玻璃釉电阻器

电子元件是电器设备中数量最多的零件，因此降低电子元件的故障率，对于生产商们而言至关重要。确保实现这一目标的有效方式是检查每个独立元件，从而确保质量控制。今天，小菲就来给大家说说一家法兰克福制造商通过使用FLIR公司提供的热像仪系统，对电阻器良好的完美质量控制的案例！产品故障率较高，问题亟待解决Isabellenhütte Heusler是一家生产汽车行业用的热电偶电阻合金、接线板合金和被动元件的制造商，其位于法兰克福附近的迪伦堡。Isabellenhütte的产品被汽车行业用于燃油喷射系统和其它电子控制单元。这家公司因其产品质量过硬而享有很高的国际声誉。为获得和维持其全球客户要求的高质量标准，这家公司在质量控制和研发方面注入巨资。但尽管大力投资，客户仍上报5%的故障率。依据Isabellenhütte的严苛标准，即使10-8的故障率也被视作不可接受。因此，该公司决定对所有部件实施良好控制。部件缺陷可能产生于部件制造过程中，这些缺陷随后会导致内置电子器件故障。结果是最终电子系统达不到设计的耐久性，为设备供应商和汽车公司带来潜在质量问题。全自动质量控制得益于FLIR热成像系统红外热成像系统的监控过程Isabellenhütte采用的解决方案是安装一套来自FLIR公司的红外热像仪系统。该系统被用于检测生产过程中的每个部件。在质量控制过程中，每个电阻器在极短时间内被充电。该系统能在不足1秒时间内拍摄一张红外图像，以此检查电阻器可能存在的缺陷。下图中显示的热点是由于故障设备的表面温度较高造成的。有缺陷的电阻被FLIR热像仪捕捉到拍摄完成后，通过电脑将检测到的highest温度与电阻器的平均表面温度进行对比。如果MAX值和平均值之间的差值超过预定义值，那么意味着该部件存在异常热点。当检测到热点，会自动产生一个触发信号，将故障部件从生产线中移除。从进入到退出检测机器，整个过程不足1秒。相应的部件故障区域的热图像保存在数据库中，用于统计过程控制。集成FLIR红外热像仪的系统可以检测到电阻中最小的缺陷“FLIR红外热像仪是良好方案”“经证实，红外热成像技术，尤其是FLIR红外热像仪，是确保我们的质量标准比以往更高的良好方法，”Isabellenhütte生产经理Eichman先生表示。“我们如今全天24小时自动化监控我们的生产，由于不再需要操作员进行监控，我们能节约人力成本。我们对红外热像仪的初始投资在极短时间内便可收回。更重要的是，我们实现了对每一个电阻的良好质量控制，使我们能够向客户交付完美无瑕疵的产品，极大地降低后续系统的故障率！”每个部件都由FLIR热像仪单独检查毫无疑问，Isabellenhütte努力提供完美产品的做法受到要求苛刻的客户的高度赞扬，正是这些产品让客户始终居于其各自领域的领导地位。FLIR 红外热成像监控系统用于此应用的红外热像仪是FLIR ThermoVisionTM A320M。现如今有更多性能出色的产品可以完美替代它。比如FLIR A310，它是一款紧凑小巧的固定安装式红外热像仪，可安装在几乎任何地方。它可以检测到最小0.05℃的温差。独有的测量分析功能和报警功能使FLIR A310成为许多应用的理想工具。还有连续状态和安全监控用红外热像仪——FLIR AX8，它具备视频流输出功能，能提供每一个装置和自动报警的实时视频。兼容以太网/IP和Modbus TCP，因此可将分析和报警结果轻松共享至可编程逻辑控制器。目前，FLIR还有多款产品可供选择哦~FLIR A310FLIR AX8状态监控的目的是在故障发生前识别问题，防止发生成本高昂的停机事件。FLIR连续状态和安全监控用红外热像仪有助于您防止意外断电、非计划停机、服务中断和机电设备故障，非常适合监测配电柜、加工和制造区域、数据中心、发电和配电设施、运输和公共交通、仓储设施和冷库等。

