一种半导体磁场传感器及其操作方法与流程

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种通过颜色显示磁场的半导体磁场传感器及其操作方法。

背景技术：

磁场传感器是具有将自然界或人类社会中存在的各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的器件。半导体磁场传感器是磁场传感器的一种重要类型，具有结构和制备工艺简单、成本低、一致性好以及易于接口电路集成等优点。半导体磁场传感器主要包括二极管和晶体管两种形式，相比也前者，基于晶体管的半导体磁场传感器(或称为磁敏三极管、磁敏晶体管)具有灵敏度、操作方式灵活多样等优点，因此，是当前的研究热点之一。

其中，磁敏三极管与普通双极性晶体管类似，具有3个端子(分别为发射极、基极和集电极)，在外加磁场作用下，它的集电极电流以及基极电流会随着磁场的方向以及强度发生变化，从而实现将磁场转换为电信号。为了最终实现磁场的测量，该传感器还需进一步使用接口电路进行电信号的检测和显示(或读出)。

然而，接口电路的使用一方面有助于提高传感器的测量精度；但另一方面，却也增加了传感器的设计与制备的难度和成本，并且还增加了传感器的体积和功耗，对于一些对传感器成本和功耗有严格要求而对其精度无高要求的领域(如消费类电子产品)，上述方案越来越难以满足技术发展的需求。

因此，如何在不增加传感器成本与功耗的前提下直接、快速的获得当前环境的磁场信息是急需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种半导体磁场显示器及其操作方法，通过磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示磁场信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接、快速的获得当前环境的磁场信息。

为了实现上述技术目的，一方面本发明实施例采用如下技术方案：

一种半导体磁场传感器，半导体磁场传感器包括：磁敏三级管与电致变色单元，磁敏三极管包括发射极与集电极，发射极与电源线相连，集电极与第一开关的一端相邻，第一开关的另一端分别与电致变色单元的第一电极和第二开关的一端相连，第二开关的另一端与电源的一端相连，电源的另一端与电致变色单元的第二电极分别与地线相连，磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示磁场信息。

进一步的，电致变色单元包括自下而上依次设置在基底上的第一电极、离子存储层、电解质层、电致变色层、第二电极。

进一步的，电致变色层的厚度为50-500nm；电致变色层的材料为wo3、v2o5、nio、聚苯胺或聚噻吩中的任意一种。。

进一步的，第一电极为对电极且第二电极为工作电极；或第一电极为工作电极且第二电极为对电极。

进一步的，第一开关与第二开关的工作状态相反。

为了实现上述技术目的，另一方面本发明实施例还采用如下技术方案：

一种半导体磁场传感器的操作方法，采用如上的半导体磁场传感器，通过电致变色单元中电致变色层的颜色变化显示磁场信息，包括如下步骤：

s11、重置阶段，断开第一开关的同时闭合第二开关，在电源的作用下电致变色单元的电致变色层在第一预设时间内发生反应，电致变色层的颜色重置到初始状态；

s12、显示阶段，断开第二开关的同时闭合第一开关，磁敏三极管接收磁场信息后导致发射极与集电极之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层发生反应，电致变色层的颜色从初始状态变化到显示状态，电致变色层的显示状态显示当前磁场信息。

进一步的，步骤s11还包括：重置阶段的第一预设时间不小于电致变色层的颜色完全恢复到初始状态所需的时间。

进一步的，步骤s12还包括：显示阶段的第二预设时间不小于电致变色层的颜色维持在显示状态所需的时间。

进一步的，第一预设时间与第二预设时间为1s-100s。

相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明提出了一种半导体磁场传感器及其操作方法，该半导体磁场传感器包括：磁敏三级管与电致变色单元，磁敏三极管包括发射极与集电极，发射极与电源线相连，集电极与第一开关的一端相邻，第一开关的另一端分别与电致变色单元的第一电极和第二开关的一端相连，第二开关的另一端与电源的一端相连，电源的另一端与电致变色单元的第二电极分别与地线相连，磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示磁场信息。上述半导体磁场传感器通过磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示磁场信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的磁场信息，具有结构简单、成本低、体积小、功耗低、操作简单、使用方便等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种半导体磁场传感器的示意图；

图2为本发明实施例提出的一种半导体磁场传感器的电致变色单元的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提出的一种半导体磁场传感器的操作方法的流程图；

