專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有條形高臨界溫度超導(dǎo)體的電阻限流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有由條形超導(dǎo)體組成的導(dǎo)線通路(Leiterbahn)的超導(dǎo)電阻限流裝置，該條狀超導(dǎo)體的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)由常規(guī)導(dǎo)電的襯底金屬組成的襯底條；由AB2Cu3Ox類(lèi)型的氧化物高Tc(臨界溫度)超導(dǎo)材料構(gòu)成的超導(dǎo)層，其中A是至少一種包括釔在內(nèi)的稀土金屬，B是至少一種堿土金屬；由具有適當(dāng)晶體尺寸的氧化緩沖材料組成的、被設(shè)置在前兩者之間的緩沖層；以及覆蓋在超導(dǎo)層之上的、由具有正常導(dǎo)電的材料組成的正常導(dǎo)電保護(hù)層。相當(dāng)?shù)南蘖餮b置見(jiàn)于DE 199 09 266 A1。
背景技術(shù)：
1986年以來(lái)，超過(guò)77K的高臨界溫度Tc的超導(dǎo)金屬氧化物是公知的，其因此被稱(chēng)為高Tc超導(dǎo)材料或者HTS材料，并且這種材料特別是使得液態(tài)氮(LN2)冷卻技術(shù)成為可能?；谥T如AB2Cu3Ox這樣的特殊材料體系的銅酸鹽就屬于這種金屬氧化物，其中，A是至少一種包括釔在內(nèi)的稀土金屬，而B(niǎo)是至少一種堿土金屬。所謂的1-2-3-HTS類(lèi)型的該材料體系的主要代表是所謂的YBCO(Y1Ba2Cu3Ox，其中6.5≤x≤7)。
出于不同的應(yīng)用目的，人們嘗試把該已知的HTS材料沉積在不同的襯底上，其中通常追求盡可能無(wú)相移的超導(dǎo)材料。于是，提供了用于導(dǎo)體應(yīng)用的特殊的金屬襯底(例如參見(jiàn)EP 0 292 959 A1)。
在相應(yīng)的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，通常不是將HTS材料直接沉積在作為襯底的支撐帶(Trgerband)上，而是首先在襯底上先覆蓋一層薄的也被稱(chēng)作緩沖層的中間層。一方面，該厚度在1μm數(shù)量級(jí)的緩沖層應(yīng)該阻止會(huì)使得超導(dǎo)特性惡化的、金屬原子由襯底滲入到HTS材料。另一方面，緩沖層應(yīng)該使得HTS材料有條理的構(gòu)造(texturierte Ausbildung)成為可能。通常，相應(yīng)的緩沖層由諸如鋯、鈰、釔、鋁、鍶或鎂的金屬的氧化物或者多種這些金屬的混合晶體的氧化物組成，并由此是電絕緣的。一旦超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)換到正常導(dǎo)電狀態(tài)(所謂的“Quenchen，失超”)，在對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電通路上就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在此，超導(dǎo)體首先有些部分電阻化并因此取得一個(gè)電阻R，例如由于超導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱至超越其臨界溫度Tc(進(jìn)入所謂的“熱區(qū)”或部分失超區(qū)域)并且多數(shù)情況下進(jìn)一步發(fā)熱，使得這一層就可能被燒穿。
由于這個(gè)問(wèn)題的原因，公知的是直接在HTS導(dǎo)電層上作為防止燒穿的旁路設(shè)置一個(gè)附加的金屬保護(hù)層，該保護(hù)層由導(dǎo)電良好的、與HTS材料相容的諸如金或銀的材料構(gòu)成。即，HTS材料與該金屬保護(hù)層構(gòu)成導(dǎo)電的面接觸(參見(jiàn)DE 44 34 819 C)。
