CN102683007A - 储电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种储电元件，其包含第一电极、第二电极、介电层以及磁性部或磁性材料。介电层设置于该第一电极以及该第二电极之间，该介电层配合该第一电极及该第二电极形成电容效应，使多个正电荷及多个负电荷分别累积于该第一电极及该第二电极。磁性部或磁性材料用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极、该介电层以及该第二电极。
Description
技术领域
本发明是关于一种储电元件，且特别是关于一种内部包含有磁性物质的储电元件。
背景技术
随着电子技术的不断发展，集成电路已朝向高元件密度、微型化且高度元件整合的方向发展。集成电路中会利用各种有源元件(例如：二极管晶体管及场效晶体管)及无源元件(例如：电阻、电容器、电感)。其中，针对需要电性相位转换信号的电路，其需要较复杂的电容器网络；针对差动输入或输出信号，则设置有功率匹配模块，而功率匹配模块中亦需要电容器网络。
现以电容器为例说明，电容器元件经常可见于直流电源隔离、全半波整流、滤波、信号震荡产生器等各种应用中。现阶段常见的电容器，如金属-绝缘层-金属(metal-insulator-metal，MIM)电容器、金属-氧化层-金属(metal-oxide-metal，MOM)电容器、电解电容以及后来发展出来的陶瓷电容、纸介电容、云母电容等。
现有的电容器基本上会占据半导体基板空间，且此空间不会被在集成电路芯片上的其它电容器所使用。但此会造成半导体基板空间的不敷使用。而当对先进技术的需求继续成长的同时，将较多的电子元件包入半导体基板的较小面积的需求亦增加。因此，集成电路设计领域中的希望能以最小的面积设置电容器，且其电容器设计能达到最大的电容值、低漏电及高稳定等规格。
以现有技术中，常见的平板电容为例，其理想电容值公式为
其中，C为电容值，k为绝缘常数，ε0为介电系数，A为平行板的面积，d为两平板间的距离。为了达到最大的电容值，现有的电容制造厂商大多采用下列作法：
1)设法增加平行板的等效面积(A)：
在不能随意增加元件总面积的情况下，通常将金属平板与介电层的接触表面设计为波浪状、钜齿状或槽状结构，或是采用多孔隙材料来增加平行板面积。此种做法的工艺相对复杂，制造成本也较高。
2)提高介电层的介电系数(ε0)：
良好的介电材料有助于提高电容值，但其制造成本相对高昂，且部分介电材料本身并不稳定，或甚至可能对环境造成污染。
3)缩短两平板之间的距离(d)：
利用最新的半导体工艺技术，可将电容器中电极板的距离(一般而言，即大致为介电层的厚度)缩到极短，然而，当两电极板距离过短(即介电层极薄)时，介电效果将大打折扣，部份的电荷将可能通过穿隧效应(tunnel effect)越过介电层，造成储存的电荷递减。
于是本发明提出一种储电元件，其内部设置有磁化的磁性物质，利用磁性物质建立的磁场，其一，可改变储电元件内电荷的移动方向与排列，其二，可提高介电系数，进而达到较高的电能储存效率，其三，可用以加速化学反应速率，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储电元件，以获得较高的电能储存效率和加速化学反应速率。
根据本发明一方面的储电元件包含第一电极、第二电极、介电层以及磁性部。介电层设置于该第一电极以及该第二电极之间，该介电层配合该第一电极及该第二电极形成电容效应，使多个正电荷及多个负电荷分别累积于该第一电极及该第二电极。磁性部用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极、该介电层以及该第二电极。
根据本发明另一方面的储电元件包含第一电极、第二电极、介电层以及磁性材料。介电层设置于该第一电极以及该第二电极之间，该介电层配合该第一电极及该第二电极形成电容效应，使多个正电荷及多个负电荷分别累积于该第一电极及该第二电极。该磁性材料被掺杂于该第一电极与该第二电极至少其一之中，该磁性材料用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极、该介电层以及该第二电极磁性部用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极、该介电层以及该第二电极。
相较于先前技术中的电容器大多着眼于电容器本身构造(电极形状、介电层材料、介电层厚度、接触面积等)的改变，本发明的储电元件通过额外设置磁性部建立磁场，进而利用该磁场改变储电元件中电荷的排列，以提高储电元件的储电效率。
关于本发明的优点与精神可以通过以下结合附图对本发明较佳实施例的详细说明得到进一步的了解。
附图说明
图1绘示根据本发明的第一具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
图2绘示图1中的储电元件与外部电源耦接进行充电时的操作实例示意图。
图3A绘示根据本发明的第二具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
图3B绘示根据本发明的第三具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