想象一下，直径 3 毫米的金属玻璃线，即使加热到 700 多度，也可以吊起重达 2.5 吨的汽车是怎样的奇观？ 最近，中科院物理研究所柳延辉老师课题组发表在nature上的一篇文章昭示这一奇观有望实现，该文章报道了柳老师课题组新研发的一种金属玻璃：Ir–Ni–Ta–(B)，该材料在 727℃ 的高温下仍具有 3.7 千兆帕的高强度。 除了强度高，Ir–Ni–Ta–(B) 金属玻璃还具有很高的耐腐蚀性。材料的耐腐蚀性往往和抗氧化性有一定关系，因此研究人员利用飞纳电镜，对金属玻璃高温下的抗氧化性进行了测试。通过背散射图像的成分衬度和能谱测试结果可以发现，在 1000K 的高温下，氧化 60 分钟后，氧化层深度不到 0.01 毫米，并且表面光滑，无明显腐蚀坑。 飞纳电镜对金属玻璃抗氧化性形貌特征和能谱成分分析结果 Question 1：好学的小伙伴不禁要问，什么是金属玻璃？ 在介绍金属玻璃之前，要先了解固体材料原子的排列方式。 将固体材料的原子想像成一颗颗的弹珠，弹珠规则排列的材料称为晶体，不规则排列则称为非晶体。一般来说，金属材料都是晶体结构，而常见的非晶材料有玻璃、玛瑙等。 透射电子显微镜观察到微观结构 （a 为非晶体结构，b 为晶体结构） 金属玻璃又称非晶态合金，他的成分是金属元素，但原子的排列长程无序，具有非晶体的结构特征。它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病。 金属玻璃的强度远高于钢，且具有一定的韧性和刚性，同时具有耐腐蚀、耐摩擦等性能。 Question 2：那么，怎样使金属变成 “玻璃” 呢？ 一般来说，金属在冷却时会结晶，原子会排列成有规则的图案，称之为晶格。但如果结晶不出现，原子随机排列，则形成金属玻璃。 方法：将金属高温熔化后，以极快的速度冷却，使金属原子来不及按常规编排结晶，原子还处于不整齐、杂乱无章的状态便被 “冻结” 了，因此，出现了类似玻璃的微观结构。 Question 3：柳老师制备的金属玻璃到底有多厉害呢？ 几乎所有的金属都可通过快速凝固的方式成为金属玻璃，但要开发一种制备简单，性能优良的金属玻璃并不容易。 金属玻璃的机械性能主要取决于其玻璃化转变温度，在接近玻璃化转变温度时，强度会显著降低。因此，老师希望金属玻璃拥有较高的玻璃化转变温度。 尽管已经有人开发出玻璃化转变温度大于 1000K (727℃) 的金属玻璃，但过冷液体区域（玻璃化转变温度和结晶温度之间）很窄，导致金属成形性较差，限制了其实际应用。 Ir–Ni–Ta–(B) 金属玻璃的玻璃化转变温度已经高达 1162 K，且过冷液体区域为 136 K，比目前大多数金属玻璃的都宽。这意味着在高温或恶劣环境下应用的小型部件可以很容易地通过热塑性成形获得。 过冷液体区域与玻璃化转变温度以及各种合金的高温强度 自1960 年以来，研究人员已开发出基于各种元素的金属玻璃。然而，非晶合金是典型的多组元合金材料，形成过程极其复杂，多个组元构成的成分空间十分庞大。 “一次实验，一个样品” 的材料研究方法不仅导致新材料探索效率低，所获得的实验数据也缺乏系统性，使得人们难以全面把握非晶合金形成的主要规律和性能调控机制。 为了鉴定感兴趣的合金，柳老师课题组根据先前报道的玻璃形成能力与电阻率之间的关联性，提出了一种简化的组合方法。 这种方法是无损的，允许随后对同一样本库中的一系列物理属性进行检测。该研究的发现与设计和方法的实用性为高强度、高温、大块的其他具有高性能的玻璃合金的研究提供了理论的可能和方法的支持。 Ir–Ni–Ta–(B) 块状金属玻璃的高通量表征 最后，秀一下柳老师与飞纳电镜的合影，期待柳老师更多科研成果。

