem temperaturempfindlichen Widerstandsmaterial sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung; sie betrifft insbesondere
einen temperaturempfindlichen Widerstand mit einer kritischen Übergangstemperatur von etwa 14-O0G.
Es ist bekannt, daß sich bei einer Reihe von Übergangsmetallverbindungen
der elektrische Widerstand bei einer bestimmten charakteristischen Temperatur abrupt ändert.
Die Brauchbarkeit solcher Materialien als elektrische Schaltvorrichtungen oder Temperaturfühler hängt davon ab, daß
die abrupte Änderung des elektrischen Widerstandes repro-
509886/0908 ilÜNCHEX 80 · SIEBEItTSTH. 4 · POB 8007SO ■ KABEL: MUEBOPAT · TEL. (089) 47IO 79 · TELEX 3-22030
duzierbar und reversibel ist. Wegen ihrer niedrigen Übergangstemperaturen
müssen V2O., (-1000G) und Fe^O^ (-1500C)
kryogen gekühlt werden. VO2 wird in großem Umfange verwendet,
weil wegen seiner Ubergangstemperatur von 65°C keine spezielle Kühleinrichtung erforderlich ist.
Bei vielen Anwendungszwecken sind elektronische Vorrichtungen, wie z.B. Leistungstransistoren, für den Betrieb bei Temperaturen
bis zu 125°C vorgesehen und demzufolge ist dafür eine Vorrichtung mit einer Ubergangstemperatur von mehr als 65°C
erforderlich. Die einzigen bekannten Materialien mit wesentlichen
Widerstandsänderungen in dem Temperaturbereich von 100 bis 200°G sind Materialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
(PTC-Materialien) auf BaTiO5-Basis und Materialien mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Materialien)
auf Ag2S- und Ti^O^-Basis. Die aus PTC-Materialien
hergestellten Vorrichtungen sind auf Niederfrequenzanwendungen beschränkt, weil die PTC-Materialien eine ihnen eigene große
Shunt-Kapazität aufweisen und weil ihre Impedanz spannungsempfindlich
ist. Es sind bereits Versuchsvorrichtungen aus den beiden zuletzt genannten Materialien hergestellt und verschiedenen
Ausfallmechanismen unterworfen worden. Ag2S ist
ein ionischer Leiter und unterliegt irreversiblen Änderungen, wenn zwischen den Elektroden einer aus einem solchen Material
hergestellten Vorrichtung ein Gleichstrom fließt. Ti,Oj- weist
einen Übergang bei 175°C auf, der von einer großen Volumenänderung
(10 °/o) begleitet ist, die zur Rißbildung führt^und
daraus hergestellte Vorrichtungen versagen aus diesem Grunde. Es sind auch bereits viele Versuche unternommen worden, durch
Zugabe von Dotierungsstoffen die Ubergangstemperatur von VO2-Materialien zu steigern. Aber auch die dotierten V0p-Vorrichtungen
sind jedoch in bezug auf ihren Anwendungsbereich auf eine Maximaltemperatur von etwa 900G beschränkt.
