专利名称：双面ybco薄膜结构的超导开关的制作方法
技术领域：
本发明属于超导能量变换技术领域，是应用超导材料的非线性电阻以实现超导磁体的励磁、闭环运行以及快 速去磁的超导开关器件。
背景技术：
高温超导电感磁储能是一种高效的储能技术，与电容储能相比具有储能密度高、稳定性好、系统体积小等优点，已经在交通、航天、电力、医学等领域中得到广泛的应用。超导开关是超导磁储能系统中的关键器件，利用超导-常导相变出现的电阻变化来实现电路的断开与闭合。超导开关和超导磁体组成的系统具有脉冲输出、稳定储能、磁体自保护等功倉泛。高性能的超导开关除了要具有超低损耗的载流性能，还要有快速有效的关断特性包括关断时间和关断电阻两个标准；达到稳态和瞬态下的优良性能是设计与制备高温超导开关的难点。目前制备超导开关的材料有低温NbTi线、高温超导带材(Bi系、Yi系)、超导薄膜、超导块材，不同材料组成的超导开关其结构和性能大相径庭。低温超导材料(工作在4. 2K液氦温区，主要以NbTi合金为代表)制备的超导开关已经得到较多研究，其接头电阻很低，性能良好，技术比较成熟。低温超导材料的使用性能已难以显著提高，特别是苛刻的低温环境要求，极大地限制了其应用的普及。高温超导带材是制备高温超导开关通常选用的一种，用超导带材绕制而成，其断路电阻的增加依赖于超导带材长度的增加，这将大大增加开关的体积，从而增加了绕线工艺的难度；加之在超导开关触发的过程中，线圈式结构是一种封闭的热学模型，极易出现导热的不均匀，开关的操作时间会达到几秒甚至几十秒，严重影响开关的关断性能，需要复杂的触发装置才能获得理想的开断速度。薄膜开关由YBCO薄膜制备得到，YBCO薄膜一般沉积在介质基片上，厚度为100nm-500nm，由于制备的工艺的原因，临界电流密度很难达到均匀分布，液氮温区内的载流能力逊于线材，加上平面式的热学结构薄膜超导开关容易发生淬灭的不均匀，特别是多模块组成器件中，模块间的同步性是一个重要的问题；YBC0陶瓷材料在90K时的电阻率达到130 Ω · m，可以实现很高的断路电阻，前提是有有效的结构设计和控制手段。超导材料的三种临界态是控制开关的主要手段包括电、磁、热，目前任何一种单一的触发方式都有其缺点，很难同时实现开关的关断时间和关断电阻两个电气标准。高性能的高温超导开关在实际运行的研究报道还较少，在高电压、大电流的条件下性能还有待提闻。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是，从结构设计方向予以改善来提高高温超导开关的稳态和暂态性能，获得一种适合电、磁优化组合控制的双面YBCO薄膜开关。本发明的目的是通过如下的手段实现的。
双面YBCO薄膜结构的超导开关，工作于在液氮温区具有电、磁以及其优化组合的控制方式，开关主体由双面结构的YBCO薄膜材料构成。平面电路采用蛇形走线结构，即超导层被刻蚀空隙分割成曲折路径；平面电路具有层内通孔，即超导层上具有若干散布的刻蚀空孔，且正反两面的刻蚀空孔呈交错排布。采用如上的结构，双面结构薄膜构造超导开关，上下导电层并接能改善载流能力，串接可以增加线路电阻，提高了空间结构设计的灵活性和开关的集成度。根据失超热学原理，两超导层间MgO基底良好的传热效果，能起到平衡热场和临界电流密度分布的作用，这样可大大提高开关模块开断的同步性；高温超导开关工作在液氮温区(77K)，根据液氮的沸腾工况，双面结构的YBCO薄膜具有比单面的薄膜更强的热力学惰性，开关断开后会较长时间地保持正常态，提高了超导磁体能的能量转换。开关的平面电路设计的蛇形的走线是增加了走线有效长度，从而增大断路电阻；YBCO超导层内微小通孔设计一方面不会明显影响稳态的载流能力，相当于人为地设计YBCO薄膜的缺陷分布，促进电流触发控制时热点在整个平面上的分布和热传导，另一方面正反面的通孔交错排布，是考虑到磁场触发控制时开关平面上磁场的穿透能力不同，这样 的通孔设计可以使超导薄膜在磁场下受面一致均匀，这样的整体设计可以使电磁触发变得简单有效。
