压电温度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种压电温度传感器。该压电温度传感器可包括：基底，所述基底会受温度变化的影响而产生形变；压电半导体层，由具有压电效应的半导体材料构成，并且被以绝缘的方式固定在所述基底的一侧；第一电极和第二电极，固定于所述压电半导体层上，并与所述压电半导体层（2）形成肖特基接触；以及测量电路，所述测量电路的两端分别电连接至所述第一电极和所述第二电极。本发明通过压电半导体和可随温度变化发生形变的基底的耦合作用，将温度变化转化为输出的电信号的变化，从而可得到高精度的温度传感器。
【专利说明】压电温度传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及温度传感器领域，具体地，涉及一种压电温度传感器。
【背景技术】
[0002]温度传感器是温度测量仪表的核心部件。目前市场上的温度传感器种类繁多，如PTlOO热电阻(钼热电阻)的热电阻温度传感器曾因为测温精度高和性能稳定而被广泛使用，甚至被制成标准的基准仪。但随着科技进步，对测温精度提出了更高的要求，研究可实现更高测温精度的温度传感器势在必行。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种压电温度传感器，该压电温度传感器将压电效应和半导体效应相结合，与现有PT100热电阻温度传感器相比，能实现更高的测温精度。
[0004]为了实现上述目的，本发明提供一种压电温度传感器，该压电温度传感器可包括:基底，所述基底会受温度变化的影响而产生形变；压电半导体层，由具有压电效应的半导体材料构成，并且以绝缘的方式固定在所述基底的一侧；第一电极和第二电极，固定于所述压电半导体层的上表面，并与所述压电半导体层形成肖特基接触；以及测量电路，所述测量电路的两端分别电连接至所述第一电极和所述第二电极。
[0005]优选地，所述基底可以是在不同温度下形变量不同的两层金属层构成的双金属片。
[0006]优选地，所述双金属片的一个金属层可由Ni36Fe64构成，另一个金属层可由Mn75Ni15Cu10 构成。
[0007]优选地，所述具有压电效应的半导体材料可以是ZnO、GaN、ZnS和CdSe中的任意一者。
[0008]优选地，所述压电半导体层可以是单根纳米线、纳米线薄膜或者纳米薄膜。
[0009]优选地，可先在有机衬底上制备所述纳米线薄膜，然后将所述纳米线薄膜转移到基底的一侧并以绝缘的方式固定在所述基底上。
[0010]优选地，可采用水热法生长的方式在所述有机衬底上制备所述纳米线薄膜。
[0011]优选地，所述水热法可包括采用六水合硝酸锌和六亚甲基四胺的浓度各为120mmol/L的溶液,并且在90°C下生长5个小时，以合成由氧化锌构成的所述纳米线薄膜。
[0012]优选地，其中所述压电半导体层的压电极化方向垂直于所述压电半导体层所在的平面。
[0013]优选地，所述压电半导体层的厚度远小于(例如，五十分之一甚至更小)所述基底厚度。
[0014]优选地，所述压电半导体层可位于所述基底的中间部位。
[0015]优选地，所述第一电极和所述第二电极可位于所述压电半导体层的两端。
[0016]优选地，如果构成所述压电半导体层的半导体材料是氧化锌，则构成所述第一电极和/或所述第二电极的金属是Ag、Au、Pt和Pd中的任意一者。
[0017]优选地，所述第一电极和所述第二电极可以以电子束蒸发的方式制备在所述压电半导体层的上表面
[0018]优选地，所述测量电路可包括电源和电流测量装置，所述电源提供不会击穿所述压电半导体层的直流电源。
[0019]通过上述技术方案，基底在不同温度下发生形变从而使压电半导体层中引入应力，由此产生的压电电势将影响电极和压电半导体层间的肖特基势垒高度，从而影响测量电路中的电流强度。根据该电流强度的变化，可精确地得到温度的变化，从而实现具有更高精度的压电温度传感器。
[0020]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0022]图1是根据本发明的优选实施方式的压电温度传感器的结构示意图；
[0023]图2是根据本发明的优选实施方式的压电温度传感器在不同温度下的电流响应(左纵轴)和电流的变化率(右纵轴)的示意图；以及
[0024]图3示出了根据本发明的优选实施方式的压电温度传感器和传统PT100温度传感器的灵敏度对比。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指参照附图的方向。
[0026]本发明公开一种压电温度传感器，该压电温度传感器可包括:基底，所述基底会受温度变化的影响而产生形变；压电半导体层，由具有压电效应的半导体材料构成，并且以绝缘的方式固定在所述基底的一侧；第一电极和第二电极，固定于所述压电半导体层上，并与所述压电半导体层形成肖特基接触；以及测量电路，所述测量电路的两端分别电连接至所述第一电极和所述第二电极。