Nach umfangreichen Untersuchungen mit verschiedenen Formen
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von Übergangsmetalloxiden wurde nun überraschend geflinden,
daß dann, wenn VO2 "bei einer Temperatur oberhalb 600 C
in einer reduzierenden Atmosphäre einer CO2ZH2- oder C0/C02-Mischung geglüht wird, eine reduzierte Form von Vanadinoxid erhalten wird, die bei etwa 140°C einen abrupten Abfall des elektrischen Widerstandes aufweist. Ein typisches Glühverfahren besteht darin, daß man das VO2~Material in einer es umgebenden Atmosphäre mit 5000 ppm H2 in CO2 JO Minuten lang auf 100O0C erhitzt. Dieses reduzierte Vanadinoxid wurde
kristallographisch durch Röntgenbeugungsverfahren analysiert und es wurde als V-,0,- identifiziert. Aus diesem Material
hergestellte temperaturempfindliche Vorrichtungen weisen
kein Anzeichen eines Ausfalls (Versagens) durch ionische
leitung oder durch Rißbildung auf. Selbstverständlich kann V,0c auch nach einem Oxydationsverfahren anstelle des vorstehend beschriebenen Reduktionsverfahrens hergestellt werden·
in einer reduzierenden Atmosphäre einer CO2ZH2- oder C0/C02-Mischung geglüht wird, eine reduzierte Form von Vanadinoxid erhalten wird, die bei etwa 140°C einen abrupten Abfall des elektrischen Widerstandes aufweist. Ein typisches Glühverfahren besteht darin, daß man das VO2~Material in einer es umgebenden Atmosphäre mit 5000 ppm H2 in CO2 JO Minuten lang auf 100O0C erhitzt. Dieses reduzierte Vanadinoxid wurde
kristallographisch durch Röntgenbeugungsverfahren analysiert und es wurde als V-,0,- identifiziert. Aus diesem Material
hergestellte temperaturempfindliche Vorrichtungen weisen
kein Anzeichen eines Ausfalls (Versagens) durch ionische
leitung oder durch Rißbildung auf. Selbstverständlich kann V,0c auch nach einem Oxydationsverfahren anstelle des vorstehend beschriebenen Reduktionsverfahrens hergestellt werden·
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt
das temperaturempfindliche V^Oc-Widerstandselement in Form eines dünnen Filmes vor, der durch Ablagerung von VO2 auf einem isolierenden Substrat und Glühen desselben unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erhalten wird, es ist jedoch selbstverständlich, daß auch ähnliche Vorrichtungen hergestellt werden können, die in Form eines Einkristalls, in Form eines polykristallinen Aggregats, in Form eines gesinterten Pulvers oder in Form einer dicken Filmpaste vorliegen. Wenn das temperaturempfindliche Widerstandselement in Form eines dünnen Films vorliegt, v/erden auf in einem
Abstand voneinander angeordneten Punkten desselben elektrische Kontaktauflagen (Kontaktpolster) aufgebracht und die Elektrodenanschlußdrähte werden an diese Kontakt auf lagen angeschweißt. Wenn es in einer anderen Form vorliegt, können die Elektrodenanschlußirähte direkt in das temperaturempfindliche Widerstandselement eingeführt oder durch elektrisch leitendes Epoxyharz daran befestigt werden.
das temperaturempfindliche V^Oc-Widerstandselement in Form eines dünnen Filmes vor, der durch Ablagerung von VO2 auf einem isolierenden Substrat und Glühen desselben unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erhalten wird, es ist jedoch selbstverständlich, daß auch ähnliche Vorrichtungen hergestellt werden können, die in Form eines Einkristalls, in Form eines polykristallinen Aggregats, in Form eines gesinterten Pulvers oder in Form einer dicken Filmpaste vorliegen. Wenn das temperaturempfindliche Widerstandselement in Form eines dünnen Films vorliegt, v/erden auf in einem
Abstand voneinander angeordneten Punkten desselben elektrische Kontaktauflagen (Kontaktpolster) aufgebracht und die Elektrodenanschlußdrähte werden an diese Kontakt auf lagen angeschweißt. Wenn es in einer anderen Form vorliegt, können die Elektrodenanschlußirähte direkt in das temperaturempfindliche Widerstandselement eingeführt oder durch elektrisch leitendes Epoxyharz daran befestigt werden.
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Das isolierende Substrat kann aus einem Einkristall-Quarz oder irgendeinem anderen schwer—schmelzbaren (feuerfesten)
Material bestehen.