由于因旁路而存在的熱區(qū)和部分失超區(qū)域，電壓沿著超導(dǎo)層分布不均。相反地，在載有超導(dǎo)層的襯底條上，末端上施加的電壓U在整個(gè)長(zhǎng)度上均勻降落；或者，如果將末端與所施加的電壓絕緣，則其將處于一個(gè)未定義的中間電位。其后果可能是從導(dǎo)體通路經(jīng)緩沖層至襯底的電壓差。因?yàn)榇藢拥臉O小的厚度這點(diǎn)會(huì)不可避免地導(dǎo)致電擊穿進(jìn)而導(dǎo)致緩沖層的逐點(diǎn)破壞，以及可能的情況下也會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)層的逐點(diǎn)破壞。典型地，20到100伏特?cái)?shù)量級(jí)的電壓就足夠?qū)е?μm厚度的緩沖層的擊穿。特別是，如果利用相應(yīng)的條狀導(dǎo)體構(gòu)造電阻限流裝置，就產(chǎn)生了相應(yīng)的問(wèn)題。也就是說(shuō)，在此類(lèi)裝置中，超導(dǎo)狀態(tài)向正常導(dǎo)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換被用于在短路情況下對(duì)電流的限制。在這里，對(duì)于這種通常運(yùn)行電壓為千伏范圍的裝置來(lái)說(shuō)，使緩沖層具有足夠的耐電壓并不是很容易就可能實(shí)現(xiàn)的。
在從本文開(kāi)頭處所提到的DE-A1文獻(xiàn)中得到的限流裝置中，使用了一種具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)的條狀超導(dǎo)體。在該結(jié)構(gòu)中存在著所述的緩沖層上的電擊穿的危險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，在具有本文開(kāi)頭所提到的特征的電阻超導(dǎo)體限流裝置中，消除在限流情況下失超時(shí)電擊穿的危險(xiǎn)。
上述技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)權(quán)利要求1中給出的措施解決的。據(jù)此，在具有本文開(kāi)頭所提到的特征的電阻超導(dǎo)體限流裝置中，將至少一個(gè)緩沖層這樣構(gòu)成的，使得超導(dǎo)層和襯底條之間的至少部分區(qū)域中構(gòu)成最高為10-3Ω·cm2、優(yōu)選為10-5Ω·cm2的過(guò)渡電阻。
在此，本發(fā)明的考慮是，利用特定的緩沖層材料來(lái)解決上述提到的、特定于限流裝置的問(wèn)題。認(rèn)識(shí)到的是，利用按照本發(fā)明的對(duì)與面積單位相關(guān)的過(guò)渡電阻(在大約為77K的超導(dǎo)材料的工作溫度下)的計(jì)算可以保證所追求的電位平衡。這里使用的物理量“過(guò)渡電阻”是按照Ohm·cm2(Ω·cm2)或Ohm·m2給出的。其也多處被稱(chēng)為“接觸面電阻”(例如參照“Applied PhysicsLetters”，Vol.52，NO.4，25.01.1988，331-333頁(yè)或者EP 0 315 460 A2)。在此，該過(guò)渡電阻表示與兩個(gè)特別的導(dǎo)電部分之間的按照cm2或m2表示的過(guò)渡接觸面積A相關(guān)的電阻(以Ω來(lái)計(jì)量)。R·A的乘積是獨(dú)立于過(guò)渡面積的。它描述的兩個(gè)連接部分之間的電氣面連接的品質(zhì)，例如諸如兩個(gè)導(dǎo)體之間的焊接連接或者開(kāi)關(guān)的觸頭之間的接觸。
因此，限流裝置的根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，金屬襯底條與正常導(dǎo)電的保護(hù)層以及由此與其電氣連接的超導(dǎo)層通過(guò)至少一層緩沖層至少在部分區(qū)域中建立了電氣連接，并且由此在失超狀態(tài)下也保持共同的電位。按照這種方式，就可以避免在公知的限流裝置中可能出現(xiàn)的、通過(guò)緩沖層的擊穿。
在所提出的限流裝置中，還可以尤其附加地單獨(dú)或組合地采取下述措施優(yōu)選地，選取具有最高5000μΩ·cm、優(yōu)選為最高500μΩ·cm的平均專(zhuān)門(mén)電阻的材料作為緩沖層的材料。
如果選取鑭-錳-氧(La-Mn-O)或鍶-釕-氧(Sr-Ru-O)或鑭-鎳-氧(La-Ni-O)或銦-錫-氧(In-Sn-O)類(lèi)型的氧化物作為緩沖層的材料，就可以很容易地得到對(duì)過(guò)渡電阻的按照本發(fā)明的計(jì)算。
自然，超導(dǎo)體的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)并不是限制在所提到的四層，因而，對(duì)于所述保護(hù)層和/或緩沖層，也可以分別采用由多個(gè)層組成的層系統(tǒng)。
基于本發(fā)明的限流裝置的其他有利的實(shí)施方式由上面未論及的從屬權(quán)利要求給出。


