一种突变式温度敏感元器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种突变式温度敏感元器件及其制备方法。所述突变式温度敏感元器件的基本结构包括：第一透明电极层、以及依次形成在第一透明电极层表面的电子阻隔层、VO2温度敏感层、电解质层和第二透明电极层。电解质层和第二透明电极层。电解质层和第二透明电极层。

【技术实现步骤摘要】
一种突变式温度敏感元器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种突变式温度敏感元器件及其制备方法，具体涉及一种VO2基突变式温度敏感元器件及其制备方法，主要用于设备或环境的温度测量及过热温度报警等，属于负温度系数热敏电阻温度传感器领域。

技术介绍

[0002]传感器作为一种检测装置，将检测到的信号按一定规律转化为电信号或其他可输出信号，在生产生活中扮演着不可或缺的角色。温度作为可测量的重要信息之一，温度控制与温度测量已经成为很多行业的基础，因此，温度传感器将感知到的温度转化为可用输出信号，广泛应用于现代工业、医疗、生活、交通、智能家居等领域。
[0003]按照电子元件的类别分类，温度传感器可大致分为热电偶和热敏电阻传感器。热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要优点在于宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，价格低廉，但热电偶并不适合高精度的测量和应用。而热敏电阻由半导体材料组成，当温度变化其阻值相应发生变化。热敏电阻大多为负温度系数热敏电阻，即电阻随温度的升高而降低，因此热敏电阻具有灵敏度高的优点。但是热敏电阻作为电阻性器件需要较小的电流源才能确保其不会因为自身电流过大而造成发热，导致永久性损坏。此外，热敏电阻的线性度较差，并且与生产工艺有很大关系。
[0004]负温度系数热敏电阻以锰、钴，镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成。金属氧化物材料都具有半导体性质，温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。负温度系数热敏电阻的阻值在室温下的变化范围在100～1000000欧姆，温度系数
‑
2％～
‑
6.5％。由于在低温区部分电阻的指数级增加使得测量的精确度难以保证。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。因此有必要寻求一种电阻和温度关系为线性关系的半导体材料，以实现高灵敏度、高标准化的负温度系数热敏电阻。
[0005]VO2作为一种在特定温度发生半导体
‑
金属相变的物质，具备作为负温度系数热敏电阻的潜力。当低于相变温度时，VO2为半导体相，其电阻值随温度升高不断减小。根据其电阻和温度的关系图，不难发现电阻和温度存在一定的线性关系，这有利于实现对温度的高精度测量。此外，VO2薄膜可以通过磁控溅射制备，得到的VO2薄膜往往致密平整，工艺简单，成本低，而且能实现大面积大尺寸制备。
[0006]例如，专利1(中国专利公开号CN 109269656 A)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。这种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。然而该专利需要采用微加工技术将外延VO2薄膜样品表面切割成多块自身相变温度不同的分离的小薄膜区域，再在每个小薄膜区域引出电极，才能实现一定温度区间内的温度测量，器件制备相对繁琐。专利
2(中国专利公开号CN 111854998 A)公开了一种由VO2基单晶体构成的温度传感器。这种温度传感器能够实现较大范围的高精度温度探测。但是该专利中所述的VO2单晶制备需要高达950℃至1150℃的先决条件，并保持24至72小时，制备工艺较为复杂，成本高。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种突变式温度敏感元器件的制备方法和使用，该方法工艺简单、可进行大面积生产。
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种突变式温度敏感元器件，所述突变式温度敏感元器件的基本结构包括：第一透明电极层、以及依次形成在第一透明电极层表面的电子阻隔层、VO2温度敏感层、电解质层和第二透明电极层。
