具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(f元件)的製作方法

2023-07-31 20:23:26

專利名稱：具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(f元件)的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度敏感元件，其具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度敏感特性。
溫度是非常重要的物理參量之一，在很多場合都需要進行溫度的測量和控制。現在，有很多類型的溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻(NTCR和PTCR)、紅外器件等。然而，這些傳感器均為模擬量輸出，在工業控制和智能系統等的應用中需經過放大和A/D轉換。這增加了應用的成本，而且帶來不便。本發明設計研製出一種新型元件作為溫度傳感器。它具有模擬量、開關量和頻率輸出的特點。這種元件作為模擬量輸出和開關量的器件時，溫度係數非常高。這對某些特殊場合的應用有獨到的優勢，如作為火災報警傳感器可省去鎖定，而復位僅需按一下電源開關即可，無需專門電路。另外，由於具有頻率輸出的優點，因而在需要數位訊號的場合，可省去放大和A/D轉換。前蘇聯V.ZOTOV教授發明的Z元件也具有類似的性能，但本發明的F元件和Z元件有本質區別。一、製作方法不同，Z元件需擴金等深能級雜質。F元件無需深能級雜質。二、頻率輸出的波形不同，F元件形狀規則易於整形，而Z元件波形複雜不利於應用。因此，不能將F元件和Z元件等同。
本發明的目的在於提供了具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度敏感的傳感器(F元件)，F元件相對於其它元件的優點在於結構和製備工藝簡單，成本低，可模擬量、開關量和頻率輸出，應用方便，抗幹擾能力強，適合於長距離傳輸。
本發明所述一種具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件)，該傳感器(F元件)是用單面拋光的N型矽片製作，矽片電阻率在40-200Ωcm之間，其工藝流程為氧化、光刻、硼預澱積，硼再分布和氧化，光刻磷預定積，再分布和氧化，刻引線孔，蒸鋁，反刻鋁，鋁合金化，背面鍍鎳，劃片、粘片、焊線、封裝即可。在單面拋光的N型矽片拋光面上製作一個PN結，PN結採用硼擴散。在PN結的P型同側的N區作一個電極且與PN結的P區相連接，作為兩端器件的正極，另一側面作為負極。伏安曲線具有閾值電壓和負阻狀態的維持電壓，同時隨著元件電流的增大伏安曲線包括三個區間正阻的高電阻區、負阻區和正阻的低電阻區。輸出頻率對溫度敏感的的兩端器件是用一電容與此負阻器件並聯的組合器件，其電容為1納法到1000納法之間的表面安裝電容。
本發明所述的F元件的應用方法對於模擬量和開關量元件，利用伏安特性上閾值電壓VP前的F元件的電阻隨溫度的變化、和負阻後的電流急劇上升段的電流隨溫度的變化可作模擬量輸出測量。由於VP隨溫度的增加而減小，因此可通過設置工作電壓，將F元件作為溫度開關量輸出元件，實現對溫度的控制和測量。本專利製作的F元件閾值電壓VP的溫度係數依據結構設計可達幾十毫伏到數百毫伏每度，它實質上來源於PN結結電壓和元件的體電阻隨溫度的變化並經元件自身放大所致。頻率輸出的F元件在適當的工作電壓和限流電阻下，可在限流電阻或F元件上輸出脈衝信號，其頻率對溫度的變化具有較高的線性。脈衝輸出的溫度係數可達幾十Hz到幾千Hz每度，工作溫度在-40℃到80℃之間。
參見附1為本發明具有負阻伏安特性晶片的結構示意圖2為本發明中負阻伏安特性曲線；圖3為本發明中實施例1頻率輸出F元件的脈衝波形；圖4為本發明中實施例1頻率輸出F元件的頻率隨溫度的變化。
本發明是具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度敏感的F元件的設計製造方法。眾所周知，PN結的正向壓降受溫度的影響，可用於溫度的測量，但其靈敏度低。本發明可通過適當的結構用單一的PN結，獲得較高溫度係數的兩端輸出的負阻器件(模擬量、開關量輸出的F元件)，其閾值電壓有較高的溫度係數。模擬量、開關量輸出的F元件的閾值電壓及其溫度係數可通過元件的結構設計進行調整。在模擬量、開關量輸出的F元件上並聯電容即可產生頻率輸出，將並聯電容後的兩端器件稱為頻率輸出的F元件。由於其輸出頻率同閾值電壓密切相關，而且閾值電壓對溫度敏感，因此頻率輸出的F元件脈衝頻率對溫度敏感。
