CN109269656B - 基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，包括以下步骤：1)制备二氧化钒薄膜：在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0‑100nm级别厚度二氧化钒薄膜；2)选取二氧化钒薄膜样品；3)切割二氧化钒薄膜样；4)制备通断开；5)温度的测量。本发明提供基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，不仅能够利用新型材料相变机理完成室温温区附近温度的高精度测量，而且能够利用新型材料的相变特性(金属‑绝缘体相变)，直接得到相应温度的数字信号量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器温度测量技术领域，特别涉及基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法。
背景技术
常见的温度传感器或测量技术有三大类，一类是以如Pt100等材料为代表的金属类型温度传感器，一类是基于半导体热敏电阻的温度传感器，还有一类是不同材料组成的金属热电偶传感器。
各类温度传感器或技术有着各自的优劣：如Pt100温度传感器，它的优点是制作方便，在一定温区范围内使用简单，使用范围广。原理是通过其电阻随温度升高而单调增加的特性测量温度，其温度系数为正，但其电阻与温度变化的关系并非完全线性，因此还需辅助标准分度表进行温度标定。其核心是器件电阻的测量，还需要外部电路提供恒定电流源，因此在该温度传感器使用的同时，一方面需要避免过大电流产生的焦耳热影响器件本身温度，但另一方面过小电流相应产生的电压亦较小，不易测量，受外界干扰较大。
半导体类型热敏电阻通常温度系数为负，其原理是半导体材料电阻随温度增高而降低，其电阻特性随温度的变化通常是指数关系。因此其优点是温度灵敏度较高，但同时也因为这个特性导致其低温区部分会因为电阻的指数级增加而变得不易测量。另外，半导体材料往往对掺杂条件、器件尺寸等要求较高，因此这类温度传感器生产工艺相对较复杂。
热电偶类温度传感器，其原理是用两种不同材料形成的节点热电势进行温度测量，其优势是不受材料形状尺寸的限制且测量高温温区较广。通常热电偶材料的塞贝克系数为5至40μV/K，信号较微弱，因此并不十分适合室温附近温度的测量。
鉴于以上，本发明提供了基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，不仅能够利用新型材料相变机理完成室温温区附近温度的高精度测量，而且能够利用新型材料的相变特性(金属-绝缘体相变)，直接得到相应温度的数字信号量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：本发明提供了基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，不仅能够利用新型材料相变机理完成室温温区附近温度的高精度测量，而且能够利用新型材料的相变特性(金属-绝缘体相变)，直接得到相应温度的数字信号量。
为解决上述技术问题，本发明提供基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，包括以下步骤：
1)制备二氧化钒薄膜：
在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜；
2)选取二氧化钒薄膜样品：
从步骤1)制备的0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜中选取1-80nm级别厚度二氧化钒薄膜作为二氧化钒薄膜样品；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向，当二氧化钒薄膜厚度达到80nm时，其相变温度TMI达到343K，当二氧化钒薄膜厚度为1nm时，其相变温度TMI为308K，即该二氧化钒薄膜样品相变温度TMI为308K-343K；
3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域128；
4)制备通断开关：
在每个步骤3)分离的小薄膜区域上单独引出电极，构成一个单独的通断开关；当温度达到通断开关自身相变温度TMI时，则其导通，视为数字信号1，当温度低于通断开关自身相变温度TMI时，则断开，视为数字信号0；
5)温度的测量：
128块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了128等分，即得到了一个7位分辨率的温度传感器；温度测量时，从区域1开始往区域128依次测量电极通断，当第区域n和第区域n+1电极之间第一次不导通即数字信号为0时，则当前温度为308+n*(343-308)/(128)K。
进一步地，本发明步骤1)制备二氧化钒薄膜：
利用激光脉冲沉积(PLD)方法，通过控制PLD样品台位移的方法在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜。
进一步地，本发明步骤1)制备二氧化钒薄膜：
利用化学气相沉积(CVD)方法，通过控制CVD气流的方法，在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜。
进一步地，本发明步骤3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成216＝65536块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域65536。
进一步地，本发明65536块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了65536等分，即得到了一个16位分辨率的温度传感器。
本发明的有益效果：本发明是针对常见的温度传感器存在的不足而提供基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，不仅能够利用新型材料相变机理完成室温温区附近温度的高精度测量，而且能够利用新型材料的相变特性(金属-绝缘体相变)，直接得到相应温度的数字信号量。本发明因为将温度区间转化为分离的薄膜的对应，其温度稳定，避免了较大或较小电阻的测量，测量电路简单易实现，更易转化为数字量。同时，本发明测量方法受本身误差影响小，一致性好，扩展性很强，不需要对传感器尺寸有严格要求，小至10μm级别或大至10cm级别均易实现，同时可以改变微加工工艺增加传感器的分辨率，如将二氧化钒薄膜梯度分割为216＝65536块，则传感器的分辨率即变为16位，以35摄氏度的温区为例，则分辨率可达到了35/65536＝0.000534℃，具有很大的实用性和推广价值等。