為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，下面參考附圖，依據(jù)其對(duì)限流裝置的優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行闡述。在此，圖1按照極其簡(jiǎn)化的形式以斜上視圖示出了限流裝置的YBCO條狀導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
圖1中所示的用2一般地表示的條狀導(dǎo)體，是從本身公知的所謂YBCO條狀導(dǎo)體或“覆有YBCO的導(dǎo)體”的實(shí)施方式出發(fā)的。該圖中3表示由厚度為d3的正常導(dǎo)電的襯底金屬構(gòu)成的襯底條，4表示由厚度為d4的特殊氧化緩沖材料構(gòu)成的、設(shè)置在襯底條上的至少一個(gè)緩沖層，5表示由厚度為d5的YBCO構(gòu)成的HTS層，6表示由厚度為d6的正常導(dǎo)電的保護(hù)層金屬構(gòu)成的保護(hù)層，該層作為防護(hù)層或接觸層，以及7表示由以上4個(gè)部分組成的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
在此，可按如下方式構(gòu)建上述各部分-金屬襯底條3由鎳、鎳合金或特種鋼制成，其厚度d3約為50至250μm，-至少一個(gè)緩沖層或緩沖層系統(tǒng)由特殊選擇的氧化物的一個(gè)或多個(gè)層(Lagen)構(gòu)成，其厚度d4可約為0.1至1.5μm；-至少一個(gè)HTS層5由厚度d5在約0.3和3μm之間的YBCO構(gòu)成；和-至少一個(gè)金屬保護(hù)層6由厚度d6在約0.1μm和1mm之間的銀、金或銅構(gòu)成。在此，該保護(hù)層可由金屬材料、必要時(shí)不同金屬的多個(gè)層綜合而成。
相應(yīng)的條狀導(dǎo)體的寬度為幾個(gè)毫米到幾個(gè)厘米。其超導(dǎo)的通流能力由YBCO層5、即由它的臨界電流密度決定；而熱、機(jī)械及正常導(dǎo)電的特性由襯底條3因?yàn)槠漭^大的厚度d3而支配。在此，襯底條與緩沖層一起為YBCO準(zhǔn)單晶體的生長(zhǎng)建立了基礎(chǔ)。襯底條材料及緩沖層材料的熱膨脹系數(shù)、晶格常數(shù)不得與YBCO有太大偏差。上述系數(shù)越匹配，無(wú)裂紋的層厚度就越厚，YBCO的結(jié)晶性(Kristallinitt)也越好。除此以外，對(duì)于在MA/cm2范圍內(nèi)的、高的臨界電流密度來(lái)說(shuō)，希望在相鄰晶粒中的晶軸盡可能平行地取向。這要求在至少最上層的緩沖層中同樣這樣取向，以便YBCO能夠異質(zhì)性外延(heteroepitaktisch)地生長(zhǎng)。這類(lèi)準(zhǔn)單晶體靈活的襯底-緩沖系統(tǒng)的制備，優(yōu)選地采用如下的三種方法-在非纖維化金屬條上多為YSZ或MgO的所謂的“離子束輔助沉積，Ion Beam Assisted Deposition(IBAD)”；-在非纖維化金屬條上YSZ或MgO的所謂“傾斜襯底沉積，InclinedSubstrate Deposition(ISD)”；-所謂的“軋制輔助雙軸紋理襯底，Rolling Assisted Biaxially TexturedSubstrates(RABiTS)”，也即通過(guò)軋制和熱處理被制成立方體狀態(tài)的、帶有異質(zhì)性外延的緩沖系統(tǒng)的襯底。
按照已知的方式、通過(guò)真空鍍膜工藝(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或者化學(xué)溶液沉積(CSD)建立沉積在襯底條上的功能層4到6。
當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)7的單個(gè)層之間的邊界面上可以存在相比較而言更薄的中間層，該中間層是在生產(chǎn)該結(jié)構(gòu)的過(guò)程中生成的，或者在沉積單個(gè)層時(shí)尤其是通過(guò)擴(kuò)散與/或反應(yīng)的過(guò)程中生成的。
與公知為YBCO薄層限流器的陶瓷盤(pán)狀導(dǎo)體相比，在上述類(lèi)型的條狀導(dǎo)體中襯底條3具有導(dǎo)電能力，也就是說(shuō)，它可以承載有限的電流并以旁路的方式起作用。不過(guò)，如果選擇如二氧化鈰(CeO2)或YSZ的對(duì)于公知的限流裝置通常的緩沖層材料，那么在圖中所示出的這種導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7中，HTS層5與襯底條3則是相互絕緣的。一旦限流裝置過(guò)渡到其限流狀態(tài)(即其變?yōu)檎?dǎo)電)，并且沿著其導(dǎo)電通路建立起一個(gè)電壓，則已知的緩沖層材料的數(shù)量級(jí)為100kV/mm＝10V/0.1μm的擊穿場(chǎng)強(qiáng)被迅速超越。也就是說(shuō)，緩沖層4被未受控制地?fù)舸?。因此，根?jù)本發(fā)明，特別選擇的緩沖層材料對(duì)于在限流裝置中使用YBCO條狀導(dǎo)體是非常有好處的。在此，自然也要考慮前面提到的所使用的HTS材料與緩沖層材料的晶體尺寸要足夠匹配的問(wèn)題。
