CN104132740A

CN104132740A - 一种自供电数字温度计

Info

Publication number: CN104132740A
Application number: CN201410355217.4A
Authority: CN
Inventors: 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
Original assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: CN104132740B

Abstract

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。

Description

一种自供电数字温度计

技术领域

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

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、铂电阻（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；铂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

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。

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Ni-63放射源，辅助部件包括器件电极、引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1×10¹³ cm^-3～1×10¹⁷ cm^-3的N型单晶硅片为基底，在其表面扩散硼形成浓度为1×10¹⁶ cm^-3～1×10¹⁹ cm^-3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硅片为基底，在其一表面扩散磷形成浓度为1×10¹³ cm^-3～1×10¹⁷ cm^-3的N型层，在其另一表面扩散硼形成浓度为1×10¹⁶ cm^-3～1×10¹⁹ 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。

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。

附图说明

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. i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

下面结合附图对本发明的内容进一步说明。

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1；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LED1连接，为模数转换模块8和LED1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LED1显示。

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。

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。

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：

其中扩散系数D可以借助迁移率μ_n, _p和爱因斯坦关系式得到。不同温度T和不同掺杂浓度（N_D＋N_A）条件下的半导体材料中载流子迁移率μ_n, _p：

爱因斯坦关系：

在非高温情况下D的变化很小，所以它对L的影响是不大的。少子寿命τ的温度依赖关系是由单能级统计所决定的，则在n区和p区的少子寿命分别为：

对于单晶硅，其本征载流子浓度n_i与温度T的关系可表示成：

通过以上函数关系可以看到，这些材料的性能参数与温度的关系非常密切。这些参数与输出的电信号直接相关，其中影响最大的是其开路电压V_oc，具有以下关系：

器件反向饱和电流密度J₀计算公式：

开路电压与反向饱和电流密度的关系：

根据以上的函数关系，我们给出了电信号开路电压与温度的关系图。

在我们考查的温度范围内（230.15K～390.15K，即-43℃～117℃），开路电压与温度呈现出明显的反比关系且一一对应。事实上，这样的关系在低温部分尤其适用，可以扩展到203.15K（-70℃）甚至更低。通过调整半导体器件结构和放射性同位素的加载量，这一关系在更大的温度范围内都将适用。

放射性同位素可以自发发射含能的射线粒子。其中发射β射线粒子在半导体材料中具有较强的电离效应，同时该类射线粒子容易被屏蔽，在使用过程中不会对外界环境和人员造成伤害。若选择长半衰期的发射纯β射线粒子的放射性同位素（如Ni-63，半衰期100年），可以保证很长周期内持续提供含能射线粒子，这样的放射性同位素为半导体器件转化电信号提供了可靠且长寿命的能量供应。

基于以上的分析，我们认为结合长半衰期放射性同位素和单晶硅半导体器件，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。

Claims

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（1）连接，为模数转换模块（8）和LED（1）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（1）显示。