[0027]本发明将压电效应、半导体效应和可随温度变化产生形变的基底的温度效应相结合，利用基底在温度变化时产生形变，形变将应力转移到基底上的压电半导体层中使其内部产生压电电势，压电电势的存在将影响金半(金属和半导体，此处为压电半导体层和电极)接触面的肖特基势垒高度，从而调控压电半导体层中的载流子的输运特性。综合以上所述，本发明的基本原理是通过压电半导体和可随温度形变的基底的耦合作用，将温度变化转化为输出的电信号的变化，从而实现温度传感。
[0028]图1是根据本发明的优选实施方式的压电温度传感器的结构示意图。本实施方式中基底I为双金属片，该双金属片可以从市场上常见的几种规格中选择，只要满足随着温度变化该双金属片有比较明显的形变即可，其厚度范围可在0.0lmm?Imm之间，其中高低膨胀层(即两个金属层)的成分和配比可以变化。本实施例中的双金属片I包括位于下层的低膨胀层Ni36Fe64(即一个金属层)和位于上层的高膨胀层Mn75Ni15Cu1Q(即另一金属层)，当然，也可以高膨胀层在下而低膨胀层在上。本实施方式中双金属片I的大小为5.5cm*1.0cm,厚度为120um (微米)。
[0029]压电半导体层2可以由任意具有压电效应的半导体材料构成，并且被以绝缘的方式(例如，通过绝缘胶粘连)固定在所述基底的一侧。可选择的具有压电效应的半导体材料包括氧化锌ZnO、氮化镓GaN、硫化锌ZnS和锡化镉CdSe等。本实施方式中，压电半导体层2为氧化锌构成的纳米线薄膜。此处，纳米线薄膜指纳米线以非常紧密的方式排布在一起而形成的类似薄膜的形态。本实施方式中的纳米线薄膜2的大小为2cm*0.5cm,厚度为2 μ m。压电半导体层2的厚度应该远远小于(五十分之一甚至更小)基底I的厚度，以使薄膜受到尽可能大的垂直于双金属片的应力。由于直接生长在双金属片I上的纳米线薄膜会存在残余应力，易导致薄膜破裂，所以优选地，可先在有机衬底(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底、聚酰亚胺(Kapton)基底)上制备(例如，以水热法生长的方式)纳米线薄膜，然后将该纳米线薄膜转移到基底I的一侧并以绝缘的方式(例如，通过绝缘胶粘连)固定。优选地，可采用六水合硝酸锌和六亚甲基四胺的浓度各为120mmol/L的溶液，在90°C下生长5个小时的方法，合成氧化锌纳米线薄膜。优选地，可将压电半导体层2置于基底I的中间位置，以更好地感应基底I的形变。要注意的是，由于压电半导体层2的压电效应具有很强的方向性，应该使得压电半导体层2的压电极化方向垂直于压电半导体层2所在的平面。
[0030]可将第一电极31和第二电极32固定(例如，通过电子束蒸发的制备方式)于压电半导体层2的上表面。构成电极31和32的材料可以是能够与压电半导体层2间形成肖特基接触的任意金属。比如，如果压电半导体层2由氧化锌构成，则构成电极31和32的材料可从银Ag、金Au、钼Pt和钯Pd等金属中选择。第一电极31和第二电极32可以是相同或者不同的电极。本实施方式中，电极31和32是Ag电极。电极31和32的厚度大约在纳米量级。电极31和32的位置无特殊规定，优选地，其可分别被置于压电半导体层2在形变时其曲率变化较大的位置，例如压电半导体层2的两端。本实施方式中，两个电极31和32间的距离为0.5cm。
[0031]本实施方式中的测量电路4可包括导线和串联的电源41和电流测量装置42。测量电路4的两端分别电连接至所述第一电极31和所述第二电极32。电源41提供的电压不能超过压电半导体层2的击穿电压。本实施方式中，电源41是不超过30V的直流电压。可在一定电压下，读取电流测量装置42测得的电流值，以表征温度。除本实施方式中采用的结构外，测量电路4也可采用本领域技术人员了解的可实现供电和电信号测量的其他形式的测量电路。
[0032]根据本发明的另一实施方式，其中压电半导体层2可以是通过CVD法(化学气相沉积)制备的单根纳米线，可用高纯度的银浆将单根纳米线固定在衬底上。该单根纳米线的长度为微米级，其直径接近微米级。
[0033]根据本发明的第三实施方式，其中压电半导体层2可以是厚度为纳米量级的纳米薄膜，该纳米薄膜可以通过磁控溅射法、金属气相沉积法等方法制备。
[0034]以图1所示的发明的第一实施方式为例，当温度升高时，双金属片I向下(背离压电半导体层2的一侧)弯曲的曲率变大，压电半导体层2所受应力增加，压电半导体层2的上表面的负压电电势增加，从而使电极31和32与压电半导体层2的金半(金属和半导体)接触面的肖特基势垒增大，因此使得电流测量装置42测得的电流减小。反之，当温度降低时，双金属片I向下弯曲的曲率变小，压电半导体层2所受应力减小，压电半导体层2的上表面负的压电电势减小，从而使肖特基势垒减小，因此使得电流测量装置42测得的电流增大。