图3C绘示根据本发明的第四具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
图3D绘示根据本发明的第五具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
图3E绘示根据本发明的另一具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
图4A绘示根据本发明的一具体实施例中储电元件其磁性部的设置位置的剖面视角示意图。
图4B绘示根据本发明的一具体实施例中储电元件其磁性部的设置位置的剖面视角示意图。
图4C绘示根据本发明的一具体实施例中储电元件其磁性部的设置位置的剖面视角示意图。
图5绘示根据本发明的第六具体实施例中储电元件的剖面视角示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1绘示根据本发明的第一具体实施例中储电元件1的剖面视角示意图。如图1所示，储电元件1中包含第一电极10、第二电极12、介电层14以及磁性部(如图1中的磁性层160)。第一电极10与第二电极12基本上为电的良导体或半导体，而设置于第一电极10与第二电极12之间的介电层14，其基本上由导电系数相对较低的介电材料(dielectric material)制成，介电层14用以配合第一电极10及第二电极12形成电容效应。
于图1中，储电元件1以一固态电容作举例说明，实际应用中，储电元件1可为固态电容器、云母电容器、陶瓷电容器、塑料膜电容器或半导体电容器等非化学电容。此外，于另一实施例中，本发明的储电元件亦可为电解电容器或超级电容器等化学电容，当电容器为电解电容器时，第一电极或第二电极中包含一电解质。
请一并参阅图2，图2绘示图1中的储电元件1与外部电源2耦接进行充电时的操作实例示意图。如图2所示，当使用者将一外部电源2(如电池、电源供应器、直流电源产生器等)耦接至储电元件1的第一电极10及第二电极12，以外部电源2对储电元件1充电。于此例中，外部电源2在第一电极10与第二电极12之间形成电位差并建立电场，如此一来，便会在第一电极10处累积正电荷，并第二电极12处累积负电荷(如图2所示)。但本发明并不限定第一、第二电极分别用以累积正、负电荷，实际应用中，当外部电源形成电位差方向互换时，正、负电荷亦将互换，视实际应用而定。
须特别说明的是，本发明的储电元件1进一步设置有磁性部，用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极10、该介电层14以及该第二电极16。于此实施例中，磁性部为一磁性层160，该磁性层160设置在第二电极12的外侧表面上(如图2所示)。磁性部(即磁性层160)以一磁性材料制成，举例来说，磁性部(此例中即磁性层160)可由铁、镍或钴等金属材料制成，或其由前述金属材料所形成的合金或氧化物制成，且该磁性材料(此例中即磁性层160)的表面上可喷覆或涂布有电绝缘材料。也就是说，对具导电性的磁性材料进行绝缘处理，避免金属材料影响相邻的电极，造成短路或其它负面影响。
于另一实施例中，磁性部(即磁性层160)亦可直接由一电绝缘的磁性材料制成，例如采用具有磁性的陶瓷材料或其它具磁性的稀土元素。
如图2所示，于第一具体实施例中，该磁性层160为单一磁性单元，其具有一N性磁极以及一S性磁极。于此实施例中，磁性层160分别位于左右两侧，但本发明的磁性层并不以单一磁性单元为限，其磁极方向亦不以此为限。
请一并参阅图3A、图3B以及图3E。图3A绘示根据本发明的第二具体实施例中储电元件1′的剖面视角示意图。图3B绘示根据本发明的第三具体实施例中储电元件1″的剖面视角示意图，图3E绘示根据本发明的另一具体实施例中储电元件1″″′的剖面视角示意图。如图3A所示，第二具体实施例中，储电元件1′最大不同的处在于，其磁性层160′中包含多个子磁性单元1600，每一子磁性单元1600各自具有一N性磁极以及一S性磁极，且这些子磁性单元1600可为异性磁极相邻排列(如图3A所示)。
如图3B所示，第三具体实施例中，储电元件1″最大不同之处在于，其磁性层160″的磁极极性并非水平方向，而是垂直方向，藉以产生不同的磁场方向。此外，亦可如图3E所示，储电元件1″″′中的磁性层160″″′亦可为垂直方向并具有多个子磁性单元。
此外，磁性部的设置位置亦不受限于上述实施例，实际应用中，磁性层可设置于介电层与第一电极间、介电层与第二电极间、或设置于该第一电极、该第二电极及该介电层所形成的四个侧表面的任一个侧表面上。请一并参阅图3C以及图3D，图3C绘示根据本发明的第四具体实施例中储电元件1″′的剖面视角示意图。如图3C所示，于第四具体实施例中，储电元件1″′的磁性部(即磁性层160″′)是设置于第二电极12与介电层14之间，此时不导电的磁性层160″′本身亦可作为介电材料来使用，并可同时建立磁场。图3D绘示根据本发明的第五具体实施例中储电元件1″″的剖面视角示意图。如图3D所示，于第五具体实施例中，储电元件1″″的磁性部(即磁性层160″′)是设置于第一电极10、第二电极12与介电层14所共同形成的左侧表面上，此时磁性层160″″可建立磁场，且不导电或表面覆盖绝缘物质的磁性层160″″并不会造成电极层之间的短路。
