Монолитное интегральное устройство - RU2175788C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к монолитному интегральному устройству, предназначенному для генерирования тепловой энергии, в основе которого лежит физическое явление, свойственное реакциям холодного ядерного синтеза.

Реакции холодного ядерного синтеза отмечены в нескольких физических явлениях. Статья Ж.Ф.Церофолини и А. Фоглио-Пара "Могут ли двуядерные атомы решить загадку холодного синтеза?" Технология Синтеза, том 23, стр. 98-102, 1993 (G.F.Cerofolini and A. Foglio-Para "Can binuclear atoms solve the cold fusion puzzle? " FUSION TECHNOLOGY, Vol. 23, pp. 98-102. 1993) кратко иллюстрирует такие явления и связанные с ними химические и ядерные реакции: в литературе также упоминаются другие интересные статьи. Техническая и патентная литература по этому вопросу очень обширна вследствие практического интереса к данному предмету.

Первые исследования холодного ядерного синтеза, как такового, принадлежат М. Флейшману (М. Fleischmann) и С.Понсу (S. Pons) и стали известны в 1989 году. Явление, которое они рассматривали, представляет собой загрузку дейтерия электродами, изготовленными из палладия или титана; в процессе этого явления отмечается неожиданное генерирование тепловой энергии, которое характеризуется реакциями ядерного синтеза между атомами дейтерия, приводящим к образованию гелия.

Данное изобретение основывается именно на этом физическом явлении.

В экспериментах, проводимых до сих пор, для изготовления электродов использовалось несколько материалов, способных поглощать водород и его изотопы, среди них: палладий, титан, платина, никель, ниобий.

В экспериментах, проводимых до сих пор, дейтерий всегда получался из газообразного топлива, например из газовых смесей водорода, или из жидких видов топлива, например растворов электролитических соединений водорода в тяжелой воде. Недостаток этих видов "топлива" заключается в рассеивании синтезного материала, т.е. водорода. Фактически он выделяется и улетучивается в газообразной форме около электрода как раз тогда, когда внутри его концентрация достигает значений, необходимых для начала синтеза. Кроме этого, при увеличении температуры электрода жидкости кипят, а в газах концентрация атомов снижается, что тормозит синтез.

Другое известное технологическое решение, раскрытое в международной патентной заявке N WO 90/10935, касается устройства и способа генерирования энергии металлической решеткой, способной накапливать изотопные атомы водорода. Это решение, однако, раскрывает применение металлической решетки, а не твердого вещества, в качестве системы накопления водорода.

Задачей данного изобретения является создание монолитного интегрального устройства, способного эффективно генерировать тепловую энергию на основе вышеупомянутого явления, свободного от вышеупомянутых недостатков.

Эта задача достигается благодаря устройству по п. 1 формулы изобретения, дальнейшие преимущественные аспекты этого изобретения изложены в соответствующих зависимых пунктах Используя структуру из твердого материала, способного выделять водород при достижении температуры выше заранее установленной, и приведя эту структуру в контакт с другой структурой из другого твердого материала, способного поглощать водород и генерировать тепловую энергию, и если "испускающий" материал находится, по крайней мере, в течение короткого времени, и хотя бы в одной его части, при температуре, превышающей упомянутую заранее установленную температуру, наблюдается генерирование тепловой энергии другим материалом, и это генерирование длится некоторое время, и ее количество ощутимо, так как водород как синтезный материал не может легко выделяться из твердых веществ, а порог рабочей температуры очень высок и соответствует температуре синтеза одного из твердых материалов.

Данное изобретение станет более ясным благодаря следующему его описанию с привлечением чертежей.

На фиг. 1 показано в разрезе первое устройство в соответствии с данным изобретением.

На фиг. 2 - вид сверху устройства, представленного на фиг. 1.

На фиг. 3 дан разрез части второго устройства в соответствии с данным изобретением.

На фиг. 4 - вид сверху устройства на фиг. 3.

На фиг. 5 дан разрез части третьего устройства по данному изобретению.

На фиг. 6 дан вид снизу устройства на фиг. 5.

На фиг. 7 дан разрез большей части устройства на фиг. 1.

На фиг. 8 показан разрез большей части устройства на фиг. 3.

