專利名稱：線性半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的以電子學(xué)手段獲得信號的半導(dǎo)體溫度傳感器。
目前半導(dǎo)體溫度傳感器有三大類，一是半導(dǎo)體熱敏電阻，二是PN結(jié)溫度傳感器，三是半導(dǎo)體集成溫度傳感器。半導(dǎo)體熱敏電阻線性不良，PN結(jié)溫度傳感器線性雖有改進，但其固有非線性仍達1%左右，半導(dǎo)體集成溫度傳感器的非線性亦與PN結(jié)溫度傳感器相當(dāng)。本發(fā)明目的在于以一種新的方案獲得線性良好的半導(dǎo)體溫度傳感器，為醫(yī)學(xué)、工業(yè)過程控制與氣象觀測提供一種靈敏度高、響應(yīng)速度快、線性度好的溫度測量手段。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的向半導(dǎo)體結(jié)型器件(1)注入與絕對溫度的冪函數(shù)成正比的正向電流，以其正向電壓為測溫信號，這種信號與溫度呈良好的線性關(guān)系。所說的與絕對溫度的冪函數(shù)成正比的正向電流是這樣產(chǎn)生的，在(1)旁邊有一個輔助PN結(jié)溫度傳感器(2)，(2)與(1)同時置于被測溫度場中，(2)的一端與直流電源(3)的一個輸出端相聯(lián)，(2)的另一端通過電阻(4)與(3)的另一個輸出端相聯(lián)，電源(3)的輸出電壓值為輔助PN結(jié)溫度傳感器(2)半導(dǎo)體材料禁帶寬度值(單位為電子伏特)除以電子電荷絕對值，例如(2)是硅PN結(jié)時，(3)的輸出電壓為1、12伏，(2)是砷化鎵PN結(jié)時，(3)的輸出電壓為1、43伏等。如

圖1所示的電路，電阻(4)兩端電壓與(1)和(2)所在環(huán)境的絕對溫度值T成正比。電阻(4)兩端與冪函數(shù)發(fā)生器(5)的兩個輸入端相聯(lián)，在(5)的輸出端得至與絕對溫度T的冪函數(shù)成正比的電壓，(5)的輸出端與電壓-電流轉(zhuǎn)換器(6)相聯(lián)，在(6)的輸出端得到絕對溫度T的冪函數(shù)成正比的電流，以這樣的電流注入半導(dǎo)體結(jié)型器件(1)使其正向?qū)?，?1)的兩端產(chǎn)生了與絕對溫度T呈線性關(guān)系的正向電壓，如圖1。
它的原理是這樣的半導(dǎo)體結(jié)型氣件正向?qū)娏髅芏鹊慕馕霰磉_式如下J＝AT Exp(-qeb/KT)｛exp(qv/Kt)-1｝J-電流密度A-由工藝條件絕定的系數(shù)r-無量綱指數(shù)，r＞1q-電子電荷絕對值eb-勢壘高度K-波茲曼常數(shù)T-絕對溫度V-正向偏置電壓在實際測量環(huán)境中，Exp(qv/KT)＞＞1.上式簡化為J≈AT Exp｛q(v-eb)/KT｝V＝eb+KT/q｛lnJ-lnT-lnA｝當(dāng)正向注入電流密度J與絕對溫度T的冪函數(shù)T，r是大于1的無量綱指數(shù)成正比時，J可以寫作如下形式，J＝BTr，B為與溫度無關(guān)的常數(shù)。
這時半導(dǎo)體結(jié)型器件(1)的正向電壓具有如下函數(shù)表達式V＝e+Kt/q×ln×B/A即(1)的正向電壓與絕對溫度T之間呈線性關(guān)系，這種溫度傳感器的測溫靈敏度為(K1nB/A)/q采用輔助PN結(jié)傳感器(2)、直流電源(4)、電阻(3)、(4)獲得與絕對溫度成正比電壓的原理是這樣的。
PN結(jié)溫度傳感器(2)、正向電壓與絕對溫度T之間有如下近似關(guān)系Vf-Eg/q-CT其中Vf-PN結(jié)溫度傳感器正向電壓Eg-半導(dǎo)體材料禁帶寬度值q-電子電荷絕對值c-測溫靈敏度設(shè)電阻(3)、(5)之和為R，當(dāng)(4)的直流電壓為Eg/q時，電阻(3)與(5)上電壓之和為Eg/q-Vf＝CT，即與(1)所處環(huán)境的絕對溫度成正比。