附图说明
图1为基于TiO2(001)衬底二氧化钒薄膜样品梯度变化示意图；
图2二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
需要说明的是，为节省说明书撰写篇幅，避免不必要的重复和浪费，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，
基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，包括以下步骤：
1)制备二氧化钒薄膜：
利用激光脉冲沉积(PLD)方法，通过控制PLD样品台位移的方法在TiO2单晶衬底上沿001方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜；
2)选取二氧化钒薄膜样品：
如图1所示，从步骤1)制备的0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜中选取1-80nm级别厚度二氧化钒薄膜作为二氧化钒薄膜样品；在TiO2单晶衬底上沿001方向，当二氧化钒薄膜厚度达到80nm时，其相变温度TMI达到343K，当二氧化钒薄膜厚度为1nm时，其相变温度TMI为308K，即该二氧化钒薄膜样品相变温度TMI为308K-343K；
3)切割二氧化钒薄膜样品：
如图2所示，利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域128；
4)制备通断开关：
在每个步骤3)分离的小薄膜区域上单独引出电极，构成一个单独的通断开关；当温度达到通断开关自身相变温度TMI时，则其导通，视为数字信号1，当温度低于通断开关自身相变温度TMI时，则断开，视为数字信号0；
5)温度的测量：
128块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了128等分，即得到了一个7位分辨率的温度传感器；温度测量时，从区域1开始往区域128依次测量电极通断，当第区域n和第区域n+1电极之间第一次不导通即数字信号为0时，则当前温度为308+n*(343-308)/(128)K。
作为本发明的优先方案，本发明步骤3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成216＝65536块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域65536。
作为本发明的优先方案，本发明65536块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了65536等分，即得到了一个16位分辨率的温度传感器。
实施例2基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法
基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，包括以下步骤：
1)制备二氧化钒薄膜：
利用激光脉冲沉积(PLD)方法，通过控制PLD样品台位移的方法在TiO2单晶衬底上沿001方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜；
2)选取二氧化钒薄膜样品：
从步骤1)制备的0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜中选取1-80nm级别厚度二氧化钒薄膜作为二氧化钒薄膜样品；在TiO2单晶衬底上沿110方向，当二氧化钒薄膜厚度达到80nm时，其相变温度TMI达到343K，当二氧化钒薄膜厚度为1nm时，其相变温度TMI为308K，即该二氧化钒薄膜样品相变温度TMI为308K-343K；
3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域128；
4)制备通断开关：
在每个步骤3)分离的小薄膜区域上单独引出电极，构成一个单独的通断开关；当温度达到通断开关自身相变温度TMI时，则其导通，视为数字信号1，当温度低于通断开关自身相变温度TMI时，则断开，视为数字信号0；
5)温度的测量：
128块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了128等分，即得到了一个7位分辨率的温度传感器；温度测量时，从区域1开始往区域128依次测量电极通断，当第区域n和第区域n+1电极之间第一次不导通即数字信号为0时，则当前温度为308+n*(343-308)/(128)K。
作为本发明的优先方案，本发明步骤3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成216＝65536块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域65536。
作为本发明的优先方案，本发明65536块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了65536等分，即得到了一个16位分辨率的温度传感器。
实施例3基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法
基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，包括以下步骤：
1)制备二氧化钒薄膜：
利用化学气相沉积(CVD)方法，通过控制CVD气流的方法，在TiO2单晶衬底上沿001方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜。
2)选取二氧化钒薄膜样品：
如图1所示，从步骤1)制备的0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜中选取1-80nm级别厚度二氧化钒薄膜作为二氧化钒薄膜样品；在TiO2单晶衬底上沿001方向，当二氧化钒薄膜厚度达到80nm时，其相变温度TMI达到343K，当二氧化钒薄膜厚度为1nm时，其相变温度TMI为308K，即该二氧化钒薄膜样品相变温度TMI为308K-343K；
3)切割二氧化钒薄膜样品：
如图2所示，利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域128；
4)制备通断开关：
在每个步骤3)分离的小薄膜区域上单独引出电极，构成一个单独的通断开关；当温度达到通断开关自身相变温度TMI时，则其导通，视为数字信号1，当温度低于通断开关自身相变温度TMI时，则断开，视为数字信号0；
5)温度的测量：
