DE102014111164A1

DE102014111164A1 - Use of a switching element on the atomic scale as a stand-by circuit

Info

Publication number: DE102014111164A1
Application number: DE102014111164.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schimmel
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2014-01-12
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Der Energieverbrauch elektrischer und elektronischer Geräte im Standby-Modus ist erheblich und trägt in nicht vernachlässigbarer Weise zum weltweiten Energieverbrauch bei. Der Entwicklung von Standby-Schaltungen mit extrem niedrigem Energieverbrauch kommt daher eine große Bedeutung zu. Die Erfindung beschreibt Schaltelemente auf extrem kleiner Skala bis hin zur Skala von atomaren Clustern und einzelnen Atomen und die Verwendung solcher Schaltelemente als Standby-Schalter und in Standby-Schaltungen, wobei durch externen Stimulus, bevorzugt durch eine elektrische Spannung an eine dritte Elektrode, Atome oder Gruppen von Atomen umgelagert werden, wodurch der Kontakt zwischen zwei Elektroden geöffnet und geschlossen wird.The power consumption of electrical and electronic devices in standby mode is significant and contributes significantly to global energy consumption. The development of standby circuits with extremely low power consumption is therefore of great importance. The invention describes switching elements on an extremely small scale up to the scale of atomic clusters and individual atoms and the use of such switching elements as a standby switch and in standby circuits, wherein by external stimulus, preferably by an electrical voltage to a third electrode, atoms or Groups of atoms are rearranged, whereby the contact between two electrodes is opened and closed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Schaltelementen als Standby-Schalter und in Standby-Schaltungen. The present invention relates to the use of switching elements as standby switches and in standby circuits.

Der Energieverbrauch elektrischer und elektronischer Geräte im Standby-Modus ist erheblich und trägt in nicht vernachlässigbarer Weise zum weltweiten Energieverbrauch bei. Der Entwicklung von Standby-Schaltungen mit extrem niedrigem Energieverbrauch kommt daher eine große Bedeutung zu. The power consumption of electrical and electronic devices in standby mode is significant and contributes significantly to global energy consumption. The development of standby circuits with extremely low power consumption is therefore of great importance.

Das Problem besteht darin, dass häufig die Standzeiten bis zum Einsatz bzw. Einschalten des Gerätes sehr lange sein können und oft auch die Batterien des auf Standby geschalteten Gerätes, beispielsweise einer Fernbedienung, erschöpft bzw. durch Energieverbrauch des Gerätes im Standby-Modus über lange Zeit geleert sind. The problem is that often the downtime to use or turn on the device can be very long and often the batteries of the standby device, such as a remote control, exhausted or by energy consumption of the device in standby mode for a long time are emptied.

Schalter wurden in jüngerer Vergangenheit auch auf atomarer Skala entwickelt und patentiert (Pub. No.: US 2011/0241067 A1 , Pub. Date Oct. 6, 2011 sowie Pub. No. US 2009/0195300 A1 , Pub. Date Aug. 6, 2009). Dabei werden zwei Elektroden (Drain und Source) durch eine reversibel öffnen- und schließbare Brücke aus einem oder mehr Atomen miteinander verbunden und das Öffnen und Schließen dieses Kontaktes zwischen Source- und Drain-Elektrode kann über ein an die dritte Elektrode („Gate-Elektrode') angelegte Potential gesteuert werden. Switches have also been developed and patented on an atomic scale in the recent past (Pub. US 2011/0241067 A1 , Pub. Date Oct. 6, 2011 as well as pub. No. US 2009/0195300 A1 , Pub. Date Aug. 6, 2009). In this case, two electrodes (drain and source) are connected to each other by a reversibly openable and closable bridge of one or more atoms and the opening and closing of this contact between the source and drain electrode via a to the third electrode ("gate electrode ') potential are controlled.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe darin, die Einschränkungen und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Based on this, the object is to overcome the limitations and disadvantages of the prior art.

Erstrebenswert sind idealerweise Standby-Schaltungen, die im reinen Standby-Betrieb gar keine Energie verbrauchen und lediglich zur Aktivierung beim Einschaltvorgang eine kleine Energiemenge benötigen. Desirable are ideally standby circuits that consume no energy in pure standby mode and only require a small amount of energy to activate during power-up.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Verwendung eines Schaltelementes durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. This object is achieved with regard to the use of a switching element by the features of claims 1 and 4. The subclaims each describe advantageous embodiments of the invention.

