一种石墨烯纳接触控制开关制造技术

一种石墨烯纳接触控制开关，包括基底（1）、绝缘层（2）、金属电极（3）、永磁体（4）、石墨烯条带（5）和静触点（6）。基底上水平设置了绝缘层，所述绝缘层面积完全和基底面积等同。金属电极、永磁体、静触点固定在绝缘层上。一对金属电极垂直固定在绝缘层两端上且对称布置；两块永磁体垂直固定在绝缘层两端上且对称布置。所述石墨烯条带两端分别固定于两块金属电极上，且悬浮于静触点之上。当石墨烯条带与外部电源形成贯通的回路时，石墨烯条带中就会有电流产生，在磁场的作用下，石墨烯条带会发生形变，就能与下方的静触点接触连通。本发明专利技术的石墨烯纳接触控制开关具有驱动电压低、机械响应速度快、抗疲劳性能强、使用寿命长的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯纳接触控制开关
本专利技术涉及一种石墨烯纳接触控制开关，属微纳机电系统

技术介绍
微纳机电开关是在微机电系统的基础上发展起来的特征尺寸在微米或纳米量级的机械开关，微纳机电开关具有体积小、速度快、功耗低等特点。由于物理气隙的存在，其断路时的泄漏电流几乎为零。随着科技的进步，航空航天、通讯、计算机等高端前沿领域对低功耗微型器件的需求变得尤为迫切，当传统的半导体开关已无法满足这种需求的同时，微纳机电开关极可能担当起这一重要使命。微机电系统(MEMS)的特征尺寸一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺度下的物理基础，而纳机电系统(NEMS)的特征尺寸达到了纳米数量级，一些新的效应如尺度效应、表面效应、长程力黏附效应等凸显，工作原理及表现效应等与微机电系统有根本性的不同。当开关器件的特征尺寸在微米尺度时，驱动电压很高(几十伏至上百伏)，开关速度在微秒量级。但当其特征尺寸减小到纳米尺寸时，其机械响应速度会大大提高，开关速度可以到达到纳秒量级，驱动电压显著下降。与微机电系统开关相比，纳机电系统开关的体积更小、速度更快、性能更优越。研究表明，石墨烯是一种由碳原子构成的蜂窝状二维材料，具有优异的机电性能。石墨烯单层厚度仅有0.0739nm，具有比表面积大的特点，最高可达2620m2g-1；其弹性模量可达TPa量级，导电率也接近金属；同时具有刚度大、抗疲劳等特性，这些特点决定了石墨烯是极佳的纳机电系统基础材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是，为了实现比微机电系统性能更优越的纳机电系统开关技术，提出一种石墨烯纳接触控制开关，其体积更小、速度更快、性能更优越。实现本专利技术的技术方案如下，一种石墨烯纳接触控制开关，所述石墨烯纳接触控制开关包括基底、绝缘层、金属电极、永磁体、石墨烯条带和静触点；所述绝缘层水平放置在基底的水平面上，绝缘层为长方形，所述静触点安装在绝缘层上；两块平行且对称的永磁体垂直放置在绝缘层长边的边沿，两块永磁体相对面的极性相反，分别为N极和S极；两块平行且对称的金属电极垂直放置在绝缘层宽边的边沿；所述永磁体和金属电极等高，金属电极与永磁体之间有一定空隙，；石墨烯条带的两端分别固定于两块金属电极上，且悬浮于静触点之上；处于磁场中的石墨烯条带在通电后受磁场的作用产生安培力发生变形，石墨烯条带作为动触点与静触点构成了石墨烯纳接触控制开关的两个触点。当通过石墨烯条带中的电流达到满足驱动要求时，石墨烯条带将产生足够大的变形，就能与静触点接触连通；当切断与外部电源接通时，石墨烯条带中无电流通过，就不会产生安培力，在石墨烯条带的弹力作用下就会与静触点断开，这样就实现了开关器件的开关功能。所述金属电极和永磁体均为长方体结构，所述金属电极与永磁体之间的空隙范围为100nm~500nm。所述石墨烯条带的长度为1μm~10μm，且石墨烯条带为单层的，单层石墨烯厚度仅为0.0739nm。所述静触点固定于绝缘层的中央，采用金属材料制成；所述静触点与外电路相联。所述石墨烯条带固定在金属电极上的位置为距金属电极最上端1/3~1/2处。所述金属电极与外部电源相连，与石墨烯条带和外部电源形成贯通的回路。所述金属电极的材料为Pt、Cu、Al或Ag。所述永磁体的材料为MoFe2O3、AlNiCo、FeCrCo或CoNiMnP。本专利技术的工作原理是，本专利技术中的石墨烯条带5和静触点6分别为两个触点，石墨烯条带5相当于动触点。初始状态下，未接通外部电源，由于气隙的存在，开关处于断开状态。当接通外部电源，石墨烯条带中就有电流通过，根据公式，在磁场的作用下，会产生向下的安培力，使石墨烯条带发生形变。当通过石墨烯条带中的电流达到满足驱动要求时，石墨烯条带将产生足够大的变形，就能与静触点接触连通。当切断与外部电源接通时，石墨烯条带中无电流通过，就不会产生安培力，在石墨烯条带的弹力作用下就会与静触点断开，这样就实现了开关器件的开关功能。石墨烯跨度为1μm时，按照磁场强度0.1T计算，能产生的最大挠度为60nm，并且驱动电流仅需1.6mA；当跨度为10μm时，按照磁场强度0.1T计算，能产生的最大挠度为600nm，驱动电流仅需1.6μA。由于本专利技术采用的是通电石墨烯带在磁场中受到安培力的驱动产生弯曲变形，因此石墨烯带上的受力始终是法线方向，因此有效缓解了石墨烯带端界面处的剪力破坏问题。