金属-绝缘体-金属二极管及其制造方法技术

本发明专利技术描述一种金属－绝缘体－金属二极管器件（１０）及其制作方法。该器件包括导电层（１２，１６）和包含具有悬浮在电解质粘合剂（２２）中的本征氧化物覆层（２０ａ）的难熔金属（２０）粒子的金属－绝缘体层（１４），该粘合剂可包含电解质填充材料粒子（２４）。在一种实施方案中，金属－绝缘体层（１４）包括诸如钽的难熔金属，填充材料包括二氧化钽粒子，并且通过印刷形成该器件。该二极管器件特别适用于全印刷的电池检验器应用。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属-绝缘体-金属二极管。一种类型的金属-绝缘体-金属二极管包括复合金属-绝缘层，其隔开两个导电层，即电极。复合金属/绝缘层具有绝缘粘合剂，悬浮金属粒子具有在其上的相对厚的，热生长或沉积的氧化层。在1998年6月麻省理工学院的Jaeyong Park的名称为“全印刷的双稳态反射显示器可印刷电泳油墨和全印刷的金属-绝缘体-金属二极管”的论文中，描述了两类上述金属-绝缘体-金属二极管的生产方法。该论文描述了热退火方法和阳极化方法。在热退火过程中，故意沉积的厚的二氧化钽层形成在钽粒子的周围。通过将钽粒子和故意生长的氧化物混合到粘合剂中形成油墨。通过在烘箱中氧化氛围中热退火钽粉末一段时间混合粘合剂，退火温度保持在250和400℃之间，在此之前制备二氧化钽粉末。一旦该粉末被氧化，与粘合剂混合并丝网印刷在铜箔衬底上。该装配干燥并冷却后，通过丝网印刷铬油墨层被放置在钽粘合剂油墨层上。在阳极化方法中，钽粉末混合聚合物粘合剂并被印刷在铜表面顶面上。该装配被放置在电解液中以进行阳极化处理，即在钽材料的暴露表面，也就是未浸没在聚合物粘合剂中的那部分钽上生长阳极氧化层。铬层被印刷在阳极氧化物之上。任一器件的电流-电压特性曲线提供与众不同的对称二极管响应，其中响应的开关电压依赖于氧化物的厚度，其被加热的时间长度和在烘箱中被加热的温度。通常报告的开关电压在50至80伏特的范围中。已知的M-I-M器件的开关电压特性对于需要低开关电压的许多应用来说是非常高的。在此描述的二极管可达到低于现有技术那些二极管的开关电压。特别是，该二极管可达到低于10伏特的开关电压，通常低于2伏特，并且特别是低于1伏特下至大约0.5伏特左右。该器件也可包括配置以与金属-绝缘体层直接接触的第二导电层。粒子可为形成氧化物的任何金属，该氧化物是自限制，稳定的并对应用具有合适的介电常数。金属的实施例包括钽和铌。根据本专利技术的另一方面，金属绝缘体二极管器件包括导电层和金属-绝缘体层，该层包括金属粒子，该金属在暴露于周围氧气时在粒子上形成本征氧化物表面层，同时粒子悬浮在电介质粘合剂载体中，该器件还包括配置以与绝缘体金属层直接接触的第二导电层，所述绝缘体金属还包括电介质填充材料。根据本专利技术的还一方面，制作金属-绝缘体-金属器件的方法包括在第一导电层上印刷有粘合剂和钽粒子组成的层，钽粒子具有范围在一至几，例如大约10的单层厚度的氧化物表面层。通过本专利技术的一个或多个方面，可提供一种或多种下述的优点。钽金属的本征氧化物覆层的使用提供一种相对均匀厚度的氧化层。钽的块体热氧化能够非常不均匀地生产出绝对表面定向器件，其电特性难以预测或控制。在块体样品中，在表面上的钽的氧化多于在样品底部的钽材料的氧化。本征氧化物容易控制并且不会完全一致地直到100％氧化，这样会产生100％氧化钽粉末。具有本征氧化物的金属粒子和粘合剂的结合也避免了在氧化层中可能形成小孔，这对常规M-I-M二极管来说是个问题。在氧化钽层中的小孔可引起具有氧化钽层的二极管的短路。氧化钽层是均匀的，允许极好地接触导电电极。在常规M-I-M二极管器件中，厚氧化物被典型沉积在第一导体上以将小孔的形成减至最小。厚的氧化物提供在上述相对较高的50至80伏特的开关电压开关的二极管。本专利技术二极管的装置允许比现有技术二极管低得多的开关电压。附图说明图1A是沿着一部分图1的线1A-1A的放大示意图。图2是另一M-I-M二极管结构的横截面示意图。图2A是沿着一部分图2的线2A-2A的放大示意图。图3是另一M-I-M二极管结构的横截面示意图。图4是制作图1器件的方法流程图。图5A-5D是电压对电流的曲线，示出了图1-4的M-I-M二极管器件的典型开关特性。图6是多级非线性元件分段显示器电池检验器的示意图。图7是多级电阻，可变显示器电池检验器的示意图。图8是图6的多经非线性元件电池检验器的构造实施例的图解透视图。图9是图6的多级非线性元件电池检验器的构造实施例的简图。图10是图7的多级电阻电池检验器的构造实施例的简图。图11是具有配置在电池周围的分段显示器电池检验器的电池组电池的透视图。图12是具有配置在电池周围的可变显示器电池检验器的电池组电池的透视图。图13是具有分段电池检验器显示器的电池的另一装置的简图。图14是具有电池舱的电池操作装置的简图。图15是结合电压控制显示器的开/关电池检验器的示意图。具体实施例方式现在参考图1，示出了金属-绝缘体-金属二极管10。金属-绝缘体-金属二极管10包括第一电极12，例如铜箔衬底或其他导电材料，诸如碳或金，或其他导电材料，诸如铬，钨，钼，或其他导电材料，诸如分散在例如导电油墨的聚合物粘合剂中的金属粒子。