Durch den Einsatz von bistabilen Schaltelementen auf der Skala von einzelnen Atomen oder von Clustern von Atomen erzielt man sehr niedrige Energien für das Umschalten. Der wichtigste Vorteil besteht aber in der Tatsache, dass der Energieverbrauch im Standby-Betrieb extrem niedrig ist, in der bevorzugten Ausführungsvariante sogar identisch null ist, da das Schaltelement auf atomarer Skala oder auf der Skala atomarer Cluster in beiden Positionen, der eingeschalteten und der ausgeschalteten, stabil in einem Potentialminimum einrastet (beispielsweise mechanisch einrastet), so dass keine Kraft und kein Aufwand zum Halten dieser Position erforderlich ist. Ähnlich wie bei einem mechanischen elektrischen Lichtschalter in der Hausinstallation rastet der Schalter stabil (in diesem Falle mechanisch) in beiden Positionen ein, sowohl in der Einschaltposition als auch in der Auschaltposition. Zum Halten dieser Position ist kein Aufwand und insbesondere keine Maßnahme, die Energie verbraucht nötig. Lediglich das Umschalten von einer Position in die andere Position benötigt Energie. The use of bistable switching elements on the scale of single atoms or clusters of atoms results in very low energies for switching. The main advantage, however, lies in the fact that the standby power consumption is extremely low, in the preferred embodiment even identical zero, since the switching element is on the atomic scale or on the scale of atomic clusters in both positions, on and off Stably engaged in a potential minimum (for example, mechanically latched), so that no force and no effort to hold this position is required. Similar to a mechanical electrical light switch in a domestic installation, the switch locks stably (in this case mechanically) in both positions, both in the on position and in the off position. To hold this position is no effort and in particular no measure that consumes energy needed. Only switching from one position to the other requires energy.

Der Einsatz solcher Schaltelemente für Standby-Schaltungen eröffnet hier völlig neue Möglichkeiten der Herstellung von energiesparenden Standby-Schaltern und Standby-Schaltungen und Systemen, die solche Standby-Schalter und Standby-Schaltungen verwenden. The use of such switching elements for standby circuits opens up completely new possibilities for the production of energy-saving standby switches and standby circuits and systems which use such standby switches and standby circuits.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Verwendung eines Schaltelements als Stand-by Schalter und/oder als Schaltelement in Stand-by Schaltungen. Das Schaltelement zeichnet aus, das es einen elektrischen Stromkreis zwischen zwei Elektroden öffnet und/oder schließt und/oder den elektrischen Widerstand zwischen diesen beiden Elektroden erheblich ändert. Dazu besteht zwischen diesen beiden Elektroden ein kleiner Abstand, so dass sich diese beiden nicht berühren. Das Schaltelement weist ein Atom oder eine Anzahl von einzelnen Atomen oder eine Gruppe von Atomen (Cluster) auf, das/die sich reversibel oder irreversibel umlagern, so dass der Kontakt zwischen den beiden genannten Elektroden reversibel oder irreversibel geöffnet bzw. geschlossen wird. The present invention is concerned with the use of a switching element as a stand-by switch and / or as a switching element in stand-by circuits. The switching element is characterized in that it opens and / or closes an electrical circuit between two electrodes and / or significantly changes the electrical resistance between these two electrodes. For this there is a small distance between these two electrodes, so that these two do not touch. The switching element comprises an atom or a number of individual atoms or a group of atoms (clusters) that reversibly or irreversibly rearrange, so that the contact between the two said electrodes is reversibly or irreversibly opened or closed.

In einer Ausgestaltung erfolgt die Verwendung einer dritten Elektrode, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, die die Umlagerung bewirkt. Im diesem Fall gibt es einen Spannungswert der Spannung an dieser dritten Elektrode, bei dem sich der Kontakt durch die bewirkte Umlagerung schließt und einen Spannungswert der Spannung an dieser dritten Elektrode, bei dem sich der Kontakt durch die bewirkte Umlagerung öffnet. In one embodiment, the use of a third electrode, to which an electrical voltage is applied, which causes the rearrangement takes place. In this case, there is a voltage value of the voltage at this third electrode, in which the contact closes by the effected rearrangement and a voltage value of the voltage at this third electrode, at which the contact opens by the effected rearrangement.