此外，本发明的储电元件中其设置的磁性部并不仅限于单一的磁性层，于其它实施例中，其亦可包含多个磁性层。这些磁性层可分别设置于该介电层与该第一电极间或该介电层与该第二电极间，或设置于该第一电极、该第二电极及该介电层所形成的四个侧表面中至少一侧表面上。
请一并参阅图4A、图4B以及图4C。图4A至图4C分别绘示根据本发明的不同具体实施例中储电元件其磁性部的设置位置的剖面视角示意图。
如图4A所示，储电元件3的磁性部共包含两个磁性层(磁性层360、磁性层362)。其中，磁性层360设置于第一电极30的上侧表面，而磁性层362设置于第一电极30与介电层34之间。其中，磁性层360与磁性层362其磁极方向可为反向(如图4A所示)，于另一实施例中，两磁性层的磁极方向亦可为同向。
如图4B所示，储电元件3′的磁性部共包含两个磁性层(磁性层360′、磁性层362′)。其中，磁性层360′设置于第一电极30、第二电极32与介电层34所共同形成的右侧表面上，而磁性层362″设置于第一电极30、第二电极32与介电层34所共同形成的右侧表面上。
另一方面，如图4C所示，储电元件3″的磁性部共包含四个磁性层(磁性层360″、磁性层362″、磁性层364″以及磁性层366″)。其中，磁性层360″设置于第一电极30的上侧表面；磁性层362″设置于第一电极30与介电层34之间；磁性层364″设置于第二电极32与介电层34之间；磁性层366″设置于第二电极32的下侧表面。
由此可见，本发明所提出的储电元件的磁性部可包含至少一磁性层，每一磁性层可分别为单一的磁性单元，或是每一磁性层亦可包含多个子磁性单元，且这些磁性层可分别设置于储电元件中不同位置，以建立不同的磁化场型。
综上所述，本发明的储电元件通过额外设置磁性部建立磁场，进而利用该磁场改变储电元件中电荷的排列与提高介电系数，以提高储电元件的储电效率。
在上述实施例中，储电元件具有独立设置的磁性部(如磁性层等)，然而本发明并不以此为限。请参阅图5，图5绘示根据本发明的第六具体实施例中储电元件5的剖面视角示意图。如图5所示，在本发明的第六具体实施例当中，储电元件5不独立设置磁性部，储电元件5具有磁性材料56，且该磁性材料56是直接掺杂于该第一电极50中、掺杂于第二电极52中、或是同时掺杂于第一电极50与第二电极52中(如图5所示)。该磁性材料56便可用以建立磁场，该磁场通过第一电极50、介电层54以及第二电极52。
如此一来，储电元件5的电极本身通过磁性材料56的掺杂便具有磁力特性，通过在不同电极或电极上的不同位置，掺杂特定比例的磁性材料，便可在储电元件中各个位置建立不同的磁化场型。综上所述，此实施例中的储电元件通过额外设置磁性材料的掺杂来建立磁场，进而利用该磁场改变储电元件中电荷的排列与提高介电系数，以提高储电元件的储电效率，且并不影响储电元件5本身的体积大小。
通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
Claims (10)
1.一种储电元件，其特征在于包含：
一第一电极；
一第二电极；
一介电层，设置于该第一电极以及该第二电极之间，该介电层配合该第一电极及该第二电极形成电容效应，使多个正电荷及多个负电荷分别累积于该第一电极及该第二电极；以及
一磁性部，用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极、该介电层以及该第二电极。
2.根据权利要求1所述的储电元件，其特征在于，该磁性部由一电绝缘的磁性材料或由一陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的储电元件，其特征在于，该磁性部包含一磁性材料，且该磁性材料的表面上喷覆或涂布一电绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的储电元件，其特征在于，该磁性部包含至少一磁性层，该至少一磁性层分别设置于该介电层与该第一电极间或该介电层与该第二电极间，或设置于该第一电极、该第二电极及该介电层所形成的四个侧表面中至少一侧表面上。
5.根据权利要求4所述的储电元件，其特征在于，该磁性层包含多个子磁性单元，每一子磁性单元各自具有一N性磁极以及一S性磁极，且这些子磁性单元为异性磁极相邻排列。
6.根据权利要求1所述的储电元件，其特征在于，该储电元件为电解电容器、固态电容器、云母电容器、陶瓷电容器、塑料膜电容器或半导体电容器。
7.根据权利要求1所述的储电元件，其特征在于，该磁性部由一铁、镍或钴等磁性金属材料制成，或该磁性部由前述金属材料所形成的合金或氧化物制成。
8.一种储电元件，其特征在于包含：
一第一电极；
一第二电极；
一介电层，设置于该第一电极以及该第二电极之间，该介电层配合该第一电极及该第二电极形成电容效应，使多个正电荷及多个负电荷分别累积于该第一电极及该第二电极；以及
一磁性材料，该磁性材料被掺杂于该第一电极与该第二电极至少其一之中，该磁性材料用以建立一磁场，该磁场通过该第一电极、该介电层以及该第二电极。
9.根据权利要求8所述的储电元件，其特征在于，该储电元件为电解电容器、固态电容器、云母电容器、陶瓷电容器、塑料膜电容器或半导体电容器。
10.根据权利要求8所述的储电元件，其特征在于，该磁性材料由一铁、镍或钴等磁性金属材料制成，或该磁性材料由前述金属材料所形成的合金或氧化物制成。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120919 |