專利名稱：雙面ybco薄膜結構的超導開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超導能量變換技術領域，是應用超導材料的非線性電阻以實現(xiàn)超導磁體的勵磁、閉環(huán)運行以及快 速去磁的超導開關器件。
背景技術：
高溫超導電感磁儲能是一種高效的儲能技術，與電容儲能相比具有儲能密度高、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)體積小等優(yōu)點，已經在交通、航天、電力、醫(yī)學等領域中得到廣泛的應用。超導開關是超導磁儲能系統(tǒng)中的關鍵器件，利用超導-常導相變出現(xiàn)的電阻變化來實現(xiàn)電路的斷開與閉合。超導開關和超導磁體組成的系統(tǒng)具有脈沖輸出、穩(wěn)定儲能、磁體自保護等功倉泛。高性能的超導開關除了要具有超低損耗的載流性能，還要有快速有效的關斷特性包括關斷時間和關斷電阻兩個標準；達到穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的優(yōu)良性能是設計與制備高溫超導開關的難點。目前制備超導開關的材料有低溫NbTi線、高溫超導帶材(Bi系、Yi系)、超導薄膜、超導塊材，不同材料組成的超導開關其結構和性能大相徑庭。低溫超導材料(工作在4. 2K液氦溫區(qū)，主要以NbTi合金為代表)制備的超導開關已經得到較多研究，其接頭電阻很低，性能良好，技術比較成熟。低溫超導材料的使用性能已難以顯著提高，特別是苛刻的低溫環(huán)境要求，極大地限制了其應用的普及。高溫超導帶材是制備高溫超導開關通常選用的一種，用超導帶材繞制而成，其斷路電阻的增加依賴于超導帶材長度的增加，這將大大增加開關的體積，從而增加了繞線工藝的難度；加之在超導開關觸發(fā)的過程中，線圈式結構是一種封閉的熱學模型，極易出現(xiàn)導熱的不均勻，開關的操作時間會達到幾秒甚至幾十秒，嚴重影響開關的關斷性能，需要復雜的觸發(fā)裝置才能獲得理想的開斷速度。薄膜開關由YBCO薄膜制備得到，YBCO薄膜一般沉積在介質基片上，厚度為100nm-500nm，由于制備的工藝的原因，臨界電流密度很難達到均勻分布，液氮溫區(qū)內的載流能力遜于線材，加上平面式的熱學結構薄膜超導開關容易發(fā)生淬滅的不均勻，特別是多模塊組成器件中，模塊間的同步性是一個重要的問題；YBC0陶瓷材料在90K時的電阻率達到130 Ω · m，可以實現(xiàn)很高的斷路電阻，前提是有有效的結構設計和控制手段。超導材料的三種臨界態(tài)是控制開關的主要手段包括電、磁、熱，目前任何一種單一的觸發(fā)方式都有其缺點，很難同時實現(xiàn)開關的關斷時間和關斷電阻兩個電氣標準。高性能的高溫超導開關在實際運行的研究報道還較少，在高電壓、大電流的條件下性能還有待提聞。

發(fā)明內容
鑒于現(xiàn)有技術的以上不足，本發(fā)明的目的是，從結構設計方向予以改善來提高高溫超導開關的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能，獲得一種適合電、磁優(yōu)化組合控制的雙面YBCO薄膜開關。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。
雙面YBCO薄膜結構的超導開關，工作于在液氮溫區(qū)具有電、磁以及其優(yōu)化組合的控制方式，開關主體由雙面結構的YBCO薄膜材料構成。平面電路采用蛇形走線結構，即超導層被刻蝕空隙分割成曲折路徑；平面電路具有層內通孔，即超導層上具有若干散布的刻蝕空孔，且正反兩面的刻蝕空孔呈交錯排布。采用如上的結構，雙面結構薄膜構造超導開關，上下導電層并接能改善載流能力，串接可以增加線路電阻，提高了空間結構設計的靈活性和開關的集成度。根據(jù)失超熱學原理，兩超導層間MgO基底良好的傳熱效果，能起到平衡熱場和臨界電流密度分布的作用，這樣可大大提高開關模塊開斷的同步性；高溫超導開關工作在液氮溫區(qū)(77K)，根據(jù)液氮的沸騰工況，雙面結構的YBCO薄膜具有比單面的薄膜更強的熱力學惰性，開關斷開后會較長時間地保持正常態(tài)，提高了超導磁體能的能量轉換。開關的平面電路設計的蛇形的走線是增加了走線有效長度，從而增大斷路電阻；YBCO超導層內微小通孔設計一方面不會明顯影響穩(wěn)態(tài)的載流能力，相當于人為地設計YBCO薄膜的缺陷分布，促進電流觸發(fā)控制時熱點在整個平面上的分布和熱傳導，另一方面正反面的通孔交錯排布，是考慮到磁場觸發(fā)控制時開關平面上磁場的穿透能力不同，這樣 的通孔設計可以使超導薄膜在磁場下受面一致均勻，這樣的整體設計可以使電磁觸發(fā)變得簡單有效。