随着驱动电流的增大，石墨烯带端界面处的转角增大，剪力是安培力的余弦函数，因此本专利技术的端界面剪力能够有效控制在较小的范围内，这对于延长纳接触开关的寿命非常有利。纳机电系统开关的实际应用要求寿命在1016次以上，目前市场上最高能到1010次。本专利技术中石墨烯的厚度非常小，仅0.0739nm，因此石墨烯在作为纳米开关发生循环弯曲变接触工作时候，全场上应力分布范围均匀集中，避免了局部应力集中问题，这一特性对纳开关的循环弯曲抗疲劳性非常有利。本专利技术的有益效果是，传统的纳机电开关所需的驱动电流一般为几十毫安，本专利技术的石墨烯纳接触开关所需要的驱动电流仅需几毫安就能满足要求，比传统的纳机电开关所需的驱动电流小一个量级，即本专利技术的石墨烯纳接触开关所需的驱动电压较低，机械响应速度较快。由于本专利技术利用了单层石墨烯条带优异的机械性能，本专利技术的石墨烯纳接触开关抗疲劳能力更强，使用寿命更长。附图说明图1为本专利技术一个实施例石墨烯纳接触控制开关的整体示意图；图2为本专利技术一个实施例石墨烯纳接触控制开关的正视方向的简化示意图；图3为本专利技术一个实施例石墨烯纳接触控制开关的侧视方向的简化示意图；图中，1为基底，2为绝缘层，3为金属电极，4为永磁体，5-为墨烯条带，6为静触点。具体实施方式本专利技术实施例，提供了一种石墨烯纳接触控制开关。如附图所示。图1是本实施例石墨烯纳接触控制开关的整体示意图。图2是图1所示的实施例石墨烯纳接触控制开关的正视方向的简化示意图。图3是图1所示的实施例石墨烯纳接触控制开关的侧视方向的简化示意图。如图1-图3所示，本实施例石墨烯纳接触控制开关包括：基底1、绝缘层2、金属电极3、永磁体4、石墨烯条带5、静触点6。基底1位于最底层，基底1上一层为绝缘层2。所述绝缘层为长方形，面积完全与基底面积等同。本实施例中基底1材料优选硅。本实施例中绝缘层2的材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等，本实施例中绝缘层2的材料优选SiO2。本实施例中金属电极3设有一对，垂直固定在绝缘层2两端上(纵向长度方向)，且对称布置，金属电极3外边缘与绝缘层2的外边缘平齐。本实施例中永磁体4设有两块，垂直固定在绝缘层2两端上(横向宽度方向)，且对称布置，永磁体4外边缘与绝缘层2的外边缘平齐。金属电极3的材料可以为Pt、Cu、Al、Ag等，本实施例中金属电极3的材料优选Pt。永磁体4的材料可以为MoFe2O3、AlNiCo、FeCrCo、CoNiMnP，本实施例中永磁体4的材料优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯纳接触控制开关，其特征在于，所述石墨烯纳接触控制开关包括基底、绝缘层、金属电极、永磁体、石墨烯条带和静触点；所述绝缘层水平放置在基底的水平面上，绝缘层为长方形，所述静触点安装在绝缘层上；两块平行且对称的永磁体垂直放置在绝缘层长边的边沿，两块永磁体相对面的极性相反，分别为N极和S极；两块平行且对称的金属电极垂直放置在绝缘层宽边的边沿；所述永磁体和金属电极等高，金属电极与永磁体之间有一定空隙，；石墨烯条带的两端分别固定于两块金属电极上，且悬浮于静触点之上；处于磁场中的石墨烯条带在通电后受磁场的作用产生安培力发生变形，石墨烯条带作为动触点与静触点构成了石墨烯纳接触控制开关的两个触点；当通过石墨烯条带中的电流达到满足驱动要求时，石墨烯条带将产生足够大的变形，能与静触点接触连通；当切断与外部电源接通时，石墨烯条带中无电流通过，就不会产生安培力，在石墨烯条带的弹力作用下就会与静触点断开，这样就实现了开关器件的开关功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯纳接触控制开关，其特征在于，所述石墨烯纳接触控制开关包括基底、绝缘层、金属电极、永磁体、石墨烯条带和静触点；所述绝缘层水平放置在基底的水平面上，绝缘层为长方形，所述静触点安装在绝缘层上；两块平行且对称的永磁体垂直放置在绝缘层长边的边沿，两块永磁体相对面的极性相反，分别为N极和S极；两块平行且对称的金属电极垂直放置在绝缘层宽边的边沿；所述永磁体和金属电极等高，金属电极与永磁体之间有一定空隙，；石墨烯条带的两端分别固定于两块金属电极上，且悬浮于静触点之上；处于磁场中的石墨烯条带在通电后受磁场的作用产生安培力发生变形，石墨烯条带作为动触点与静触点构成了石墨烯纳接触控制开关的两个触点；当通过石墨烯条带中的电流达到满足驱动要求时，石墨烯条带将产生足够大的变形，能与静触点接触连通；当切断与外部电源接通时，石墨烯条带中无电流通过，就不会产生安培力，在石墨烯条带的弹力作用下就会与静触点断开，这样就实现了开关器件的开关功能。


2.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳接触控制开关，其特征在于，所述金属电极和永磁体均为长方形，所述金属电极与永磁体之间的空隙范...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜建伟，熊明，徐长节，雷祖祥，童立红，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36