На фиг. 9 дан разрез большей части устройства, представленного на фиг. 5.

На фиг. 10 схематически показан вид сверху части устройства, представленного на фиг. 8, которая генерирует тепловую и электрическую энергию.

На фиг. 11 схематически показан вид сверху всего устройства, представленного на фиг. 8.

На фиг. 12 схематически показан вид сверху термобатареи известного типа, применяемой в устройстве на фиг. 10.

Изобретение основывается на известности в области интегральных электронных схем факта, что в процессе их изготовления, некоторые компоненты, такие, например, как нитрит бора, карбид кремния, нитрид кремния, арсенид алюминия, арсенид галия обогащаются водородом, вызывая ухудшение характеристик; такое явление объясняется, например, в статье С. Манзини "Активная допинговая нестабильность в лавинных диодах с n+-p кремниевой поверхностью". Твердотельная электроника, том 32, N 2, стр. 331-337, 1995 (S. Manzini's article, "Active doping instability in n+-p silicon surface avalanche diodes". Solid form Electronics, vol. 32, N. 2, pp. 331-337, 1995) и в статьях, приведенных в списке литературы.

Настоящее изобретение использует это "вредное" свойство таких материалов.

Этап обработки, типичный для методов изготовления электронных интегральных схем, который приводит к формированию материалов, богатых водородом, есть метод PECVD (отложение химического пара, усиленного плазмой). Подробности об этом этапе обработки, а также обо всех методах изготовления интегральных электронных схем на кремнии можно получить из книги S. М. Sze "VLSI Technology" McGraw - Hill, 1988. Кроме того, методы изготовления интегральных электронных схем на германии и арсениде галия хорошо известны из литературы.

Типичная химическая реакция между водородными соединениями при применении метода PECVD следующая:
AH_n + BH_m ---> A_xB_y + A-H_j + B-H_k + H₂ (1)
Такая реакция по уменьшению кислорода (1) проходит слева направо, если мы достигаем довольно высокой температуры T1, например 400^oC, и если мы заставляем два левых реагента находиться в плазменной фазе, а не в газообразной: при такой "низкой" температуре T1 реакция (1) является неполной и стехиометрической, и поэтому многие связи между водородом и элементами А и В сохраняются; вообще, эти связи являются единичными, т.к. "j" и "k" равны единице; из реакции (1) получается твердое соединение, имеющее высокое содержание химически связанного водорода (а следовательно, и дейтерия, и трития) и газообразного водорода, который не остается в большом количестве в этом соединении.

Если полученное таким образом твердое соединение далее нагревается (даже после возможного охлаждения при комнатной температуре) до температуры T2 выше предыдущей, например до 800^oC, реакция (1) становится завершенной и стехиометрической, т.е. имеет место следующая реакция:
A-H_j + B-H_k ---> А_xВ_y + H₂ (2)
с выделением содержащегося водорода. При температурах между T1 и T2 будут освобождаться только атомы с более слабыми связями.

Конечно, температуры T1 и T2 зависят от используемых элементов А и B; кроме того, необходимо учитывать, что не существует критических величин, которые вызывают резкие изменения в скорости реакций для реакций (1) и (2).

Поэтому метод в соответствии с данным изобретением предлагает использовать первую структуру из первого твердого материала, способного поглощать водород с возникновением генерирования тепловой энергии, и использовать вторую структуру из второго твердого материала, способного испускать водород, когда он находится при температуре выше, чем заранее определенная, приводить в соприкосновение, хотя бы частично, вышеуказанные первую и вторую структуры друг с другом, и нагревать вначале по крайней мере вышеуказанную вторую структуру, по крайней мере до тех пор, пока она не превысит вышеуказанной предопределенной температуры хотя бы в одной части; стартовый нагрев может также быть вызван окружающей средой, где размещены эти две структуры. Стартовый нагрев вызывает во второй структуре освобождение некоторого количества водорода; этот водород будет двигаться, например путем диффузии в твердом материале во второй структуре и переходить, хотя бы частично, в первую структуру, поскольку она находится в контакте со второй структурой.

Первая структура поглощает водород и начинает генерировать тепловую энергию вследствие предполагаемых реакций ядерного синтеза, и тогда начинается нагрев.