128块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了128等分，即得到了一个7位分辨率的温度传感器；温度测量时，从区域1开始往区域128依次测量电极通断，当第区域n和第区域n+1电极之间第一次不导通即数字信号为0时，则当前温度为308+n*(343-308)/(128)K。
作为本发明的优先方案，本发明步骤3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成216＝65536块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域65536。
作为本发明的优先方案，本发明65536块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了65536等分，即得到了一个16位分辨率的温度传感器。
实施例4基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法
基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，包括以下步骤：
1)制备二氧化钒薄膜：
利用化学气相沉积(CVD)方法，通过控制CVD气流的方法，在TiO2单晶衬底上沿110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜。
2)选取二氧化钒薄膜样品：
从步骤1)制备的0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜中选取1-80nm级别厚度二氧化钒薄膜作为二氧化钒薄膜样品；在TiO2单晶衬底上沿110方向，当二氧化钒薄膜厚度达到80nm时，其相变温度TMI达到343K，当二氧化钒薄膜厚度为1nm时，其相变温度TMI为308K，即该二氧化钒薄膜样品相变温度TMI为308K-343K；
3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域128；
4)制备通断开关：
在每个步骤3)分离的小薄膜区域上单独引出电极，构成一个单独的通断开关；当温度达到通断开关自身相变温度TMI时，则其导通，视为数字信号1，当温度低于通断开关自身相变温度TMI时，则断开，视为数字信号0；
5)温度的测量：
128块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了128等分，即得到了一个7位分辨率的温度传感器；温度测量时，从区域1开始往区域128依次测量电极通断，当第区域n和第区域n+1电极之间第一次不导通即数字信号为0时，则当前温度为308+n*(343-308)/(128)K。
作为本发明的优先方案，本发明步骤3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成216＝65536块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域65536。
作为本发明的优先方案，本发明65536块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了65536等分，即得到了一个16位分辨率的温度传感器。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
Claims (5)
1.基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)制备二氧化钒薄膜：
在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜；
2)选取二氧化钒薄膜样品：
从步骤1)制备的0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜中选取1-80nm级别厚度二氧化钒薄膜作为二氧化钒薄膜样品；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向，当二氧化钒薄膜厚度达到80nm时，其相变温度TMI达到343K，当二氧化钒薄膜厚度为1nm时，其相变温度TMI为308K，即该二氧化钒薄膜样品相变温度TMI为308K-343K；
3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成27＝128块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域128；
4)制备通断开关：
在每个步骤3)分离的小薄膜区域上单独引出电极，构成一个单独的通断开关；当温度达到通断开关自身相变温度TMI时，则其导通，定义为数字信号1，当温度低于通断开关自身相变温度TMI时，则断开，定义为数字信号0；
5)温度的测量：
128块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了128等分，即得到了一个7位分辨率的温度传感器；温度测量时，从区域1开始往区域128依次测量电极通断，当第区域n和第区域n+1电极之间第一次不导通即数字信号为0时，则当前温度为308+n*(343-308)/(128)K。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，其特征在于：步骤1)制备二氧化钒薄膜：
利用激光脉冲沉积PLD方法，通过控制PLD样品台位移的方法在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，其特征在于：步骤1)制备二氧化钒薄膜：
利用化学气相沉积CVD方法，通过控制CVD气流的方法，在TiO2单晶衬底上沿001或110方向生长0-100nm级别厚度二氧化钒薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，其特征在于：步骤3)切割二氧化钒薄膜样品：
利用微加工技术将整块步骤2)选取的二氧化钒薄膜样品表面切割制成216＝65536块分离的小薄膜区域；在TiO2单晶衬底上沿001或110方向依次将每个小薄膜区域设定为区域1、区域2、...区域n、区域n+1、...区域65536。
5.根据权利要求4所述的基于二氧化钒梯度薄膜传感器的新型温度测量方法，其特征在于：65536块小薄膜区域每块自身的相变温度TMI是不同的，且处于308K-343K范围之内的，即是将308K-343K，共35摄氏度的温度区间分解成了65536等分，即得到了一个16位分辨率的温度传感器。
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