Das Widerstandelement aus V^O1- kann mit geeigneten Dotierungsstoffen dotiert sein, um seine Übergangstemperatur zu erhöhen
oder herabzusetzen. Es wurde gefunden, daß mit Germanium die Übergangstemperatur innerhalb des Bereiches von 100 bis 140°C
in vorteilhafter Weise herabgesetzt werden kann. So kann beispielsweise durch Dotieren mit etwa 2 % Germanium die Obergangstemperatur
auf etwa 120°C herabgesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine bevor
zugte Ausführungsform, wie sie in .den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes temperaturempfindliches Widerstandselement
in Form eines dünnen Films;
Fig. 2 die charakteristische Widerstands-Temperatur-Kurve eines Widerstandselements in Form eines dünnen Films;
Fig. 3 und 4- die charakteristischen Strom-Spannungs-Kurven
von Widerstandselementen in Form eines dünnen Films
bei 700C bzw. 120°C und
Fig. 5 die charakteristische Widerstands-Temperatur-Kurve
eines polykristallinen Aggregats.
10
In der Fig. 1 ist ein Substrat/einer Dicke von etwa 0,254- mm (0,010 inch) aus einem geeigneten Material, beispielsweise einem Einkristall-Quarz oder -saphir dargestellt, auf das ein Film 12 aus VOp-Material einer Dicke von einigen Tausendstel % aufgebracht ist. Der Film kann nach irgendeinem der bekannten Zerstäubungsverfahren, beispielsweise einem solchen, wie es in
In der Fig. 1 ist ein Substrat/einer Dicke von etwa 0,254- mm (0,010 inch) aus einem geeigneten Material, beispielsweise einem Einkristall-Quarz oder -saphir dargestellt, auf das ein Film 12 aus VOp-Material einer Dicke von einigen Tausendstel % aufgebracht ist. Der Film kann nach irgendeinem der bekannten Zerstäubungsverfahren, beispielsweise einem solchen, wie es in
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der deutschen Patentanmeldung P 24 02 709.6 beschrieben ist, aufgebracht werden. Der Film aus dem VOg-Material wird dann
durch Glühen bei einer Temperatur oberhalb 600 C in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise einem CO2/^- oder
CO/OOp-Gemisch^zu V^O1- reduziert. Ein typisches Glühverfahren
besteht darin, daß man den Film in einer ihn umgebenden Atmosphäre mit 5000 ppm H2 in CO2 30 Minuten lang auf 10000G
erhitzt. Selbstverständlich können Jedoch auch durch andere Kombinationen und Werte dieser Parameter äquivalente Ergebnisse
erhalten werden.
Bei der praktischen Herstellung solcher Vorrichtungen wird eine Reihe bzw. Anordnung von temperaturempfindlichen Widerstandselementen
durch photolithographische Verfahren erzeugt, welche den Film in viele identische Elemente unterteilen.
Es werden elektrische Kontaktauflagen, wie z.B. die Auflagen 14 in der Fig. 1, nach konventionellen Verfahren aufgebracht
und befestigt, vorzugsweise nach dem Glühverfahren, wegen der dabei auftretenden hohen Temperatur. Als Kontaktmetalle
können mit Erfolg Aluminium und eine Kombination von Nickel-Chrom mit Gold verwendet werden. Das Substrat kann dann durch
Anreißen und Brechen in einzelne temperaturempfindliche Widerstandselemente aufgeteilt werden. Danach werden die
Elektrodenanschlußirähte 16 an die Kontakt auf lagen 14- angeschweißt.
Diese temperaturempfindlichen Widerstandselemente werden dann nach bekannten Verfahren verpackt, um sie gegen
Umwelteinflüsse zu schützen und um ein bequemes Verfahren zu ihrem Einbau in andere Stromkreise bzw. Schaltungen zu
erzielen.