Поскольку две структуры соприкасаются, вторая структура будет нагреваться от первой, и следовательно, процесс освобождения водорода продолжается; как следствие этого, первая структура продолжает нагреваться. Если первая структура не будет почему-либо в состоянии нагревать вторую в достаточной степени, можно предположить, что "стартовый" нагрев будет продолжаться, например, в течение всего процесса генерирования тепловой энергии. Конечно, вышеупомянутый твердый состав, основанный на нитриде кремния, всего лишь один из возможных вторых материалов, которые усиливают такие выделительные свойства. Такие вторые материалы могут быть получены и другими методами, среди которых метод PECVD.

Таким же образом в качестве первого материала можно выбирать: палладий, титан, платину, никель и их сплавы, и любой другой материал, проявляющий свойство поглощения. Тот факт, что стартовый нагрев второй структуры может, в некоторых случаях, вызвать стартовый нагрев первой структуры из-за их контактирования, является преимуществом, так как в этих случаях поглощение водорода первой структурой усиливается; такой нагрев также можно стимулировать, если необходимо, соответствующим расположением материалов и источника тепловой энергии. Если полагаться на спонтанное движение водорода во второй структуре по направлению к первой, то это может привести к недостаточному генерированию тепловой энергии. Чтобы устранить этот недостаток, целесообразно хотя бы часть второй структуры подвергнуть действию электрического поля с силовыми линиями, имеющими такую форму и направление, чтобы стимулировать движение ядер водорода, освобожденного во второй структуре, к первой структуре.

Напряженность электрического поля может быть установлена заранее на основе желаемой тепловой энергии.

Если генерируемая тепловая энергия не удаляется должным образом, температура двух структур будет продолжать расти до тех пор, пока они не расплавятся, и устройство не выйдет из строя; если необходимо получать различные тепловые мощности в различное время, то управление генерируемой тепловой энергией посредством напряженности электрического поля является предпочтительным; посредством инвертирования поля возможно даже устранить эффект спонтанного движения водорода и, следовательно, полностью затормозить генерирование тепловой энергии.

Для случая, в котором вторым твердым материалом является материал на основе нитрида кремния, водород и его изотопы, освобождаемые в реакции (2), поглощаются первым абсорбирующим материалом с хорошим коэффициентом полезного действия, т.к. эти два материала соприкасаются друг с другом и оба являлись твердыми. Важно, чтобы концентрация водорода во втором материале, в атомах на кубический сантиметр, была достаточной, чтобы дать начало значительному числу синтезных явлений на единицу объема первого материала. В случае нитрида кремния и никеля может быть выбрана концентрация 10²² для водорода в нитриде кремния, а масса нитрида может быть в 9 раз больше массы никеля; таким образом количество атомов водорода, которое может быть освобождено, примерно равно числу имеющихся атомов никеля, фактически, плотность никеля равна 9•10²².

В сущности, для целей использования в качестве твердого топлива наличие соединения A_xB_y в твердом составе не является строго необходимым, если присутствует A-H_j + B-H_k, поэтому теоретически можно было бы использовать только либо A-H_j, либо B-H_k.

Конечно, нельзя исключить присутствие в твердом составе других химических элементов или соединений, которые возможно не принимают участия полностью или в какой-то степени, в химической реакции между элементами A, B, H.

Для целей использования в качестве твердого топлива важно добиться того, чтобы реакция (1) не завершалась реакцией (2) с тем, чтобы удержать большее количество водорода в результирующем твердом составе; конечно, если какое-то количество несвязанного химически водорода окажется захваченным в этом составе, но, например, в атомной и/или молекулярной, и/или ионной форме, то проблем не будет; наоборот, это будет преимуществом, так как он точно будет освобождаться, когда состав будет нагрет выше температуры T1.

С нитридом кремния при использовании вышеупомянутых методов PECVD концентрации, равные 10²² атомов на кубический сантиметр, достигаются легко.

Предложенный выше метод может быть реализован с помощью монолитного интегрального устройства, включающего подложку и по крайней мере:
а) первую структуру из первого твердого материала, способного поглощать водород с последующим генерированием тепловой энергии, наложенного на вышеуказанную подложку, и
в) вторую структуру из второго твердого материала, способного освобождать водород при достижении температуры выше заранее установленной, наложенную на вышеуказанную подложку, при этом первая и вторая структуры находятся хотя бы частично в контакте друг с другом.