金属-绝缘体-金属二极管10还包括由悬浮在电介质粘和层22中的金属粒子30组成的复合金属-绝缘体层14。如图1A所示，金属粒子20具有本征氧化层20a，其覆盖粒子20的表面。一种优选金属为钽，其容易形成本征，稳定并且通常均匀的本征氧化层20a。可使用其他金属，诸如铌。这些其他的金属应形成其为自限制，稳定并对应用具有合适的介电常数的氧化物。优选钽的原因之一在于钽在暴露于空气中时容易在其上形成本征氧化层。配置在复合金属-绝缘体层14上的为第二电极16，它也由例如铜或其他导电材料，诸如碳，铬，钨，钼，或金或其他导电材料组成。第二电极优选直接放置在层12上以与粒子20上的本征氧化层20a接触。第二电极也可为包括导电材料和粘合剂的复合层。通过改变电极层16的电导率，可改变器件10的电特性。特别是，I-V特征曲线可做的比较尖锐，以得到陡的开/关特征。也就是说，电导率越高，曲线越尖锐。如将在下面图5A-5D所描述的，M-I-M器件具有显示二极管类特性的对称电流-电压(I-V)特征曲线。该器件也可做得具有比其他方法低的开关电压，例如，小于10伏特或更特别是小于1伏特至0.5伏特，但具有相同的对称特性。通过改变钽与粘合剂的比例和钽-粘合剂层的厚度可以上下移动相同材料的I-V特征曲线，范围在加/减50％或更大。器件10的开关电压从一器件到另一器件是保持一致的。这可能是部分起因于一致的氧化层厚度和本征形成的氧化物的质量。与热退火或阳极化氧化层相比，氧化钽层20a的厚度并不显著变化。认为从在单层厚度量级的钽粒子20之间本征层20a也具有基本一致的厚度。钽粒子的特征在于该粉末的粒子尺寸在小于0.5微米上至几十(10′S)微米的范围中。印刷层14可具有小于0.5密耳上至8-10密耳的厚度。在此可使用其他的粒子尺寸和厚度。现在参考图2，二极管的另一实施方案10′包括层14′，其由其他电介质材料的惰性粒子24(如图2A所示)和具有氧化层20a的钽粒子20组成，惰性粒子诸如分散在聚合物粘合剂22中的二氧化钛TiO2或碳酸镁MgCO3的粒子24。在该实施方案中，一部分钽粒子(例如，0％至75％)被诸如二氧化钛TiO2或碳酸镁MgCO3的惰性材料粒子24取代。钽粒子20可任选具有退火的氧化物或放置在钽周围的其他类型的氧化物层，尽管如此，单独的本征氧化层20a是优选的。将电介质粒子，例如二氧化钛固体加入到聚合物粘合剂22和钽粒子20中可提高层14′的印刷，能够使用较少数量的钽粒子同时仍保持高的固体含量，其会显示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属绝缘体器件，包括： 导电层；以及 难熔金属粒子的金属－绝缘体层，该金属在暴露于周围氧气中时形成本征氧化物，所述粒子具有本征氧化物并悬浮在电介质粘合剂中。

【技术特征摘要】
US 1999-4-16 09/293,8161.一种金属绝缘体器件，包括导电层；以及难熔金属粒子的金属-绝缘体层，该金属在暴露于周围氧气中时形成本征氧化物，所述粒子具有本征氧化物并悬浮在电介质粘合剂中。2.如权利要求1的器件，其中第一导电层形成二极管的第一电极，并包含铜，碳，金，铬，钼和钨。3.如权利要求1的器件，还包括配置以与金属-绝缘体层直接接触的第二导电层，提供二极管第二电极，并包含铜，碳，金，铬，钼和钨。4.如权利要求1的器件，其中金属绝缘体层包括钽或铌粒子，在粒子周围具有本征氧化物。5.如权利要求4的器件，其中金属绝缘体层的粘合剂包括触变材料。6.如权利要求5的器件，其中触变材料为Acheson SS 24686(乙烯聚合物树脂)。7.如权利要求1的器件，其中绝缘材料为Acheson Electrodag23DD146A(乙烯聚合物树脂)。8.如权利要求1的器件，其中该器件为显示对称开关特征的二极管。9.如权利要求1的器件，其中在金属粒子上的氧化物厚度为单层量级的厚度。10.如权利要求4的器件，其中在钽粒子上的氧化物厚度为单层量级的厚度。11.一种金属绝缘体二极管器件，包括导电层；包括难熔金属粒子的金属绝缘体层，该难熔金属在暴露于周围氧气时形成本征氧化物，所述粒子悬浮在电介质粘合剂载体中。配置以与绝缘体金属层直接接触的第二导电层，所述绝缘体金属还包括电介质填充材料。12.如权利要求11的器件，其中第一导电层形成二极管的第一电极，并包含铜，碳，金，铬，钼和钨。13.如权利要求11的器件，其中第一导电层形成二极管的第二电极，并包含铜，碳，金，铬，钼和钨。14.如权利要求11的器件，其中金属绝缘体层包括在粒子周围具有本征氧化物的钽粒子。15.如权利要求14的器件，其中金属绝缘体层次的电介质包括触变材料。16.如权利要求15的器件，其中触变材料为Acheson SS24686。17.如权利要求11的器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：安尼T延奇，埃里克S戈登，
申请(专利权)人：吉莱特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]