圖I是雙面薄膜開關的結構示意圖。a.平面電路效果圖(左為正面圖，右為反面圖)，b.前視效果圖，C，三維效果圖。圖中I.鍍金層，2.超導層，3.層內通孔，4. MgO基底層圖2是雙面薄膜開關沿X軸的剖視效果圖。表示開關的兩種載流方式，a.并聯(lián)載流圖，b.串聯(lián)載流圖。圖中“一”表示電流流向。圖3為采用本發(fā)明雙面薄膜開關的電、磁組合的觸發(fā)應用方案圖。圖中5.直流電源，6.脈沖電流源，7.電源開關，8.超導開關模塊，9.杜瓦，10.液氮或液氦，11.電流引線1，12.電流引線2，13. 二極管1，14. 二極管2，15.負載電阻，16.儲能磁體，17.常導線圈，
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施對本發(fā)明作進一步描述。圖I是超導開關的多層結構，開關主體由雙面結構的YBCO薄膜材料構成，通過一種雙倒筒靶濺射法YBCO超導層生長在兩英寸直徑的MgO襯底4兩面?？紤]到刻蝕時側壁垂直度和對薄膜下層結構和襯底的保護，采用激光輔助化學刻蝕的刻蝕技術超導層被刻蝕空隙100阻擋分割成曲折路徑；超導層上具有若干散布的刻蝕空孔3，且正反兩面的刻蝕空孔呈交錯排布。這種結構由雙倒筒靶濺射法制備得到。用相同的技術在薄膜的局部鍍金I作為開關的電流引線，方便與超導磁體9的電氣連接。圖I中開關的精確地走線要依賴YBCO薄膜的，，這其中包括了掩模板制作、激光加化學刻蝕等工藝。圖3是一種電、磁觸發(fā)裝置。超導儲能磁體16和超導開關8并聯(lián)成儲能回路，置于低溫空間10里；室溫下負載電阻15通過電流引線11、12與儲能回路并接，這樣三個主體并聯(lián)構成了超導磁儲能的儲能回路和去磁回路。圖中常導線圈17提供觸發(fā)超導開關的磁場，兩端與脈沖電流源6連接，觸發(fā)時產生一個脈沖磁場；脈沖電流源6同時與超導開關模塊8并聯(lián)，輸出一個脈沖電流觸發(fā)超導開關模塊8，在磁場和電場的共同作用下實現(xiàn)超導薄膜開關模塊的快速有效的關斷。 采用本發(fā)明的基本結構，在實際實施中可有多種等同的變化，但凡是根據(jù)發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思，加以等同替換與改變，均被認為屬于發(fā)明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.雙面YBCO薄膜結構的超導開關，工作于在液氮溫區(qū)具有電、磁、熱以及其優(yōu)化組合的控制方式，開關主體由雙面結構的YBCO薄膜材料構成，其特征在于，平面電路采用蛇形走線結構，即超導層被刻蝕空隙(100)阻擋分割成曲折路徑；平面電路具有層內通孔，即超導層上具有若干散布的刻蝕空孔(3)，且正反兩面的刻蝕空孔呈交錯排布。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙面YBCO薄膜結構的超導開關，其特征在于，超導開關模塊的層間電氣連接可并聯(lián)連接和串聯(lián)連接結構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙面YBCO薄膜結構的超導開關，工作于在液氮溫區(qū)具有電、磁以及其優(yōu)化組合的控制方式，開關主體由雙面結構的YBCO薄膜材料構成。超導層被刻蝕空隙(100)阻擋分割成曲折路徑；超導層上具有若干散布的刻蝕空孔(3)，且正反兩面的刻蝕空孔呈交錯排布。采用本發(fā)明結構可以增加線路電阻，提高空間結構設計的靈活性和開關的集成度，兩超導層間MgO基底良好的傳熱效果起到平衡熱場和臨界電流密度分布的作用，大大提高開關模塊開斷的均勻度和響應速度。
文檔編號H01L39/16GK102931339SQ20121043418
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權日2012年11月2日
發(fā)明者王豫, 桂志興, 李海濤, 嚴仲明, 王亮, 劉陽 申請人:西南交通大學