在另外對(duì)一方面超導(dǎo)層5以及由此的保護(hù)層6與另一方面襯底條3之間的電位平衡的考慮中，要為該至少一個(gè)緩沖層4選擇一種氧化材料，使得超導(dǎo)層5與襯底條3之間至少在單個(gè)的例如孤島型的位置上、優(yōu)選為在整個(gè)共同的面積延伸上，構(gòu)成一個(gè)最高為10-3Ω·cm2、優(yōu)選為10-5Ω·cm2的過(guò)渡電阻。然后，在保持該值的條件下，就可以實(shí)現(xiàn)所期望的電位平衡。
特別地，可以為緩沖層4選取具有最高5000μΩ·cm、優(yōu)選為最高500μΩ·cm的平均專(zhuān)門(mén)電阻的材料。也可以說(shuō)，符合該條件的氧化材料能夠達(dá)到前面所說(shuō)的過(guò)渡電阻值并進(jìn)而使所期望的電位平衡成為可能。
公知的鑭-錳-氧或鍶-釕-氧或鑭-鎳-氧或銦-錫-氧(所謂的“ITO”)類(lèi)型氧化材料，都是符合所有提到條件的材料的例子。
在上述的實(shí)施例中，YBCO作為HTS材料是超導(dǎo)層5的基礎(chǔ)。當(dāng)然，也可以采用帶有其他的稀土金屬和/或其他堿土金屬的所謂1-2-3類(lèi)型的其他HTS材料。該材料的單個(gè)成分也可以按照公知的方式部分地通過(guò)更多的/其他的成分來(lái)取代。
權(quán)利要求
1.一種帶有由條狀超導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)體通路(2)的電阻限流裝置，該條狀超導(dǎo)體的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(7)包括-至少一個(gè)襯底條(3)，由正常導(dǎo)電的襯底材料構(gòu)成；-超導(dǎo)層(5)，由AB2Cu3Ox類(lèi)型的氧化高Tc超導(dǎo)材料構(gòu)成，其中A是至少一種包括釔的稀土金屬中，B是至少一種稀有堿土金屬；-設(shè)置在上述兩者之間的緩沖層(4)，由具有適當(dāng)晶體尺寸的氧化緩沖材料構(gòu)成；以及-保護(hù)層(6)，覆蓋在所述超導(dǎo)層(5)之上、由正常導(dǎo)電的保護(hù)層材料構(gòu)成，其特征在于，將至少一個(gè)緩沖層(4)這樣構(gòu)成，使得在所述金屬襯底條(3)和所述超導(dǎo)層(5)之間的至少局部區(qū)域中構(gòu)成最高為10-3Ω·cm2的過(guò)渡電阻。
2.按照權(quán)利要求1所述的限流裝置，其特征在于，所述超導(dǎo)層(5)和所述襯底條(3)之間至少在部分區(qū)域中構(gòu)成最高10-5Ω/cm2的過(guò)渡電阻。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的限流裝置，其特征在于，選取具有最高5000μΩ·cm、優(yōu)選為最高500μΩ·cm的平均專(zhuān)門(mén)電阻的材料，作為所述緩沖層(4)的材料。
4.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的限流裝置，其特征在于，選取鑭-錳-氧或鍶-釕-氧或鑭-鎳-氧或銦-錫-氧類(lèi)型氧材料，作為所述緩沖層(4)的材料。
5.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的限流裝置，其特征在于，所述保護(hù)層(6)由多層金屬材料組合而成。
6.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的限流裝置，其特征在于，所述緩沖層(4)由多層不同的氧化材料組合而成。
全文摘要
一種超導(dǎo)電阻限流裝置，包括條形超導(dǎo)體(2)，該超導(dǎo)體的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(7)包括至少一個(gè)金屬襯底條(3)，由AB
文檔編號(hào)H01L39/16GK101036244SQ200580033801
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月4日
發(fā)明者漢斯-彼得·克雷默, 沃爾夫?qū)な┟芴?申請(qǐng)人:西門(mén)子公司