На фиг. 1-6 первая структура обозначена ST1, а вторая структура обозначена ST2, тогда как подложка обозначена SUB; ее функция состоит в том, чтобы быть опорой для устройства, она может быть изготовлена, например, из кремния.

Существует несколько методов для приведения структуры ST1 в контакт со структурой ST2. В воплощении на фиг. 1 они совмещены, и поэтому водород, освобожденный в структуре ST2, проходит в основном по вертикальному пути, чтобы проникнуть в структуру ST1; на фиг. 3 они расположены радом, и поэтому водород проходит в основном по горизонтальному пути; на фиг. 3 структура ST2 окружает структуру ST1, поэтому водород проходит по пути, который зависит от его начальной позиции и может быть либо горизонтальным, либо вертикальным, либо наклонным. В целом структура ST1, структура ST2 и, возможно, третья структура ST3, о которой мы будем говорить ниже, образуют генератор GE тепловой энергии.

Между генератором GE и подложкой SUB размещается изолирующая структура STS или термически изолирующий материал, например, толстый слой двуокиси кремния, необходимый для того, чтобы предотвратить рассеивание тепловой энергии, вырабатываемой генератором GE, из-за проводимости подложки и от ее повреждения. В воплощении, показанном на фиг. 1, 3, 5, материал структуры STS является также электрическим изолятором и предотвращает рассеивание тока; это характерно для двуокиси кремния.

Для получения уже упомянутого стартового нагрева устройство должно также содержать, по крайней мере в части, занимаемой генератором GE, третью структуру ST3 из третьего твердого материала, пригодного для генерирования тепловой энергии, когда по нему протекает электрический ток, расположенную так, чтобы быть термически связанной хотя бы с вышеуказанной второй структурой ST2; вышеупомянутым третьим материалом быть может, например, поликремний или легированный поликремний; структура ST3 - это резистор, реализуемый любым из многочисленных способов, хорошо известных в области интегральных схем.

В воплощении, показанном на фиг. 1, 2, структура ST1 и структура ST3 выполнены в форме линий, предпочтительно изогнутых, и практически полностью совмещенных. Ширина линии третьей структуры ST3 значительно больше, чем ширина линии первой структуры ST1, благодаря чему можно добиться хорошего нагрева; структура ST2 занимает остальную часть пространства и имеет форму, в сущности, прямоугольной плоской пластины.

В воплощении, показанном на фиг. 3, 4, структуры ST1, ST2, ST3 имеют форму изогнутой линии и размещены бок о бок. Еще один вариант состоит в реализации структуры ST1 в виде "расчески", зубья которой входят в петли изогнутой линии, как показано на чертежах: другой вариант состоит в придании структурам ST1 и ST2 такой же формы.

В воплощении, показанном на фиг. 5, 6, структуры ST1 и ST3 имеют, в сущности, одинаковую форму в виде ряда ячеек, которые, как показано на чертежах, имеют квадратную форму, связаны друг с другом, например, более узкими и тонкими каналами; структура ST2 занимает остальную часть пространства. Альтернативно или в добавление к функции нагревания структура ST3 может выполнять, в сочетании со структурой ST1, функцию поляризации материала структуры ST2; приложение к ним соответствующих потенциалов может порождать электрическое поле с силовыми линиями такой формы и направления, чтобы стимулировать движение ядер водорода, освобожденного в структуре ST2, к структуре ST1.

В воплощении, показанном на фиг. 5, 6, часть структуры ST3, в частности ячейки, используется главным образом для поляризации, а другая ее часть, каналы, используется для нагревания. В воплощениях, показанных на фиг. 1, 2 и 3, 4, структура ST3 выполняет обе эти функции.