實施例1用厚度為430微米、電阻率為80Ωcm左右的N型矽片，經氧化、光刻、硼預澱積、硼再分布和氧化、光刻、磷預澱積、磷再分布和氧化、刻引線孔、蒸鋁1、反刻鋁、鋁合金化、背面鍍鎳、劃片，獲得負阻器件的晶片，晶片尺寸為0.8×0.8毫米。將此晶片經粘片、焊線、塑料封裝等工藝獲得模擬量和開關量的F元件。其閾值電壓VP的溫度係數為約65毫伏每度。粘接100納法表面安裝電容和此晶片並聯，經粘片、焊線、塑料封裝等工藝，獲得頻率輸出的F元件。其頻率溫度係數約135Hz每度。
實施例2用厚度為430微米、電阻率為80Ωcm左右的N型矽片，經氧化、光刻、硼預澱積、硼再分布和氧化、光刻、磷預澱積、磷再分布和氧化、刻引線孔、蒸鋁、反刻鋁、鋁合金化、背面鍍鎳、劃片，獲得負阻器件的晶片，晶片尺寸為0.8×0.8毫米。將此晶片經粘片、焊線、塑料封裝等工藝獲得模擬量和開關量的F元件。其閾值電壓VP的溫度係數為約65毫伏每度。粘接1納法表面安裝電容和此晶片並聯，經粘片、焊線、塑料封裝等工藝，獲得頻率輸出的F元件。其頻率溫度係數約5000Hz每度。
實施例3用厚度為430微米、電阻率為80Ωcm左右的N型矽片，經氧化、光刻、硼預澱積、硼再分布和氧化、光刻、磷預澱積、磷再分布和氧化、刻引線孔、蒸鋁、反刻鋁、鋁合金化、背面鍍鎳、劃片，獲得負阻器件的晶片，晶片尺寸為0.8×0.8毫米。將此晶片經粘片、焊線、塑料封裝等工藝獲得模擬量和開關量的F元件。其閾值電壓VP的溫度係數為約65毫伏每度。粘接1000納法表面安裝電容和此晶片並聯，經粘片、焊線、塑料封裝等工藝，獲得頻率輸出的F元件。其頻率溫度係數約30Hz每度。
實施例4用厚度為430微米、電阻率為40Ωcm左右的N型矽片，經氧化、光刻、硼預澱積、硼再分布和氧化、光刻、磷預澱積、磷再分布和氧化、刻引線孔、蒸鋁、反刻鋁、鋁合金化、背面鍍鎳、劃片，獲得負阻器件的晶片，晶片尺寸為0.8×0.8毫米。將此晶片經粘片、焊線、塑料封裝等工藝獲得模擬量和開關量的F元件。其閾值電壓VP的溫度係數為約30毫伏每度。粘接100納法表面安裝電容和此晶片並聯，經粘片、焊線、塑料封裝等工藝，獲得頻率輸出的F元件。其頻率溫度係數約40Hz每度。
實施例5用厚度為430微米、電阻率為200Ωcm左右的N型矽片，經氧化、光刻、硼預澱積、硼再分布和氧化、光刻、磷預澱積、磷再分布和氧化、刻引線孔、蒸鋁、反刻鋁、鋁合金化、背面鍍鎳、劃片，獲得負阻器件的晶片，晶片尺寸為0.8×0.8毫米。將此晶片經粘片、焊線、塑料封裝等工藝獲得模擬量和開關量的F元件。其閾值電壓VP的溫度係數為約20毫伏每度。粘接100納法表面安裝電容和此晶片並聯，經粘片、焊線、塑料封裝等工藝，獲得頻率輸出的F元件。其頻率溫度係數約150Hz每度。
權利要求
1.一種具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件)，其特徵在於，該傳感器(F元件)是用單面拋光的N型矽片製作，矽片電阻率在40-200Ωcm之間，其工藝流程為氧化、光刻、硼預澱積，硼再分布和氧化，光刻，磷預澱積，再分布和氧化，刻引線孔，蒸鋁，反刻鋁，鋁合金化，背面鍍鎳，劃片、粘片、焊線、封裝即可。
2.根據權利要求1所述的具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件)，其特徵在於，在單面拋光的N型矽片拋光面上製作一個PN結，PN結採用硼擴散。
3.根據權利要求1所述的具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件)，其特徵在於，在PN結的P型同側的N區作一個電極且與PN結的P區相連接，作為兩端器件的正極，另一側面鍍鎳作為負極。
4.根據權利要求1所述的具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件)，其特徵在於，伏安曲線具有閾值電壓和負阻狀態的維持電壓，同時隨著元件電流的增大伏安曲線包括三個區間正阻的高電阻區、負阻區和正阻的低電阻區。
5.權利要求1所述的具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件)，其特徵在於其輸出頻率對溫度敏感的的兩端器件是用一電容與此負阻器件並聯的組合器件，其電容為1納法到1000納法之間的表面安裝電容。
全文摘要
本發明涉及一種具有模擬量、開關量和頻率輸出的溫度傳感器(F元件),該元件是用單面拋光的N型Si片製作,SI片電阻率在40到200Ωcm之間,其流程包括:氧化、光刻、硼預澱積、硼再分布和氧化、光刻、磷預澱積、磷再分布和氧化、刻引線孔、蒸鋁、反刻鋁、鋁合金化、背面鍍鎳、劃片、粘片、焊線、封裝等。該元件製作工藝簡單,成本低,應用方便,抗幹擾能力強,適合於長距離傳輸。
文檔編號H01L45/00GK1255753SQ9812428
公開日2000年6月7日 申請日期1998年11月28日 優先權日1998年11月28日
發明者宋世庚, 陶明德, 吳關炎, 叢秀雲 申請人:中國科學院新疆物理研究所