本发明专利技术公开了一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置及其应用，属于电气隔离领域，电气隔离装置包括：铁电材料、导电通道组件和输入端电极，所述导电通道组件位于电气隔离装置的输出端，导电通道组件和输入端电极均设置于铁电材料表面，导电通道组件和输入端电极相互之间不接触；所述铁电材料用于根据输入端电极的电压信号的高低控制导电通道组件中纳米裂纹的开闭。本发明专利技术电气隔离装置通过铁电畴翻转控制纳米裂纹打开或闭合，在输入端电极和输出端导电通路之间传输信号，铁电畴是通过电压进行调节的，每次逻辑切换时的功耗极低。电气隔离装置的成本与体积得到极大降低，电路复杂性也大大降低，集成度高。集成度高。集成度高。
【技术实现步骤摘要】
一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置及其应用
[0001]本专利技术属于电气隔离领域，更具体地，涉及一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置及其应用。
技术介绍
[0002]电气隔离装置，也称电流隔离装置，是一种能将两个设备进行物理隔离，阻止电流在两设备间通过，但允许信号在两设备间进行传输的装置。电流隔离确保不通过电气连接或者泄露路径进行信号传输，因此可以避免安全风险。隔离装置广泛应用于重工业装备、医疗设备、消费电子等涉及电子产品的领域。
[0003]现有技术中，常见的隔离器类型有：光耦隔离器、隔离变压器等。光耦隔离器主要由发光二极管(LED)和光敏元器件构成。当输入信号传输至LED时，LED发光致光敏元件的电学参数发生改变，生成的信号传输至输出端口。光耦隔离器利用光作为信号传输介质，代替了直接的电气连接；隔离变压器利用磁耦合传输信号，可在初级线圈和次级线圈之间完成信号传递，两个线圈被高介电强度材料隔离。
[0004]然而，由于光耦合器使用来自LED光来传输数据，因此在数据传输过程中，LED打开时为逻辑高电压，而关闭时为逻辑低电压，这意味着在传输的过程中会持续产生功秏。光耦合器的传输速率往往较低，虽然可以通过结构和工艺改进实现更高效的光耦合器，但成本也会相应增加很多。结构方面，光耦合器的LED部分和隔离变压器的线圈部分使得它们的尺寸和体积往往较大，同时也会导致电路复杂。上述因素使得光耦合器和隔离变压器的工艺复杂，成本较高且集成度受到限制。另外，光耦合器温度依赖性高，需要设计复杂的电路进行稳定；隔离变压器也容易受到电磁辐射的干扰。
[0005]由此可见，现有隔离器存在功耗较大、传输速率慢、体积较大、电路复杂、集成度受限的技术问题。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置及其应用，由此解决现有隔离器存在功耗较大、传输速率慢、体积较大、电路复杂、集成度受限的技术问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，包括：铁电材料、导电通道组件和输入端电极，
[0008]所述导电通道组件位于电气隔离装置的输出端，导电通道组件和输入端电极均设置于铁电材料表面，导电通道组件和输入端电极相互之间不接触；
[0009]所述铁电材料用于根据输入端电极的电压信号的高低控制导电通道组件中纳米裂纹的开闭。
[0010]进一步地，所述导电通道组件包括导电通道、第一绝缘缓冲层和第二绝缘缓冲层，导电通道上方设置第一绝缘缓冲层，导电通道与铁电材料之间设置第二绝缘缓冲层。
[0011]进一步地，所述输入端电极包括输入端的第一个电极和输入端的第二个电极，输入端的第一个电极与铁电材料之间设置第一区域绝缘层，输入端的第二个电极与铁电材料之间设置第二区域绝缘层。
[0012]进一步地，所述输入端的第一个电极和输入端的第二个电极位于导电通道组件的两侧；或者，所述输入端的第一个电极和输入端的第二个电极位于导电通道组件的同一侧。
[0013]进一步地，所述导电通道组件和输入端电极均设置于铁电材料同一表面，导电通道组件的上方设置一个同时覆盖铁电材料、导电通道组件、输入端的第一个电极和输入端的第二个电极的绝缘层。
[0014]进一步地，所述导电通道组件设置于铁电材料的上表面，输入端电极包括输入端的第一个电极和输入端的第二个电极，输入端的第一个电极位于第一绝缘缓冲层的上方，输入端的第二个电极位于铁电材料的下表面。
[0015]进一步地，所述输入端的第一个电极的下方和输入端的第二个电极的上方设置绝缘层。
[0016]进一步地，所述导电通道的材料为MnPt、Pt、TiN、NiFe、NiPt、FePt、Cu或Au。
[0017]进一步地，所述铁电材料为铁电单晶块材或铁电薄膜。
[0018]按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置的应用，所述电气隔离装置为一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，所述电气隔离装置应用于信号输入设备和信号输出设备之间进行电气隔离时，信号输入设备与输入端电极连接，信号输出设备与导电通道组件连接；
