[发明专利]一种用于微电极接触的过载保护装置及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及电接触系统，特指一种利用材料相变收缩原理制备的微电极接触的过载保护装置及其制备和使用方法。

背景技术

世面上常见的电路过载保护装置主要由电磁铁、衔铁等组成，结构较为复杂，接触分离形式多为机械运动，断流时间较长，通常不小于0.1s；精密微电子器件在承受过流的时候往往会发生瞬间烧毁，常规的过载保护起不到保护作用；基于微电子技术的抗过载保护开关，如光开关则是借助于光电效应实现后续电路的抗过载保护，但是随着发光管的老化，后续电路容易出现欠压工作；在研究中发现，当给单晶硅表面溅射的Ge_xSb_yTe_z（简称GST）薄膜施加某一阈值以上电压时，薄膜材料结构将从非晶态转变成晶态，从电学方面，材料的导电性能发生了较大的变化，在表面形貌方面，相变发生后，宏观表现为薄膜材料表面凹陷，然而，当向该表面反向施加另一电压时，薄膜材料还能发生反向相变，恢复到原来的非晶态结构，且相变发生时间非常短，同时具有性能稳定，寿命长等特点，由于该系列材料的这些优异特性而被用于高密度信息存储，专利（ZL200410066141）以此为材料，开发出一种通电压痕的纳米级微加工方法，本发明提出利用GST材料在相变时发生体积收缩的原理实现微电极的接触与断开，从而制备出微电极接触开关及其过载保护装置，该装置可以有效保证电路系统安全可靠运行。

发明内容

本发明利用相变材料GST薄膜电致收缩效应，用磁控溅射方法制备出GST薄膜，并以此为执行部件，当采样电阻两端的电压达到GST的相变电压时，薄膜发生收缩，带动电极材料向下运动，两电极分开，实现后续电路的保护，待故障解除后可以复位，使相变材料恢复，从而实现电路导通，本装置可以满足微电子电路中保护高灵敏度器件的要求。

本保护装置由两大部分组成：载流单元和相变激发单元，所述载流单元由载流上电极层和载流下电极层组成，载流上电极由上电极层和电极基底组成，载流下电极由下电极层、上绝缘层、下绝缘层和基底组成；相变激发单元包括相变激发上下电极、相变薄膜、相变恢复电路和采样电阻。

相变薄膜位于相变激发上下电极之间；相变激发下电极往下依次为下绝缘层和基底。

相变激发上电极往上依次为上绝缘层、下电极、上电极和电极基底。

相变恢复电路与采样电阻并联，并联电路的第一端与外电路接线柱相连，第二端分别与下电极、相变激发上电极相连，第三端与相变激发下电极连接，上电极通过引线与外电路接线柱相连。

本发明的核心工艺如下：

1、 在基底材料表面利用化学气相沉积法或溅射方法生长一层厚度为50 ~ 200 nm的下绝缘层。

2 、在下绝缘层表面利用溅射工艺或蒸发工艺沉积一层厚度为50~100nm导电金属或其合金作为相变激发下电极。

3、在相变激发下电极上利用磁控溅射制备一层厚度为300~500nm的GST相变薄膜，然后再在GST相变薄膜上溅射一层厚度为50~100nm的导电金属或其合金作为相变激发上电极。

4、 在相变激发上电极上依次溅射厚度为50~200nm的上绝缘层和厚度为500~1000nm的下电极层。

5、在电极基底上采用溅射方法制备500~1000nm的上电极层。

6、将所制备的载流上电极与载流下电极结构放入夹具中，并使上电极与下电极正面相对叠在一起，然后夹紧固定。

7、采用微加工工艺将金丝导线分别与所述的四个电极层键合相连。

8、将相变恢复电路与采样电阻并联，并联电路的第一端与外电路接线柱相连，第二端分别与下电极、相变激发上电极相连，第三端与相变激发下电极连接，上电极通过引线与外电路接线柱相连。

9、采用环氧树脂对上述结构进行包覆封装。

所述基底材料为单晶硅片或玻璃。

所述上下绝缘层为Si₃N₄或SiO₂薄膜。

所述微加工工艺包括但不限于磁控溅射、蒸发和化学气相沉积工艺。

所述导电金属或其合金指金、银、铜、铝或其合金材料构成的良导体。

所述电极基底为单晶硅片或玻璃。

采样电阻可以根据电路载流要求进行配置，所述相变恢复电路由导线、包括纽扣电池或集成电压源在内的相变恢复电压源和包括按钮开关在内的相变恢复电路导通按钮构成，相变恢复电压源通过导线与相变恢复电路导通按钮并联后再与采样电阻并联；所述相变恢复电压源的电压值大于GST的相变阈值电压。