图4为本发明实施例提出的又一种半导体磁场传感器的操作方法的流程图；

其中：1、磁敏三级管；11、发射极；12、集电极；2、第一开关；3、电致变色单元；31、第一电极；32、离子存储层；33、电解质层；34、电致变色层；35、第二电极；4、第二开关；5、电源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本发明实施例提出了一种半导体磁场传感器，其包括：磁敏三级管1与电致变色单元3，磁敏三极管1包括发射极11与集电极12，发射极11与电源线相连，集电极12与第一开关2的一端相邻，第一开关2的另一端分别与电致变色单元3的第一电极31和第二开关4的一端相连，第二开关4的另一端与电源5的一端相连，电源5的另一端与电致变色单元3的第二电极35分别与地线相连，磁敏三极管1将磁场信息转化为电信号，电致变色单元3接收电信号并通过颜色变化显示磁场信息。

其中，磁敏三极管1包括发射极11与集电极12，发射极11与电源线vdd相连，集电极12与第一开关2的一端相连，第二开关2通过电致变色单元3与地线gnd相连，从而实现在显示阶段使磁敏三极管处于导通状态。在外加磁场作用下，磁敏三极管1的集电极电流以及基极电流会随着磁场的方向以及强度的改变而发生变化，进而输出相应电信号，从而实现将磁场信息转换为电信号。

优选的，磁敏三极管1为pnp型或者npn型，在此不做具体限定。

第一开关2的一端与集电极12相连，另一端分别与电致变色单元3的第一电极31和第二开关4的一端相连；第二开关4的另一端与电源5的一端相连。

第一开关2与第二开关4的工作状态相反，即当前者为断开或闭合时，后者为闭合或断开。具体的，第一开关2断开时，第二开关4闭合；或者，第一开关2闭合时，第二开关4断开。

第一开关2与第二开关4为无极性开关。

电致变色单元3接收电信号并通过在该电信号的驱动下发生氧化还原反应而产生对光谱吸收能带的变化，进而改变自身颜色(如从透明到非透明，或者从非透明到透明)，通过颜色变化来显示磁场信息。

电源5为恒定电压源或恒定电流源，以为电致变色单元提供恒定电压使电致变色层发生氧化(或还原)反应，使得电致变色层的颜色恢复初始状态。

上述半导体磁场传感器通过磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示磁场信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的磁场信息，具有设计和制备简单、成本低、体积小、功耗低等优点。

优选的，如图2所示，电致变色单元3包括自下而上依次设置的第一电极31、离子存储层32、电解质层33、电致变色层34、第二电极35。电致变色单元3接收电信号并通过在该电信号的驱动下发生氧化还原反应而产生对光谱吸收能带的变化，进而改变自身颜色(如从透明到非透明，或者从非透明到透明)，通过颜色变化来显示磁场信息。

优选的，电致变色层34的厚度为50nm-500nm，如果电致变色层34的厚度太薄，则颜色变化不显著，导致肉眼难以分辨颜色变化；如果电致变色层34的厚度太厚，则颜色变化或响应的时间过长，导致本发明的传感器难以在实际中应用电致变色层34的材料包括wo3、v2o5、nio、聚苯胺或聚噻吩中的任意一种。

优选的，第一电极31为对电极且第二电极35为工作电极；或第一电极31为工作电极且第二电极35为对电极。

优选的，第二电极35为透明电极，其设置在靠近人眼观察的一侧，以便于人眼直接快速的观察到颜色变化。具体的透明电极包括氧化铟锡(ito)、掺铝氧化锌(azo)、掺氟氧化锡(fto)中的任意一种。

另一方面，如图3所示，本发明实施例提出了一种半导体磁场传感器的操作方法，采用如上所述任意一种的半导体磁场传感器，通过电致变色单元3中电致变色层34的颜色变化显示磁场信息，具体包括如下步骤：

s11、重置阶段，断开第一开关2的同时闭合第二开关4，在电源5的作用下电致变色单元3的电致变色层34在第一预设时间内发生反应，电致变色层34的颜色重置到初始状态；

具体的，在电源5的作用下，电致变色单元3中的电致变色层34发生还原(或氧化)反应，并导致电致变色层34褪色(或着色)，电致变色层34的颜色被重置到初始状态。

s12、显示阶段，断开第二开关4的同时闭合第一开关2，磁敏三极管1接收磁场信息后导致发射极11与集电极12之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元3接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层34发生反应，电致变色层34的颜色从初始状态变化到显示状态，电致变色层34的显示状态显示当前磁场信息。

