壓電溫度傳感器的製造方法
2024-01-23 00:28:15
壓電溫度傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種壓電溫度傳感器。該壓電溫度傳感器可包括：基底，所述基底會受溫度變化的影響而產生形變；壓電半導體層，由具有壓電效應的半導體材料構成，並且被以絕緣的方式固定在所述基底的一側；第一電極和第二電極，固定於所述壓電半導體層上，並與所述壓電半導體層（2）形成肖特基接觸；以及測量電路，所述測量電路的兩端分別電連接至所述第一電極和所述第二電極。本發明通過壓電半導體和可隨溫度變化發生形變的基底的耦合作用，將溫度變化轉化為輸出的電信號的變化，從而可得到高精度的溫度傳感器。
【專利說明】壓電溫度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及溫度傳感器領域，具體地，涉及一種壓電溫度傳感器。
【背景技術】
[0002]溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部件。目前市場上的溫度傳感器種類繁多，如PTlOO熱電阻(鉬熱電阻)的熱電阻溫度傳感器曾因為測溫精度高和性能穩定而被廣泛使用，甚至被製成標準的基準儀。但隨著科技進步，對測溫精度提出了更高的要求，研究可實現更高測溫精度的溫度傳感器勢在必行。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種壓電溫度傳感器，該壓電溫度傳感器將壓電效應和半導體效應相結合，與現有PT100熱電阻溫度傳感器相比，能實現更高的測溫精度。
[0004]為了實現上述目的，本發明提供一種壓電溫度傳感器，該壓電溫度傳感器可包括:基底，所述基底會受溫度變化的影響而產生形變；壓電半導體層，由具有壓電效應的半導體材料構成，並且以絕緣的方式固定在所述基底的一側；第一電極和第二電極，固定於所述壓電半導體層的上表面，並與所述壓電半導體層形成肖特基接觸；以及測量電路，所述測量電路的兩端分別電連接至所述第一電極和所述第二電極。
[0005]優選地，所述基底可以是在不同溫度下形變量不同的兩層金屬層構成的雙金屬片。
[0006]優選地，所述雙金屬片的一個金屬層可由Ni36Fe64構成，另一個金屬層可由Mn75Ni15Cu10 構成。
[0007]優選地，所述具有壓電效應的半導體材料可以是ZnO、GaN、ZnS和CdSe中的任意一者。
[0008]優選地，所述壓電半導體層可以是單根納米線、納米線薄膜或者納米薄膜。
[0009]優選地，可先在有機襯底上製備所述納米線薄膜，然後將所述納米線薄膜轉移到基底的一側並以絕緣的方式固定在所述基底上。
[0010]優選地，可採用水熱法生長的方式在所述有機襯底上製備所述納米線薄膜。
[0011]優選地，所述水熱法可包括採用六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度各為120mmol/L的溶液,並且在90°C下生長5個小時，以合成由氧化鋅構成的所述納米線薄膜。
[0012]優選地，其中所述壓電半導體層的壓電極化方向垂直於所述壓電半導體層所在的平面。
[0013]優選地，所述壓電半導體層的厚度遠小於(例如，五十分之一甚至更小)所述基底厚度。
[0014]優選地，所述壓電半導體層可位於所述基底的中間部位。
[0015]優選地，所述第一電極和所述第二電極可位於所述壓電半導體層的兩端。
[0016]優選地，如果構成所述壓電半導體層的半導體材料是氧化鋅，則構成所述第一電極和/或所述第二電極的金屬是Ag、Au、Pt和Pd中的任意一者。
[0017]優選地，所述第一電極和所述第二電極可以以電子束蒸發的方式製備在所述壓電半導體層的上表面
[0018]優選地，所述測量電路可包括電源和電流測量裝置，所述電源提供不會擊穿所述壓電半導體層的直流電源。
[0019]通過上述技術方案，基底在不同溫度下發生形變從而使壓電半導體層中引入應力，由此產生的壓電電勢將影響電極和壓電半導體層間的肖特基勢壘高度，從而影響測量電路中的電流強度。根據該電流強度的變化，可精確地得到溫度的變化，從而實現具有更高精度的壓電溫度傳感器。
[0020]本發明的其他特徵和優點將在隨後的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的【具體實施方式】一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0022]圖1是根據本發明的優選實施方式的壓電溫度傳感器的結構示意圖；
[0023]圖2是根據本發明的優選實施方式的壓電溫度傳感器在不同溫度下的電流響應(左縱軸)和電流的變化率(右縱軸)的示意圖；以及
[0024]圖3示出了根據本發明的優選實施方式的壓電溫度傳感器和傳統PT100溫度傳感器的靈敏度對比。
【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。在本發明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如「上、下」通常是指參照附圖的方向。
