[发明专利]具有模拟量、开关量和频率输出的温度传感器(F元件)

说明书

本发明涉及一种温度敏感元件，其具有模拟量、开关量和频率输出的温度敏感特性。

温度是非常重要的物理参量之一，在很多场合都需要进行温度的测量和控制。现在，有很多类型的温度传感器，如：热电偶、热敏电阻(NTCR和PTCR)、红外器件等。然而，这些传感器均为模拟量输出，在工业控制和智能系统等的应用中需经过放大和A/D转换。这增加了应用的成本，而且带来不便。本发明设计研制出一种新型元件作为温度传感器。它具有模拟量、开关量和频率输出的特点。这种元件作为模拟量输出和开关量的器件时，温度系数非常高。这对某些特殊场合的应用有独到的优势，如：作为火灾报警传感器可省去锁定，而复位仅需按一下电源开关即可，无需专门电路。另外，由于具有频率输出的优点，因而在需要数字信号的场合，可省去放大和A/D转换。前苏联V.ZOTOV教授发明的Z元件也具有类似的性能，但本发明的F元件和Z元件有本质区别。一、制作方法不同，Z元件需扩金等深能级杂质。F元件无需深能级杂质。二、频率输出的波形不同，F元件形状规则易于整形，而Z元件波形复杂不利于应用。因此，不能将F元件和Z元件等同。

本发明的目的在于提供了具有模拟量、开关量和频率输出的温度敏感的传感器(F元件)，F元件相对于其它元件的优点在于：结构和制备工艺简单，成本低，可模拟量、开关量和频率输出，应用方便，抗干扰能力强，适合于长距离传输。

本发明所述一种具有模拟量、开关量和频率输出的温度传感器(F元件)，该传感器(F元件)是用单面抛光的N型硅片制作，硅片电阻率在40-200Ωcm之间，其工艺流程为：氧化、光刻、硼预淀积，硼再分布和氧化，光刻磷预定积，再分布和氧化，刻引线孔，蒸铝，反刻铝，铝合金化，背面镀镍，划片、粘片、焊线、封装即可。在单面抛光的N型硅片抛光面上制作一个PN结，PN结采用硼扩散。在PN结的P型同侧的N区作一个电极且与PN结的P区相连接，作为两端器件的正极，另一侧面作为负极。伏安曲线具有阈值电压和负阻状态的维持电压，同时随着元件电流的增大伏安曲线包括三个区间：正阻的高电阻区、负阻区和正阻的低电阻区。输出频率对温度敏感的的两端器件是用一电容与此负阻器件并联的组合器件，其电容为1纳法到1000纳法之间的表面安装电容。

本发明所述的F元件的应用方法：对于模拟量和开关量元件，利用伏安特性上阈值电压V_P前的F元件的电阻随温度的变化、和负阻后的电流急剧上升段的电流随温度的变化可作模拟量输出测量。由于V_P随温度的增加而减小，因此可通过设置工作电压，将F元件作为温度开关量输出元件，实现对温度的控制和测量。本专利制作的F元件阈值电压V_P的温度系数依据结构设计可达几十毫伏到数百毫伏每度，它实质上来源于PN结结电压和元件的体电阻随温度的变化并经元件自身放大所致。频率输出的F元件在适当的工作电压和限流电阻下，可在限流电阻或F元件上输出脉冲信号，其频率对温度的变化具有较高的线性。脉冲输出的温度系数可达几十Hz到几千Hz每度，工作温度在-40℃到80℃之间。

参见附图

图1为本发明具有负阻伏安特性芯片的结构示意图；

图2为本发明中负阻伏安特性曲线；

图3为本发明中实施例1频率输出F元件的脉冲波形；

图4为本发明中实施例1频率输出F元件的频率随温度的变化。

本发明是具有模拟量、开关量和频率输出的温度敏感的F元件的设计制造方法。众所周知，PN结的正向压降受温度的影响，可用于温度的测量，但其灵敏度低。本发明可通过适当的结构用单一的PN结，获得较高温度系数的两端输出的负阻器件(模拟量、开关量输出的F元件)，其阈值电压有较高的温度系数。模拟量、开关量输出的F元件的阈值电压及其温度系数可通过元件的结构设计进行调整。在模拟量、开关量输出的F元件上并联电容即可产生频率输出，将并联电容后的两端器件称为频率输出的F元件。由于其输出频率同阈值电压密切相关，而且阈值电压对温度敏感，因此频率输出的F元件脉冲频率对温度敏感。

实施例1：

用厚度为430微米、电阻率为80Ωcm左右的N型硅片，经氧化、光刻、硼预淀积、硼再分布和氧化、光刻、磷预淀积、磷再分布和氧化、刻引线孔、蒸铝1、反刻铝、铝合金化、背面镀镍、划片，获得负阻器件的芯片，芯片尺寸为0.8×0.8毫米。将此芯片经粘片、焊线、塑料封装等工艺获得模拟量和开关量的F元件。其阈值电压V_P的温度系数为约65毫伏每度。粘接100纳法表面安装电容和此芯片并联，经粘片、焊线、塑料封装等工艺，获得频率输出的F元件。其频率温度系数约135Hz每度。

实施例2：