【科学背景】记忆电阻器（memristor）是一种能够在电气应力作用下实现两个或多个非易失性电阻状态的设备，近年来被提出用于解决射频开关的挑战。这种效应最早在1960年代的硒铋合金中被报道，随后在包括金属氧化物和二维层状材料在内的许多其他材料中得到观察。通过改变材料的原子或电子结构，memristor能够实现不同的电阻状态，如高电阻态（HRS）和低电阻态（LRS）。尽管最初主要用于存储应用，memristor目前被提议用于数据加密、能效数据计算（如实现向量矩阵乘法引擎和人工神经网络的电子神经元）、以及射频数据传输开关等领域。针对射频应用，memristor的主要优势在于其非易失性，无需额外能量来维持其导电状态，与传统的p-i-n二极管开关相比，后者需要大量直流电流来维持其状态。最新的memristor技术基于相变材料，如GeTe或GeSbTe，通过控制加热器来实现晶态和非晶态之间的转变，从而切换设备的HRS和LRS。这些设备在50 GHz的频率下已有工业展示，并且在学术演示中能够达到高达109个循环的耐久性，但其集成到大型电路中需要精细的热设计，并可能引入不需要的寄生电容。针对RF mmWave应用的多层hBN memristor的开发，沙特阿卜杜拉国王科技大学Mario Lanza教授团队通过使用不同的电极材料展示了多个设备的射频性能和一致性行为。通过一种增强导电性的方法，作者成功地实现了RLRS低于10 Ω（最低可达4.5 Ω），并展示了2,000个循环的耐久性。作者的设备在高达260 GHz的频率下表现出低于2 dB的损耗和超过30 dB的隔离度，从等效电路模型中提取的截止频率为7 THz。此外，作者还报告了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路。【科学亮点】（1）首次开发了适用于射频毫米波（mmWave）应用的多层氮化硼（hBN）记忆电阻器。这些电阻器展示了在高达260 GHz频率下的射频性能，并通过不同电极材料验证了其稳定的行为。（2）通过采用一种新型的导电性增强方法，成功实现了低于10 Ω的低阻态电阻（RLRS），最低可达4.5 Ω。这种方法使得设备能够经受2,000个循环的使用测试，表现出良好的耐久性。（3）射频性能方面，这些设备展示了在频率高达260 GHz时低于2 dB的插入损耗和超过30 dB的隔离度。通过等效电路模型分析，提取的截止频率高达7 THz，显示出在超高频领域的潜力。（4）作者还报道了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路，突显了这些记忆电阻器在复杂电路中的实际应用潜力。【科学图文】图1： Au-hBN-Au器件的物理和直流特性。图2：通过脉冲写入-验证协议增强射频RF应用的低阻态low-resistance state，LRS性能。图3：Au–多层hBN–Au开关的毫米波性能。【科学结论】本文开发了多层氮化硼记忆电阻器作为射频毫米波应用中的关键组件。传统射频开关技术在高频率（如120 GHz）下存在插入损耗和隔离度方面的限制，而本研究通过精确控制低阻态电阻，利用脉冲偏置协议实现了9.3 ± 3.7 Ω的优异性能。这种方法不仅提高了射频开关的操作频率，还显著降低了信号传输过程中的能量损失。此外，作者展示了在21个设备中一致的双极性切换特性，证明了多层氮化硼在记忆电阻器中的可靠性和稳定性。这些成果不仅推动了射频毫米波技术的前沿，还为未来高速数据传输、增强现实和物联网等应用领域提供了新的解决方案。通过这些研究，作者不仅拓展了记忆电阻器在射频领域的应用潜力，还为探索更高频率、更低能耗的射频开关提供了有力支持。原文详情：Pazos, S., Shen, Y., Zhang, H. et al. Memristive circuits based on multilayer hexagonal boron nitride for millimetre-wave radiofrequency applications. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01192-2