[0019]铁电材料根据信号输入设备向输入端电极施加的电压信号的高低控制导电通道组件中纳米裂纹的开闭，纳米裂纹的打开和闭合分别对应导电通道组件的不同电阻状态，通过匹配电路转变为电压信号后，可以用来表达逻辑“0”或“1”，以此完成在信号输入设备和信号输出设备之间在电气隔离的前提下的信号传递。匹配电路中具有电压源，利用分压原理可以将导电通道组件的电阻信号变成电压信号。
[0020]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0021](1)本专利技术通过铁电畴翻转控制纳米裂纹打开或闭合的原理，在输入端电极和输出端导电通路之间传输信号。铁电畴是通过电场(电压)进行调节的，每次逻辑切换时的功耗极低。本专利技术中铁电畴的翻转在理论上可以在高频电场作用下实现高频切换，大大提升传输速率。本专利技术的核心结构(铁电材料、电极和导电通路)可以根据需要进行合理设计，在满足隔离电压和负载能力的情况下，甚至可以在亚微米尺度下进行构建，集成度高。同时，也可以满足片上集成的要求。本专利技术电气隔离装置的成本与体积得到极大降低，电路复杂性和工艺复杂性也有所降低。
[0022](2)相较于光耦合器使用LED光来传输数据方式而言，本专利技术主要利用两电极间电场对铁电畴翻转诱导的纳米裂纹的开闭来进行信号传递。因此电极之间的绝缘性尤其重要，这将决定隔离器的隔离性能。首先，本专利技术采用绝缘性较强的铁电材料。其次，在导电通道与铁电材料之间设置第二绝缘缓冲层，可以很大的提高隔离性能。然后在输入端电极与铁电材料之间设置绝缘层，进一步提高隔离性能。通过多种方式组合大大提升电极之间的绝缘性，进而提升电气隔离装置的隔离性能。本专利技术在导电通道上方设置第一绝缘缓冲层
的作用不是绝缘，主要是消除最顶层绝缘层对纳米裂纹的应力束缚。
[0023](3)本专利技术输入端两个电极有多种摆放方式，输入端两个电极可以设置在输出端导电通道附近不同位置，由此满足不同使用场景下电路设计要求，从而丰富隔离装置的应用场景，提高使用灵活性。
[0024](4)首先，导电通道组件和输入端电极均设置于铁电材料同一表面，此结构有助于后续简单的制备工艺。另外，导电通道组件设置于铁电材料的上表面，输入端的第一个电极位于第一绝缘缓冲层的上方，输入端的第二个电极位于铁电材料的下表面。此垂直结构空间利用率高，有助于提升集成度。本专利技术提供了多种结构的电气隔离装置，可以满足不同应用场景。且在多种结构的电气隔离装置中均充分考虑了如何提升电极之间的绝缘性，进而保证电气隔离装置优异的隔离性能。绝缘材料的使用，在增大隔离电压的同时，又将导电通道和纳米裂纹进行封装，提升了使用寿命和可靠性。因减少了频繁更新电气隔离装置的次数，使用成本可以进一步降低。
[0025](5)本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，其特征在于，包括：铁电材料(21)、导电通道组件(22)和输入端电极，所述导电通道组件(22)位于电气隔离装置的输出端，导电通道组件(22)和输入端电极均设置于铁电材料(21)表面，导电通道组件(22)和输入端电极相互之间不接触；所述铁电材料(21)用于根据输入端电极的电压信号的高低控制导电通道组件(22)中纳米裂纹的开闭。2.如权利要求1所述的一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，其特征在于，所述导电通道组件(22)包括导电通道(221)、第一绝缘缓冲层(222)和第二绝缘缓冲层(223)，导电通道(221)上方设置第一绝缘缓冲层(222)，导电通道(221)与铁电材料(21)之间设置第二绝缘缓冲层(223)。3.如权利要求2所述的一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，其特征在于，所述输入端电极包括输入端的第一个电极(23)和输入端的第二个电极(24)，输入端的第一个电极(23)与铁电材料(21)之间设置第一区域绝缘层(212)，输入端的第二个电极(24)与铁电材料(21)之间设置第二区域绝缘层(213)。4.如权利要求3所述的一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，其特征在于，所述输入端的第一个电极(23)和输入端的第二个电极(24)位于导电通道组件(22)的两侧；或者，所述输入端的第一个电极(23)和输入端的第二个电极(24)位于导电通道组件(22)的同一侧。5.如权利要求3所述的一种基于铁电纳米裂纹的电气隔离装置，其特征在于，所述导电通道组件(22)和输入端电极均设置于铁电材料(21)同一表面，导电通道组件(22)的上方设置一个同时覆盖铁电材料(21)、导电通道组...
【专利技术属性】
技术研发人员：游龙，关曜东，郭喆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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