[0026]本發明公開一種壓電溫度傳感器，該壓電溫度傳感器可包括:基底，所述基底會受溫度變化的影響而產生形變；壓電半導體層，由具有壓電效應的半導體材料構成，並且以絕緣的方式固定在所述基底的一側；第一電極和第二電極，固定於所述壓電半導體層上，並與所述壓電半導體層形成肖特基接觸；以及測量電路，所述測量電路的兩端分別電連接至所述第一電極和所述第二電極。
[0027]本發明將壓電效應、半導體效應和可隨溫度變化產生形變的基底的溫度效應相結合，利用基底在溫度變化時產生形變，形變將應力轉移到基底上的壓電半導體層中使其內部產生壓電電勢，壓電電勢的存在將影響金半(金屬和半導體，此處為壓電半導體層和電極)接觸面的肖特基勢壘高度，從而調控壓電半導體層中的載流子的輸運特性。綜合以上所述，本發明的基本原理是通過壓電半導體和可隨溫度形變的基底的耦合作用，將溫度變化轉化為輸出的電信號的變化，從而實現溫度傳感。
[0028]圖1是根據本發明的優選實施方式的壓電溫度傳感器的結構示意圖。本實施方式中基底I為雙金屬片，該雙金屬片可以從市場上常見的幾種規格中選擇，只要滿足隨著溫度變化該雙金屬片有比較明顯的形變即可，其厚度範圍可在0.0lmm?Imm之間，其中高低膨脹層(即兩個金屬層)的成分和配比可以變化。本實施例中的雙金屬片I包括位於下層的低膨脹層Ni36Fe64(即一個金屬層)和位於上層的高膨脹層Mn75Ni15Cu1Q(即另一金屬層)，當然，也可以高膨脹層在下而低膨脹層在上。本實施方式中雙金屬片I的大小為5.5cm*1.0cm,厚度為120um (微米)。
[0029]壓電半導體層2可以由任意具有壓電效應的半導體材料構成，並且被以絕緣的方式(例如，通過絕緣膠粘連)固定在所述基底的一側。可選擇的具有壓電效應的半導體材料包括氧化鋅ZnO、氮化鎵GaN、硫化鋅ZnS和錫化鎘CdSe等。本實施方式中，壓電半導體層2為氧化鋅構成的納米線薄膜。此處，納米線薄膜指納米線以非常緊密的方式排布在一起而形成的類似薄膜的形態。本實施方式中的納米線薄膜2的大小為2cm*0.5cm,厚度為2 μ m。壓電半導體層2的厚度應該遠遠小於(五十分之一甚至更小)基底I的厚度，以使薄膜受到儘可能大的垂直於雙金屬片的應力。由於直接生長在雙金屬片I上的納米線薄膜會存在殘餘應力，易導致薄膜破裂，所以優選地，可先在有機襯底(例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底、聚醯亞胺(Kapton)基底)上製備(例如，以水熱法生長的方式)納米線薄膜，然後將該納米線薄膜轉移到基底I的一側並以絕緣的方式(例如，通過絕緣膠粘連)固定。優選地，可採用六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度各為120mmol/L的溶液，在90°C下生長5個小時的方法，合成氧化鋅納米線薄膜。優選地，可將壓電半導體層2置於基底I的中間位置，以更好地感應基底I的形變。要注意的是，由於壓電半導體層2的壓電效應具有很強的方向性，應該使得壓電半導體層2的壓電極化方向垂直於壓電半導體層2所在的平面。
[0030]可將第一電極31和第二電極32固定(例如，通過電子束蒸發的製備方式)於壓電半導體層2的上表面。構成電極31和32的材料可以是能夠與壓電半導體層2間形成肖特基接觸的任意金屬。比如，如果壓電半導體層2由氧化鋅構成，則構成電極31和32的材料可從銀Ag、金Au、鉬Pt和鈀Pd等金屬中選擇。第一電極31和第二電極32可以是相同或者不同的電極。本實施方式中，電極31和32是Ag電極。電極31和32的厚度大約在納米量級。電極31和32的位置無特殊規定，優選地，其可分別被置於壓電半導體層2在形變時其曲率變化較大的位置，例如壓電半導體層2的兩端。本實施方式中，兩個電極31和32間的距離為0.5cm。
[0031]本實施方式中的測量電路4可包括導線和串聯的電源41和電流測量裝置42。測量電路4的兩端分別電連接至所述第一電極31和所述第二電極32。電源41提供的電壓不能超過壓電半導體層2的擊穿電壓。本實施方式中，電源41是不超過30V的直流電壓。可在一定電壓下，讀取電流測量裝置42測得的電流值，以表徵溫度。除本實施方式中採用的結構外，測量電路4也可採用本領域技術人員了解的可實現供電和電信號測量的其他形式的測量電路。
[0032]根據本發明的另一實施方式，其中壓電半導體層2可以是通過CVD法(化學氣相沉積)製備的單根納米線，可用高純度的銀漿將單根納米線固定在襯底上。該單根納米線的長度為微米級，其直徑接近微米級。
[0033]根據本發明的第三實施方式，其中壓電半導體層2可以是厚度為納米量級的納米薄膜，該納米薄膜可以通過磁控濺射法、金屬氣相沉積法等方法製備。