Что касается воплощения, данного на фиг. 1, 2, структура ST1 снабжена по крайней мере двумя выводами T1, T4, а структура ST3 имеет минимум два вывода T5, T7. Кроме того, имеется первый генератор напряжения G1, соединенный с двумя выводами T1, T4 структуры ST1, второй генератор напряжения G2, связанный с двумя выводами T5, T7 структуры ST3, и третий генератор напряжения G3, связанный с выводами T4 и T5: можно заметить, что структура ST1 и структура ST3 образуют как бы конденсатор с двумя плоскими параллельными пластинами, в который вставляется диэлектрик, образованный структурой ST2.

Генератор G2 выполняет функцию нагревания, тогда как генератор G3 выполняет функцию поляризации; генератор G1 может с успехом использоваться, в случае необходимости, для оптимизации функции поляризации; фактически, поскольку потенциал структуры ST3 меняется от точки к точке из-за генератора G2, и поскольку, вообще, материалы структуры ST1 и структуры ST3 различны, может быть важно выверять, посредством генератора G3, напряженность электрического поля и, следовательно, поляризацию структуры ST2. когда позиция меняется, например, с целью получения равномерного генерирования тепловой энергии.

Фиг. 2 показывает также выводы T2 и T3, дополнительные для структуры ST1, и вывод T6, дополнительный для структуры ST3; такие дополнительные выводы в сочетании с "нормальными" выводами, с успехом могут быть использованы как для лучшего управления поляризацией структуры ST2, так и для лучшего управления нагреванием структуры ST1, а также для лучшего управления генерированием тепловой энергии путем, например, полного исключения лишь части структуры ST3 из генерирования тепловой энергии.

Конечно, чтобы использовать все возможности прибора, представленного на фиг. 1, 2, необходимо обеспечить наличие всех схем управления для генераторов, соединенных с вышеупомянутыми терминалами.

Также в воплощениях, показанных на фиг. 3, 4 и 5, 6, структуры ST1 и ST3 могут быть снабжены подобными выводами, хотя они и не показаны на вышеупомянутых чертежах.

Наиболее типичным и успешным применением генератора GE. описанного выше, является генерирование электрической энергии. Чтобы получить этот результат, необходимо снабдить устройство в соответствии с данным изобретением преобразователем тепловой энергии в электрическую, пригодным превращать, по крайней мере, часть тепловой энергии, генерируемой структурой ST1. Если преобразователь STP реализуется на основе системы термобатарей, то это способствует интегральности в монолитной форме; такая система на термобатарее должна быть размещена так, чтобы ее области горячего контакта были термически связаны со структурой ST1, по меньшей мере, с реальным источником тепла.

Под системой термобатарей подразумевается, в общем, несколько термоэлементов, соединенных последовательно друг с другом; не исключается, что при должном выборе материалов и в некоторых применениях, система термобатареи может быть сформирована лишь одним термоэлементом. Термоэлементы являются хорошо известными устройствами, которые работают на эффект Зеебека (Seebeck effect).

На фиг. 1 и 7 генератор GE размещен на структуре STS и под структурой ST1 из электрически изоляционного и термически проводящего материала, например, алмаза, термобатарейный преобразователь STP помещен своей областью горячего контакта на структуре ST1, что обеспечивает хорошую тепловую связь, а остальной частью - на структуре STS.

На фиг. 3, 8 генератор GE размещен на структуре ST1, которая в свою очередь размещена на структуре STS; структура ST1 значительно выступает за край генератора GE; термопреобразователь STP помещен сбоку на генераторе GE, и большей частью своей областью горячего контакта - на структуре ST1, что гарантирует хороший перенос тепла, а остальной частью - на структуре STS.

На фиг. 5, 9 генератор GE помещен на структуре ST1, что обеспечивает хорошую тепловую связь, а она в свою очередь размещена на области горячего контакта теплопреобразователя STP; преобразователь STP помещен на структуре STS.

Фиг. 12 схематически показывает вид сверху термобатареи ТР. Она включает в себя четвертую плоскую структуру ST4, сделанную из четвертого электрически проводящего материала в виде буквы L, шестую плоскую структуру ST6 из шестого электрически проводящего материала L-образной формы, иного нежели четвертый, и пятую плоскую структуру ST5 из электроизоляционного материала, структура ST5 имеет форму, дополняющую структуру ST6, и охватывает последнюю с обеих сторон буквы L; структура ST4 наложена на две другие структуры, чтобы иметь область электрического контакта со структурой ST6 на первом конце, называемом областью горячего контакта; на втором конце структуры ST4 и ST6 представляют первый вывод P1 и второй вывод P2, соответственно.