图I是双面薄膜开关的结构示意图。a.平面电路效果图(左为正面图，右为反面图)，b.前视效果图，C，三维效果图。图中I.镀金层，2.超导层，3.层内通孔，4. MgO基底层图2是双面薄膜开关沿X轴的剖视效果图。表示开关的两种载流方式，a.并联载流图，b.串联载流图。图中“一”表示电流流向。图3为采用本发明双面薄膜开关的电、磁组合的触发应用方案图。图中5.直流电源，6.脉冲电流源，7.电源开关，8.超导开关模块，9.杜瓦，10.液氮或液氦，11.电流引线1，12.电流引线2，13. 二极管1，14. 二极管2，15.负载电阻，16.储能磁体，17.常导线圈，
具体实施例方式下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。图I是超导开关的多层结构，开关主体由双面结构的YBCO薄膜材料构成，通过一种双倒筒靶溅射法YBCO超导层生长在两英寸直径的MgO衬底4两面。考虑到刻蚀时侧壁垂直度和对薄膜下层结构和衬底的保护，采用激光辅助化学刻蚀的刻蚀技术超导层被刻蚀空隙100阻挡分割成曲折路径；超导层上具有若干散布的刻蚀空孔3，且正反两面的刻蚀空孔呈交错排布。这种结构由双倒筒靶溅射法制备得到。用相同的技术在薄膜的局部镀金I作为开关的电流引线，方便与超导磁体9的电气连接。图I中开关的精确地走线要依赖YBCO薄膜的，，这其中包括了掩模板制作、激光加化学刻蚀等工艺。图3是一种电、磁触发装置。超导储能磁体16和超导开关8并联成储能回路，置于低温空间10里；室温下负载电阻15通过电流引线11、12与储能回路并接，这样三个主体并联构成了超导磁储能的储能回路和去磁回路。图中常导线圈17提供触发超导开关的磁场，两端与脉冲电流源6连接，触发时产生一个脉冲磁场；脉冲电流源6同时与超导开关模块8并联，输出一个脉冲电流触发超导开关模块8，在磁场和电场的共同作用下实现超导薄膜开关模块的快速有效的关断。 采用本发明的基本结构，在实际实施中可有多种等同的变化，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1.双面YBCO薄膜结构的超导开关，工作于在液氮温区具有电、磁、热以及其优化组合的控制方式，开关主体由双面结构的YBCO薄膜材料构成，其特征在于，平面电路采用蛇形走线结构，即超导层被刻蚀空隙(100)阻挡分割成曲折路径；平面电路具有层内通孔，即超导层上具有若干散布的刻蚀空孔(3)，且正反两面的刻蚀空孔呈交错排布。
2.根据权利要求I所述的双面YBCO薄膜结构的超导开关，其特征在于，超导开关模块的层间电气连接可并联连接和串联连接结构。
全文摘要
本发明公开了一种双面YBCO薄膜结构的超导开关，工作于在液氮温区具有电、磁以及其优化组合的控制方式，开关主体由双面结构的YBCO薄膜材料构成。超导层被刻蚀空隙(100)阻挡分割成曲折路径；超导层上具有若干散布的刻蚀空孔(3)，且正反两面的刻蚀空孔呈交错排布。采用本发明结构可以增加线路电阻，提高空间结构设计的灵活性和开关的集成度，两超导层间MgO基底良好的传热效果起到平衡热场和临界电流密度分布的作用，大大提高开关模块开断的均匀度和响应速度。
文档编号H01L39/16GK102931339SQ20121043418
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者王豫, 桂志兴, 李海涛, 严仲明, 王亮, 刘阳 申请人:西南交通大学