[0034]以圖1所示的發明的第一實施方式為例，當溫度升高時，雙金屬片I向下(背離壓電半導體層2的一側)彎曲的曲率變大，壓電半導體層2所受應力增加，壓電半導體層2的上表面的負壓電電勢增加，從而使電極31和32與壓電半導體層2的金半(金屬和半導體)接觸面的肖特基勢壘增大，因此使得電流測量裝置42測得的電流減小。反之，當溫度降低時，雙金屬片I向下彎曲的曲率變小，壓電半導體層2所受應力減小，壓電半導體層2的上表面負的壓電電勢減小，從而使肖特基勢壘減小，因此使得電流測量裝置42測得的電流增大。
[0035]圖2是如圖1所示的壓電溫度傳感器在不同溫度下的電流響應和電流的變化率的示意圖，其中測試用的電源電壓為6V。圖2中的橫軸表示了從0°C~120°C的溫度範圍，左縱軸表示在6V電壓下的電流響應的強度，單位是微安(uA)，右縱軸表示電流變化率。電流變化率以每相差10°C的兩個溫度下的電流的變化量來衡量，表示為I (I (τ+Κω-Ιτ)/Ιτ|，其中It表示溫度為T (單位。C )時的電流強度。
[0036]圖3示出了如圖1所示的壓電溫度傳感器(電源電壓為6V)和傳統ΡΤ100熱電阻溫度傳感器的靈敏度對比。其中靈敏度S=|IT-1ltrc |/Ilcrc/ (T-1O0C)0可看出，在20°C~110°c的溫度範圍內，根據本發明的優選實施方式的壓電溫度傳感器的靈敏度明顯高於傳統PT100溫度傳感器，特別地，在30°C附近，壓電溫度傳感器的靈敏度是PT100溫度傳感器的8.6倍多。
[0037]以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。
[0038]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0039]此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
【權利要求】
1.一種壓電溫度傳感器，該壓電溫度傳感器包括: 基底(I)，所述基底(I)會受溫度變化的影響而產生形變； 壓電半導體層(2)，由具有壓電效應的半導體材料構成，並且以絕緣的方式固定在所述基底(I)的一側； 第一電極(31)和第二電極(32)，固定於所述壓電半導體層(2)的上表面，並與所述壓電半導體層(2)形成肖特基接觸；以及 測量電路(4)，所述測量電路(4)的兩端分別電連接至所述第一電極(31)和所述第二電極(32)。
2.根據權利要求1所述的壓電溫度傳感器，其中所述基底(I)是在不同溫度下形變量不同的兩個金屬層構成的雙金屬片。
3.根據權利要求2所述的壓電溫度傳感器，其中所述雙金屬片的一個所述金屬層由Ni36Fe64構成,另一個所述金屬層由Mn75Ni15Cultl構成。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述具有壓電效應的半導體材料是ZnO、GaN, ZnS和CdSe中的任意一者。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述壓電半導體層(2)是單根納米線、納米線薄膜或者納米薄膜。
6.根據權利要求5所述的壓電溫度傳感器，其中在有機襯底上製備所述納米線薄膜，然後將所述納米線薄膜轉移到所述基底(I)的一側並以絕緣的方式固定在所述基底(I)上。
7.根據權利要求6所述的壓電溫度傳感器，其中採用水熱法生長的方式在所述有機襯底上製備所述納米線薄膜。
8.根據權利要求1-7中所述的壓電溫度傳感器，其中所述壓電半導體層(2)的壓電極化方向垂直於所述壓電半導體層(2 )所在的平面。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述壓電半導體層(2)的厚度小於所述基底(I)厚度的五十分之一。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述壓電半導體層(2)位於所述基底(I)的中間部位。
11.根據權利要求1-10中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述第一電極(31)和所述第二電極(32)位於所述壓電半導體層(2)的兩端。
12.根據權利要求1-11中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中構成所述壓電半導體層(2)的材料是氧化鋅，構成所述第一電極(31)和/或所述第二電極(32)的金屬是Ag、Au、Pt和Pd中的任意一者。
13.根據權利要求1-12中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述第一電極(31)和所述第二電極(32)以電子束蒸發的方式製備在所述壓電半導體層(2)的上表面。
14.根據權利要求1-13中任一項所述的壓電溫度傳感器，其中所述測量電路(4)包括電源(41)和電流測量裝置(42)，所述電源(41)提供不會擊穿所述壓電半導體層的直流電源。
【文檔編號】G01K7/00GK103900726SQ201410128576
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】薛飛, 張麗敏, 唐偉, 張弛, 杜偉明, 王中林 申請人:國家納米科學中心