Если один конец структур ST4 и ST6 доводится до температуры выше, чем температура их другого конца, возникает разность потенциалов между выводами P1 и P2 обычно порядка сотен милливольт, которая зависит от разности температур; отсюда необходимость последовательного соединения.

Материалы, применяемые для элементов E1 и E2, хорошо известны в литературе. Очевидно из того, что было изложено выше, что термобатареи действуют также, как температурные сенсоры генератора GE. Если генератор GE и преобразователь STP размещены рядом друг с другом, как показано на фиг. 8, то желательно выбирать материал структуры ST4 таким же, как материал структуры ST1, материал структуры ST6 таким же, как материал структуры ST3, с тем, чтобы как термобатареи ТР, так и генератор GE могли быть реализованы посредством одних и тех же этапов процесса. Та же цель может быть достигнута подбором материала структуры ST4 таким же, как материал структуры ST3, материала структуры ST5 таким же, как материал структуры ST2, материала структуры SТ6 - как материал структуры ST1.

Фиг. 10 показывает конструкцию, которая могла бы составить завершенное устройство, заключенное в кассету и способное питать электрическую или электронную цепь. Оно содержит генератор GE, например такой, как показан на фиг. 3, 4, 8, соединенный, к примеру, с четырьмя электрическими линиями, чтобы питать терминалы структур ST1 и ST3, которые в целом образуют шину ВС для управления генерированием тепловой энергии, и содержит преобразователь STP, сформированный 15 термобатареями ТР, расположенными в виде короны вокруг генератора GE, электрически изолированными друг от друга и электрически изолированными от генератора GE, но термически связанными с ним; корона открыта для подключения шины ВС.

Термобатареи ТР соединены последовательно друг с другом, т.е. вывод P2 одной из них соединен с выводом P1 соседней; вывод P1 первой соединен с положительной линией LP; вывод P2 последней соединен с отрицательной линией LN. Линии LP и LN, следовательно, могут быть использованы в качестве выводов генератора напряжения. Конструкция, изображенная на фиг. 10, может также использоваться внутри обычной интегральной схемы в качестве источника питания.

Фиг. 11 показывает устройство одной такой интегральной схемы, которая включает в себя генератор GE, управляющую шину ВС, соединенную с генератором GE, преобразователь STP, две линии LP и LN - положительную и отрицательную, - соединенные с преобразователем STP, управляющую схему SC, монолитно интегрированную, связанную с шиной ВС и линиями LP и LN, две питающие масс-линии VCC и GND, соединенные со схемой SC, монолитную интегральную схему СС, пригодную для выполнения аналоговых и/или логических электрических функций обычного типа, соединенную с линиями VCC и GND и получающую питание от них.

Схема SC, которая в простой реализации может отсутствовать, может выполнять следующие функции: принимать ток, требуемый схемой СС, подавать на выводы структур генератора GE необходимое напряжение по шине ВС, снимать температуру генератора GE посредством линий LP и LN, принимать напряжение, генерируемое преобразователем STP по линиям LP и LN, стабилизировать напряжение, подаваемое на линии VCC и GND.

Реферат

Использование: для генерирования тепловой энергии вследствие реакций холодного ядерного синтеза для повышения эффективности процесса. Сущность изобретения: устройство содержит подложку (SUB) и, по крайней мере: а) наложенную на вышеуказанную подложку (SUB) первую структуру (STI) из первого твердого материала, пригодного поглощать водород и генерировать тепловую энергию; b) наложенную на вышеуказанную подложку (SUB) вторую структуру (ST2) из второго твердого материала, пригодного выделять водород при достижении температуры выше заданной; с) третью структуру (ST3) из третьего твердого материала, пригодного для генерирования тепловой энергии при пропускании по нему электрического тока, размещенную так, чтобы она была термически связана, по крайней мере, с вышеуказанной второй структурой (ST2), в котором вышеуказанная первая (STI) и вышеуказанная вторая (ST2) структуры находятся в контакте друг с другом, по крайней мере, частично. 11 з.п.ф-лы, 12 ил.

Формула