[0009]本专利技术中，通过引入紫外光固化电解质层(例如，紫外光固化电解质层，优选基于树脂材料的阳离子紫外光固化电解质)用于实现温度敏感层VO2的相变可调，以满足温度传感器在实际使用过程中不同温度报警点的需要。一方面，VO2在68℃附近会发生金属
‑
绝缘体可逆相变，而在相变之前，VO2属于绝缘相，其阻值随着温度的升高呈现线性降低的趋势，其阻值与温度的线性特性可作为负温度系数热敏电阻用于温度传感器中。
[0010]较佳的，所述第一透明电极层为透明导电氧化物，优选FTO、ITO、ATO、或AZO；所述第一透明电极层的方阻为5～100Ω/cm2，可见光透过率≥70％。
[0011]较佳的，所述第二透明电极层为透明导电氧化物，优选FTO、ITO、ATO、或AZO；所述第二透明电极层的方阻为5～100Ω/cm2，可见光透过率≥70％。
[0012]较佳的，所述电子阻隔层的组成为SiO2、SiN
X
、HfO2、SnO2、GeO2中的至少一种；所述电子阻隔层的厚度为10～100nm。
[0013]较佳的，所述电解质层的组成为基于树脂材料的阳离子光固化电解质；其中阳离子为H
+
、Li
+
、K
+
、Na
+
、Ca
2+
、Cu
2+
、Al
3+
、Zn
2+
、Mg
2+
中的至少一种，优选为H
+
、Li
+
、Al
3+
、Mg
2+
中的至少一种；所述电解质层的厚度为50nm～300μm。
[0014]较佳的，所述VO2温度敏感层的组成为单斜相VO2；所述VO2温度敏感层的厚度为20nm～200nm。
[0015]较佳的，所述突变式温度敏感元器件还包含连接在第一透明电极层和第二透明电极层之间的电控元件；当通过电控元件施加负向电压时，电解质层中阳离子嵌入VO2温度敏感层中，VO2温度敏感层从高阻态转换至低阻态；当通过电控元件再施加正向电压时，嵌入VO2温度敏感层中的阳离子脱出并进入电解质层中，VO2温度敏感层从低阻态转换至高阻态。
[0016]较佳的，所述突变式温度敏感元器件还包含连接在第一透明电极层和第二透明电极层之间的电阻测量装置和信号转换装置，该信号转换装置设置了电阻
‑
温度线性关系的转换程序；所述突变式温度敏感元器件通过电阻测量装置输出电阻进而通过信号转换装置换算成温度；优选地，所述突变式温度敏感元器件还包含连接在信号转换装置上的温度报警器，当温度急剧变化时输出报警信号。其中，当温度到达相变温度，VO2温度敏感层发生相变，其阻值发生几个数量级的变化，阻值的突变则可作为报警点为温度传感器提供温度报
警功能。
[0017]较佳的，当通过电控元件施加负向电压时，电解质层中阳离子嵌入VO2温度敏感层中，VO2温度敏感层的相变温度降低；当通过电控元件再施加正向电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种突变式温度敏感元器件，其特征在于，所述突变式温度敏感元器件的基本结构包括：第一透明电极层、以及依次形成在第一透明电极层表面的电子阻隔层、VO2温度敏感层、电解质层和第二透明电极层。2.根据权利要求1所述突变式温度敏感元器件，其特征在于，所述第一透明电极层为透明导电氧化物，优选FTO、ITO、ATO、或AZO；所述第一透明电极层的方阻为5～100 Ω/cm2，可见光透过率≥70%。3.根据权利要求1或2所述突变式温度敏感元器件，其特征在于，所述第二透明电极层为透明导电氧化物，优选FTO、ITO、ATO、或AZO；所述第二透明电极层的方阻为5～100 Ω/cm2，可见光透过率≥70%。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述突变式温度敏感元器件，其特征在于，所述电子阻隔层的组成为SiO2、SiN
X
、HfO2、SnO2、GeO2中的至少一种；所述电子阻隔层的厚度为10～100 nm。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述突变式温度敏感元器件，其特征在于，所述电解质层的组成为基于树脂材料的阳离子光固化电解质；其中阳离子为H
+
、Li
+
、K
+
、Na
+
、Ca
2+
、Cu
2+
、Al
3+
、Zn
2+
、Mg
2+
中的至少一种，优选为H
+
、Li
+
、Al
3+
、Mg
2+
中的至少一种；所述电解质层的厚度为50nm～300μm。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述突变式温度敏感元器件，其特征在于，所述VO2温度敏感层的组成为单斜...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹逊，季晓炜，金平实，黄爱彬，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：