Das dabei erhaltene temperaturempfindliche Widerstandselement kann in einem elektronischen Stromkreis (einer elektronischen
Schaltung) verwendet werden, wobei es auf geringe Änderungen der Temperatur um etwa 140°G herum anspricht unter beträchtlicher
Veränderung des Widerstandes, wie in Fig. 2 der
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Zeichnungen dargestellt. Wenn man es mit einem geeigneten Schaltelement verbindet, kann es als Temperaturfühler fungieren
und als Festkörper-Schaltvorrichtung arbeiten, wenn die Temperatur 140°C übersteigt. Durch das vorstehend beschriebene
temperaturempfindliche Widerstandselement kann auch ein Strom fließen gelassen v/erden, um es auf etwa 1400G
zu erwärmen, so daß es als Festkörper-Schaltvorrichtung arbeiten kann. In diesem Falle arbeitet es als bistabiler
Schalter, so lange die Temperatur der Umgebung 14-00C nicht
übersteigt. Selbstverständlich bleibt das temperaturempfindliche Widerstandselement in seinem Zustand mit niedrigem
Widerstand, wenn die Temperatur der Umgebung oberhalb 14-00C
bleibt, und es tritt keine Rückschaltung in einen Zustand mit hoher Impedanz auf.
Die ^ig. 3 und M- zeigen die charakteristischen Strom-Spannungs-Kurven
einer solchen Vorrichtung bei 70 C bzw. 120 0, die
zwei verschiedene Impedanzzustände bei erhöhten Temperaturen aufweisen.
Obgleich das vorstehend beschriebene V^O^-Widerstandselement
nach einem Reduktionsverfahren hergestellt wurde, kann es selbstverständlich auch nach einem Oxydationsverfahren hergestellt
werden. Die Übergangstemperatur von V^O^ (14-00C) kann
durch Zugabe eines geeigneten Dotierstoffes, wie er beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 24· 36 911*7 beschrieben
ist, erhöht oder herabgesetzt werden. Beispielsweise kann durch Zugabe von etwa 2 % Germanium die Übergangstemperatur
auf etwa 120°C herabgesetzt werden.
Obgleich die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf ein
temperaturempfxndliches Widerstandselement erläutert worden ist, das in Form eines dünnen Filmes vorliegt, können selbstverständlich
auch ähnliche Vorrichtungen hergestellt werden, die in Form eines Einkristalls, in Form eines polykristallinen
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Aggregats, in Form eines gesinterten Pulvers oder in Form
einer dicken Filmpaste vorliegen. Die Fig. 5 der beiliegenden Zeichnungen erläutert die charakteristische Widerstands-Temperatur-Kurve
eines temperaturempfindlichen Elementes, das in Form eines polykristallinen Aggregats vorliegt.
Patentansprüche:
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Claims (6)
1. J Festkörper-Schaltvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,
aß sie enthält oder besteht aus einem temperaturempfindlichen Widerstandselement aus V^O^-Material, dessen elektrischer
Widerstand bei etwa 14-00C abrupt abnimmt, und Elektrodenanschlußdrähten,die
an in einem Abstand voneinander angeordneten Punkten des temperaturempfindlichen Widerstandselementes
befestigt sind, um dieses mit einem elektrischen Stromkreis zu verbinden.
2· Festkörper-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Widerstandsmaterial in Form eines dünnen Filmes (12) vorliegt, der auf
ein Trägersubstrat (10) aufgebracht ist,und daß es außerdem
metallische Auflagen (14) aufweist, die mit dem temperaturempfindlichen Widerstandselement an diesen in einem Abstand
voneinander angeordneten Punkten in Kontakt stehen, wobei an die metallischen Auflagen (14) Elektrodenanschlußdrähte
(16) angeschweißt sind. .
3. Festkörper-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Widerstandselement die Form eines Einkristalls, eines polykristallinen
Aggregats, eines gesinterten Pulvers oder einer dicken Filmpaste hat.
4. Festkörper-Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat (10) aus einem
Einkristallquarz besteht.
5. Festkörper-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das V^Oc-Widerstandselement zur Erhöhung
oder Herabsetzung der Übergangstemperatur mit einem Dotierungsstoff dotiert ist.
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6. Festkörper-Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff Germanium verwendet wird, um die Übergangstemperatur auf einen Wert innerhalb
des Bereiches von 100 bis 140°C herabzusetzen.
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Cited By (2)
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| DE4228999A1 (de) * | 1992-08-31 | 1994-03-10 | Siemens Matsushita Components | Verfahren zur Herstellung von temperaturabhängigen elektrischen Bauelementen, insbesondere Heißleitern |
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