一种自供电数字温度计的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种自供电数字温度计，所述温度计包括温度感应芯片、模数转换芯片和LED；其中温度感应芯片包括单晶硅半导体结型器件、放射性同位素源和辅助部件；单晶硅半导体结型器件由N型层、P型层依次排布形成PN结型器件，在N型层、P型层之间设置i型层形成PiN结型器件。在P型层表面加载有放射源Ni-63；辅助部件包括在P型层表面制作的环状金属正电极，在N型层外表面制作的覆盖整个表面的金属负电极；连接正电极和模数转换芯片的正引线，连接负电极和模数转换芯片的负引线；填充在放射源和PN结型器件与外封装层之间的空隙中的内封装层，及其外包覆的外封装层；正引线和负引线穿过内封装层和外封装层，与模数转换模块和LED连接。
【专利说明】一种自供电数字温度计
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于温度测量装置【技术领域】，具体涉及一种自供电数字温度计。
【背景技术】
[0002]温度是表征物体冷热程度的物理量，它是在工业、农业、军事及科研等各个方面都非常重要的基础参数。温度是最难于准确测量的基本物理量之一，它不能像长度、质量、时间等物理量那样可直接测量，但物质的很多物理特性都与温度有密切关系，如尺寸、电导率、热电势、辐射功率以及其它很多内在特性都随着温度的不同而改变，所以可通过物质随温度变化的某些特性来间接测量温度。目前已经利用这些特性开发出一些温度传感器，包括热电偶、热敏电阻、钼电阻(RTD)以及集成电路(IC)等(杜会敏等，采用集成温度传感器的数字温度计设计，武汉理工大学学报，2010，32 (6)，P904)。这些温度传感器各有特点，如热电偶传感器具有宽温度范围并适合各种气氛环境，但其物理特性与温度变化不成线性关系且改变值很小不易测量；热敏电阻传感器测试快速灵敏，但是其物理特性与温度变化的线性关系很差，在高热环境会造成永久损坏；钼电阻传感器测量结果准确性能稳定，其物理特性与温度变化的线性关系好于热电偶和热敏电阻，但是测量速度较慢。集成电路传感器是利用半导体材料性能随温度变化的内在固有特性，其物理特性与温度变化的线性关系很好，但是需要外供电源必须嵌入电路中。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种自供电数字温度计，将半导体材料(如单晶硅)制作成特殊的结型器件，加载发射含能射线粒子的放射性同位素，可以形成对外输出电流的温度感应芯片，结合模数转换芯片和LED显示，可以制作一种自供电数字温度计。利用半导体材料性能随温度变化的内在固有特性，将其制成可将放射性射线粒子能量转化为电信号的器件，加载可提供带能射线粒子的放射性同位素形成温度感应芯片，结合模数转换芯片和LED显示，制作一种新型的自供电数字温度计。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:自供电数字温度计含有温度感应芯片、模数转换芯片和LED显示，其中温度感应芯片包括单晶硅半导体结型器件、放射性同位素源和辅助部件。单晶硅半导体结型器件是利用单晶硅材料制作的PN或PiN结型器件，放射性同位素源是以一定的化学物理形式制成的N1-63放射源，辅助部件包括器件电极、弓丨线以及芯片封装结构。单晶硅半导体器件为PN结型器件，以磷掺杂浓度为IXlO13 cm_3?IXlO17 cm_3的N型单晶硅片为基底，在其表面扩散硼形成浓度为IXlO16 cm_3?IXlO19CnT3的P型层,构成PN结；一个可选择的方案是以非掺杂的本征单晶娃片为基底,在其一表面扩散磷形成浓度为I X 113 cm_3?I X 117 cm_3的N型层,在其另一表面扩散硼形成浓度为I X 116 cm—3?I X 119 cm—3的P型层，构成PiN结。放射性同位素Ni_63源加载于P(i)N器件P型区表面。辅助部件包括在器件P型区表面制作环形金属电极为正电极，经正引线连接到模数转换芯片，在器件N型区表面制作覆盖整个N型区的金属面电极为负电极，经负引线连接到模数转换芯片；内封装层采用耐辐射的复合材料，通过模具灌注法浇灌在各部件之间(除放射源片与器件之间)的空隙中，起到固定和辐射防护的作用。外封装层用FeNi可伐合金制作，起着增强芯片整体强度和辐射防护的作用。正负电极引线穿过内外封装层。整个温度感应芯片从外观上看是带有两个电极引线的圆柱状。模数转换芯片一面经正负电极引线与温度感应芯片连接，另一面与LED显示连接。模数转换芯片与LED显示均由温度感应芯片输出的电流供电。