具体的，在外加磁场作用下，磁敏三极管1的集电极电流以及基极电流会随着磁场的方向以及强度的改变而发生变化，进而输出相应电信号，电致变色单元3在电信号的作用下发生氧化(或还原)反应，并引起电致变色层34发生着色(或褪色)，从而导致电致变色层34的颜色改变。其中磁场的方向与强度不同导致会磁敏三极管1的集电极电流的大小也不同，相应地，电致变色层34颜色变化的程度也不同，因此，可以根据电致变色层的颜色指示当前环境的磁场信息。

上述半导体磁场传感器的操作方法，通过磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示磁场信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的磁场信息，具有设计和制备简单、成本低、体积小、功耗低等优点。

优选的，如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明提出的另一实施例中半导体磁场传感器的操作方法，包括如下步骤：

s21、重置阶段，断开第一开关2的同时闭合第二开关4，在电源5的作用下电致变色单元3的电致变色层34在第一预设时间内发生反应，电致变色层34的颜色重置到初始状态，第一预设时间不小于电致变色层34的颜色完全恢复到初始状态所需的时间；

具体的，该阶段持续的时间不小于电致变色层34的颜色完全恢复到初始状态所需的时间。第一预设时间具体时间取决于电致变色单元所使用的材料和结构。例如，对于相同的电致变色层材料，电致变色层的厚度越薄，则颜色变化越快，相应的第一预设时间也越短；对于相同厚度的电致变色层，有机电致变色层材料(如聚苯胺)通常比无机电致变色层材料(如wo3)的颜色变化快，相应的第一预设时间也越短。

优选的，第一预设时间为1s-100s。对于wo3、v2o5、nio、聚苯胺、聚噻吩等电致变色层材料，当其厚度在50nm–500nm时典型的颜色变化时间为1s-100s。这样既可保证电致变色层的颜色变化肉眼可以分辨，又使得颜色变化所需时间在合理范围，满足实际应用需求。

s22、显示阶段，断开第二开关4的同时闭合第一开关2，磁敏三极管1接收磁场信息后导致发射极11与集电极12之间的电流发生变化并输出相应电信号，电致变色单元3接收电信号并在第二预设时间内使电致变色层34发生反应，电致变色层34的颜色从初始状态变化到显示状态，电致变色层34的显示状态显示当前磁场信息，第二预设时间不小于电致变色层34的颜色维持在显示状态所需的时间。

具体的，该阶段持续的时间应不小于电致变色层34反应达到饱和所需的时间，以确保电致变色层34的颜色在特定磁场作用下不再发生改变。第二预设时间具体时间取决于电致变色单元所使用的材料和结构。例如，对于相同的电致变色层材料，电致变色层的厚度越薄，则颜色变化越快，相应的第二预设时间也越短；对于相同厚度的电致变色层，有机电致变色层材料(如聚苯胺)通常比无机电致变色层材料(如wo3)的颜色变化快，相应的第二预设时间也越短。

优选的，第二预设时间为1s-100s，这样设置的理由为：对于wo3、v2o5、nio、聚苯胺、聚噻吩等电致变色层材料，当其厚度在50nm–500nm时典型的颜色变化时间为1s-100s。这样既可保证电致变色层的颜色变化肉眼可以分辨，又使得颜色变化所需时间在合理范围，满足实际应用需求。

综上，本发明提出了一种半导体磁场传感器及其操作方法，该半导体磁场传感器包括：磁敏三级管与电致变色单元，磁敏三极管包括发射极与集电极，发射极与电源线相连，集电极与第一开关的一端相邻，第一开关的另一端分别与电致变色单元的第一电极和第二开关的一端相连，第二开关的另一端与电源的一端相连，电源的另一端与电致变色单元的第二电极分别与地线相连，磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化显示磁场信息。上述半导体磁场显示器，通过磁敏三极管将磁场信息转化为电信号，电致变色单元接收电信号并通过颜色变化来显示磁场信息，从而无需额外增加复杂的接口电路，通过人眼即可直接快速获得当前环境的磁场信息，具有结构简单、成本低、体积小、功耗低、操作简单、使用方便等优点。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。