In einer weiteren Ausgestaltung bestehen die Elektroden aus Metall, bevorzugt aus Silber, Gold, Kupfer, Eisen, Blei, Zink, Zinn oder Wismut oder aus Kombinationen oder Legierungen dieser Bestandteile. In a further embodiment, the electrodes are made of metal, preferably of silver, gold, copper, iron, lead, zinc, tin or bismuth or of combinations or alloys of these constituents.

In einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Abstand zwischen den beiden Elektroden, zwischen denen der Stromkreis geöffnet und geschlossen werden soll, kleiner als 10 µm, bevorzugt kleiner als 1 µm, besonders bevorzugt kleiner als 10 nm. In einer weiteren Ausgestaltung weist das bewegliche Element, durch das der Stromkreis geöffnet und geschlossen wird, eine Länge von weniger als 10 µm, bevorzugt weniger als 1 µm ist, besonders bevorzugt von weniger als 10 nm. Damit liegt die Länge des beweglichen Elements auf der Skala kleiner atomarer Cluster bzw. einzelner Atome. In a further embodiment, the distance between the two electrodes, between which the circuit is to be opened and closed, smaller than 10 .mu.m, preferably less than 1 .mu.m, more preferably less than 10 nm. In a further embodiment, the movable element, by that the circuit is opened and closed is, a length of less than 10 microns, preferably less than 1 micron, more preferably less than 10 nm. Thus, the length of the movable element is on the scale of small atomic clusters or individual atoms.

In einer Ausgestaltung ist die Spannung, die benötigt wird um das Schaltelement zu schalten sehr niedrig. Für Schaltelemente aus atomaren Silbertransistoren mit wässrigen und gelähnlichen Silberelektroden werden 3mV/–30mV benötigt. In one embodiment, the voltage required to switch the switching element is very low. For switching elements of atomic silver transistors with aqueous and gel-like silver electrodes 3mV / -30mV are required.

Das Schaltelementes findet Verwendung als Standby-Schalter oder in einer Standby-Schaltung oder in einem System mit Standby-Funktion oder in doppelter Funktion als Schaltelement und zugleich auch als Standby-Schalter. Die Stromstärke liegt dann im nano-Ampere-Bereich. The switching element is used as a standby switch or in a standby circuit or in a system with standby function or in dual function as a switching element and at the same time as a standby switch. The current is then in the nano-ampere range.

In einer weiteren Ausgestaltung finden atomare Transistoren als Standby-Schalter oder in einer Standby-Schaltung oder in einem System mit Standby-Funktion oder in doppelter Funktion als Schaltelement und zugleich auch als Standby-Schalter Verwendung. In another embodiment, find atomic transistors as a standby switch or in a standby circuit or in a system with standby function or in dual function as a switching element and at the same time as a standby switch use.

In einer weiteren Ausgestaltung finden Schaltelement Verwendung als Standby-Schalter oder in einer Standby-Schaltung oder in einem System mit Standby-Funktion oder in doppelter Funktion als Schaltelement und zugleich auch als Standby-Schalter, deren Elektroden ein kleiner Abstand aufweisen, so dass sich diese nicht berühren. Diese weisen weiterhin ein Atom oder eine Anzahl von Atomen oder eine Gruppe von Atomen (Cluster) auf, das/die sich reversibel oder irreversibel umlagern können, so dass der Kontakt zwischen den beiden genannten Elektroden reversibel oder irreversibel geöffnet bzw. geschlossen wird und/oder durch einen externen Stimulus, der die besagte geometrische Umlagerung bewirkt. Dieser Stimulus wird durch eine äußere oder innere mechanische Kraft, ein Magnetfeld oder den Einfluss von Licht oder durch den Einfluss elektrochemischer Potentiale oder durch den Einfluss von Wärme oder Wärmestrahlung oder durch den Einfluss von durch Wärme (thermische Ausdehnung) oder durch von Magnetfelder(Magnetostriktion) bewirkter mechanischer Verspannung oder Deformation bewirkt. In another embodiment, switching element find use as a standby switch or in a standby circuit or in a system with standby function or in dual function as a switching element and at the same time as a standby switch whose electrodes have a small distance, so that this do not touch. These also have an atom or a number of atoms or a group of atoms (clusters) that can reversibly or irreversibly rearrange, so that the contact between the two said electrodes is reversibly or irreversibly opened or closed and / or by an external stimulus causing the said geometric rearrangement. This stimulus is generated by an external or internal mechanical force, a magnetic field or the influence of light or by the influence of electrochemical potentials or by the influence of heat or heat radiation or by the influence of heat (thermal expansion) or by magnetic fields (magnetostriction) caused mechanical strain or deformation causes.