[0035]图2是如图1所示的压电温度传感器在不同温度下的电流响应和电流的变化率的示意图，其中测试用的电源电压为6V。图2中的横轴表示了从0°C~120°C的温度范围，左纵轴表示在6V电压下的电流响应的强度，单位是微安(uA)，右纵轴表示电流变化率。电流变化率以每相差10°C的两个温度下的电流的变化量来衡量，表示为I (I (τ+Κω-Ιτ)/Ιτ|，其中It表示温度为T (单位。C )时的电流强度。
[0036]图3示出了如图1所示的压电温度传感器(电源电压为6V)和传统ΡΤ100热电阻温度传感器的灵敏度对比。其中灵敏度S=|IT-1ltrc |/Ilcrc/ (T-1O0C)0可看出，在20°C~110°c的温度范围内，根据本发明的优选实施方式的压电温度传感器的灵敏度明显高于传统PT100温度传感器，特别地，在30°C附近，压电温度传感器的灵敏度是PT100温度传感器的8.6倍多。
[0037]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0038]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0039]此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【权利要求】
1.一种压电温度传感器，该压电温度传感器包括: 基底(I)，所述基底(I)会受温度变化的影响而产生形变； 压电半导体层(2)，由具有压电效应的半导体材料构成，并且以绝缘的方式固定在所述基底(I)的一侧； 第一电极(31)和第二电极(32)，固定于所述压电半导体层(2)的上表面，并与所述压电半导体层(2)形成肖特基接触；以及 测量电路(4)，所述测量电路(4)的两端分别电连接至所述第一电极(31)和所述第二电极(32)。
2.根据权利要求1所述的压电温度传感器，其中所述基底(I)是在不同温度下形变量不同的两个金属层构成的双金属片。
3.根据权利要求2所述的压电温度传感器，其中所述双金属片的一个所述金属层由Ni36Fe64构成,另一个所述金属层由Mn75Ni15Cultl构成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的压电温度传感器，其中所述具有压电效应的半导体材料是ZnO、GaN, ZnS和CdSe中的任意一者。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的压电温度传感器，其中所述压电半导体层(2)是单根纳米线、纳米线薄膜或者纳米薄膜。
6.根据权利要求5所述的压电温度传感器，其中在有机衬底上制备所述纳米线薄膜，然后将所述纳米线薄膜转移到所述基底(I)的一侧并以绝缘的方式固定在所述基底(I)上。
7.根据权利要求6所述的压电温度传感器，其中采用水热法生长的方式在所述有机衬底上制备所述纳米线薄膜。
8.根据权利要求1-7中所述的压电温度传感器，其中所述压电半导体层(2)的压电极化方向垂直于所述压电半导体层(2 )所在的平面。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的压电温度传感器，其中所述压电半导体层(2)的厚度小于所述基底(I)厚度的五十分之一。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的压电温度传感器，其中所述压电半导体层(2)位于所述基底(I)的中间部位。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的压电温度传感器，其中所述第一电极(31)和所述第二电极(32)位于所述压电半导体层(2)的两端。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的压电温度传感器，其中构成所述压电半导体层(2)的材料是氧化锌，构成所述第一电极(31)和/或所述第二电极(32)的金属是Ag、Au、Pt和Pd中的任意一者。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的压电温度传感器，其中所述第一电极(31)和所述第二电极(32)以电子束蒸发的方式制备在所述压电半导体层(2)的上表面。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的压电温度传感器，其中所述测量电路(4)包括电源(41)和电流测量装置(42)，所述电源(41)提供不会击穿所述压电半导体层的直流电源。
【文档编号】G01K7/00GK103900726SQ201410128576
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】薛飞, 张丽敏, 唐伟, 张弛, 杜伟明, 王中林 申请人:国家纳米科学中心