[0005]本发明的有益效果是:自供电，使用寿命长，可保证数十年内免维护且无需外界供电(能)，物理特性与温度变化关系线性好，对温度感应准确，适用于作为独立的不需要外界供电(能)的长寿命无线数字温度计。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是本发明一种自供电数字温度计的结构示意图；
图中，1.LED 2.负引线 3.负电极 4.N型层 5.1型层 6.P型层 7.正电极 8.模数转换芯片 9.外封装层 10.内封装层
11.正引线 12.放射源。
【具体实施方式】
[0007]下面结合附图对本发明的内容进一步说明。
[0008]图1是本发明一种自供电数字温度计的结构示意图，在具体的实施例中，一种自供电数字温度计由温度感应芯片、模数转换芯片和LED显示构成，其中温度感应芯片包括单晶硅半导体结型器件、放射性同位素源和辅助部件；单晶硅半导体结型器件由N型层4、P型层6依次排布形成PN结型器件，一个可选择的方案是在N型层4、P型层6之间设置i型层5形成PiN结型器件；在P型层6表面加载有放射源I ;辅助部件包括在P型层6表面制作的环状金属正电极7，在N型层4外表面制作的覆盖整个表面的金属负电极3;正引线11连接正电极7和模数转换芯片8，负引线2连接负电极3和模数转换芯片8 ；内封装层10填充在以上各部件(除模数转换芯片8)之间(除放射源12与P型层6之间)的空隙中，其外再由外封装层9包覆；正引线11和负引线2穿过内封装层10和外封装层9，与模数转换模块8和LEDl连接，为模数转换模块8和LEDl供电；模数转换模块8将输入的电压模拟信号转换为数字信号，由LEDl显示。
[0009]含能的放射性射线粒子进入半导体结型器件材料，由于电离效应将产生大量电子-空穴对，这些电子-空穴对在结型器件内建电场作用下会分离，将器件两极接入外电路中就会输出直流电信号，可为其它用电器供电；同时该电信号的电压与温度具有很好的线型反比关系。利用模数转换芯片即可将该电压模拟信号转换为数字信号并由LED显示。由于该温度感应芯片自身可以输出电流，因此其后端的(模数转换和LED)电能供应可由该芯片提供，即整个温度计是无需外部供电(能)的。
[0010]本发明采用的技术方案所依据的科学原理是:将半导体材料(如单晶硅)制作成特殊的结型器件，当含能的放射性射线粒子进入器件材料，由于电离效应将产生大量电子-空穴对，这些电子-空穴对在结型器件内建电场作用下会分离，将器件两极接入外电路中就会输出直流电信号，可为其它用电器供电。同时半导体材料的很多重要性能参数如扩散长度、本征载流子浓度等都是温度的函数，会随着温度的改变而改变，且对温度的变化很敏感，而这些性能参数的变化将直接影响到直流电信号的强度，尤其是其输出电压的变化很明显。通过模数转换芯片可以将这种电压变化的模拟信号转换为数字信号，并由LED显示。模数转换芯片和LED显示则由温度感应芯片输出的电流提供电能。
[0011]单晶硅半导体材料的性能参数与温度的关系如下:
扩散长度L可以表示为:
【权利要求】
1.一种自供电数字温度计，其特征在于:所述的温度计由温度感应芯片、模数转换芯片和LED显示构成；其中温度感应芯片包括单晶硅半导体结型器件、放射性同位素源和辅助部件；单晶硅半导体结型器件由N型层(4)、P型层(6)依次排布形成PN结型器件，一个可选择的方案是在N型层(4)、P型层(6)之间设置i型层(5)形成PiN结型器件；在P型层(6)表面加载有放射源(12);辅助部件包括在P型层(6)表面制作的环状金属正电极(7)，在N型层(4)外表面制作的覆盖整个表面的金属负电极(3);正引线(11)连接正电极(7)和模数转换芯片(8 )，负引线(2 )连接负电极(3 )和模数转换芯片(8 );内封装层(10 )填充在PiN结型器件和放射源(12)与外封装层(9)之间的空隙中；正引线(11)和负引线(2)穿过内封装层(10 )和外封装层(9 )，与模数转换模块(8 )和LED (I)连接，为模数转换模块(8 )和LED (I)供电；模数转换模块(8)将输入的电压模拟信号转换为数字信号，由LED (I)显/Jn ο
【文档编号】G01K7/01GK104132740SQ201410355217
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】王关全, 胡睿, 熊晓玲, 杨玉青, 刘业兵, 魏洪源, 徐建, 党宇峰, 刘国平, 罗顺忠 申请人:中国工程物理研究院核物理与化学研究所