In einer weiteren Ausgestaltung finden Schaltelementen wie beschrieben in US 2011/0241067 und/oder US 2009/0195300 Einsatz als Standby-Schalter oder in Standby-Schaltungen. In a further embodiment find switching elements as described in US 2011/0241067 and or US 2009/0195300 Use as a standby switch or in standby circuits.

Beispiele für den möglichen Einsatz solcher Standby-Schaltungen sind Fernbedienungen, Rauchmelder, Not-Abschaltesysteme, Überwachungssysteme, Not-Einschaltesysteme, Alarmsysteme, Computer, technische Überwachungssysteme, medizinische Überwachungssysteme (auch in Implantaten, da bei Implantaten eine automatische Aktivierung im Notfall, eine extern ausgelöste Aktivierung durch den Arzt oder eine nicht implantierte Überwachungselektronik oder durch einen Sensor mit und ohne angeschlossene Elektronik oft wünschenswert ist, aber dem Implantat üblicherweise nur ein sehr begrenzter Energievorrat über eine ebenfalls implantierte Batterie zur Verfügung steht), Aktivierung und Deaktivierung von Hörgeräten, Fernbedienung von Haushaltsgeräten, Unterhaltungselektronik, Spielzeugen und Hobby-Geräten, Aktivierung von Geräten für die Fernwartung, Mobiltelefone und Internetgeräte, Geräte, die über WLan aktiviert werden. Examples of the possible use of such standby circuits are remote controls, smoke detectors, emergency shutdown systems, monitoring systems, emergency power-on systems, alarm systems, computers, technical monitoring systems, medical monitoring systems (also in implants, since an automatic activation in the case of implants, an externally activated one Activation by the physician or a non-implanted monitoring electronics or by a sensor with and without connected electronics is often desirable, but the implant usually only a very limited supply of energy via a likewise implanted battery is available), activation and deactivation of hearing aids, remote control of household appliances , Consumer electronics, toys and hobby equipment, activation of remote maintenance devices, mobile phones and internet devices, devices that are activated via WLan.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2011/0241067 A1 [0004]
US 2009/0195300 A1 [0004]
US 2011/0241067 [0018]
US 2009/0195300 [0018]

Claims

Use of a switching element as a stand-by switch and / or in stand-by circuits or in a system with standby function or in dual function as a switching element and at the same time as a standby switch, wherein the switching element has two electrodes with a maximum distance of 10 microns to each other and at least one between 2 metastable or stable switching positions back and forth switchable atom, wherein in the first switching position, an electrical contact and in the second switching position an elektische Kontatkunterbrechung between the two electrodes or between the two switching positions erhebltiche resistance change occurs.

Use of a switching element according to claim 1 as a switching element, wherein a third electrode is provided for switching between the two switching positions.

Use of a switching element according to claim 1 or 2, wherein the switching element is an atomic transistor.

Use of switching elements described in US2011 / 0241067 and / or US2009 / 0195300 as a standby switch or in standby circuits or in a system with standby function or in dual function as a switching element and at the same time as a standby switch.

Use of switching elements according to claims 1 to 4 in remote controls, smoke detectors, emergency shutdown systems, monitoring systems, emergency power-on systems, alarm systems, computers, technical monitoring systems, medical monitoring systems, hearing aids, consumer electronics, toys, mobile phones.

Use of switching elements according to one of the preceding claims in devices which are activated via WLan.