半導(dǎo)體器件(1)是半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體結(jié)肖特基勢壘二極管。當(dāng)(1)是金屬半導(dǎo)體結(jié)肖特基勢壘二極管時，無量綱指數(shù)r等于2，冪函數(shù)發(fā)生器(5)是一個平方器。
按本發(fā)明提出的方案制造的溫度傳感器可以工作在很寬的溫度區(qū)段，具有優(yōu)良的線性，已經(jīng)通過一種特殊的物理機制從器件內(nèi)部消除了傳感器的固有非線性，成為一種高靈敏度、高響應(yīng)速度、低功耗、低阻抗的線性溫度傳感器。
將廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域，解決目前尚未解決的問題1、精密醫(yī)學(xué)溫度測量，腫痛早期溫度診斷。
2、實現(xiàn)氣象觀測站溫度全自動高精度測量。
3、精確熱化學(xué)分析。
4、油井、海洋溫度場梯度精密測量。
5、實現(xiàn)精密溫度計的大批量工業(yè)化低生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種由電子器件構(gòu)成的溫度傳感器，其特征是它包括一個肖特基勢壘二極管(1)有一個與絕對溫度的平方成正比的電流源為(1)提供正向電流，(1)的正向電壓是傳感器輸出的溫度信號。
2.權(quán)利要求1所說的半導(dǎo)體結(jié)型器件(1)，其特征在于它們是半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體結(jié)肖特基勢壘二極管。
3.權(quán)利要求1所說的為(1)提供正向電流的與絕對溫度的冪函數(shù)Tr成正比的電流源，其特征是它由以下方式構(gòu)成，在(1)旁邊有一個輔助PN結(jié)溫度傳感器(2)，(2)與(1)同時置于被測溫度場中，(2)的一端與另一端相聯(lián)，(4)的兩端與冪函數(shù)發(fā)生器的輸入端相聯(lián)，(5)的輸入端與電壓-電流轉(zhuǎn)換器(6)相聯(lián)，(6)輸出與絕對溫度的冪函數(shù)Tr成正比的電流。
4.權(quán)利要求1所說的半導(dǎo)體結(jié)型器件(1)是金屬半導(dǎo)體結(jié)肖特基勢壘二極管。
5.權(quán)利要求1所說的為金屬半導(dǎo)體結(jié)肖特基勢壘二極管提供正向電流的電流源，其特征是所提供的正向電流值與絕對溫度T的平方T2成正比。
6.權(quán)利要求(2)所說的直流電源(3)，其特征是它的輸出電壓等于輔助PN結(jié)溫度傳感器(2)半導(dǎo)體材料禁帶寬度值(電子除以電子電荷絕對值。
全文摘要
一種高線性度、高靈敏度、高響應(yīng)速度的半導(dǎo)體溫度傳感器，以半導(dǎo)體結(jié)型器件做感溫元件，注入與絕對溫度的冪函數(shù)成正比的正向電流，以其正向電壓為測溫信號。消除了半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器元件固有的非線性，產(chǎn)生與溫度呈線性關(guān)系的測溫信號，用于醫(yī)學(xué)、氣象、海洋、油井、熱化學(xué)分析、工業(yè)生產(chǎn)過程、自然科學(xué)及工程技術(shù)基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)高響應(yīng)速度精密溫度測量與控制。
文檔編號G01K7/02GK1073009SQ9111142
公開日1993年6月9日 申請日期1991年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月7日
發(fā)明者張開遜 申請人:機械電子工業(yè)部北京機械工業(yè)自動化研究所