CN101490848A - 使用突变式金属－绝缘体转变装置的可编程金属－绝缘体转变传感器、以及包括该金属－绝缘体转变传感器的报警装置和蓄电池防爆电路 - Google Patents
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Abstract
提供了一种具有可变MIT温度或电压的突变式MIT器件、一种使用所述突变式MIT器件的MIT传感器、以及一种包括所述MIT传感器的报警装置和蓄电池防爆电路。所述MIT器件包括：在转变温度或转变电压处经历突变式MIT的突变式MIT层、以及用于接触突变式MIT层的至少两个电极层。转变温度或转变电压随影响突变式MIT层的以下因素中的至少一个而变化，所述因素包括：施加到电极层的电压、温度、电磁波、压力、和气体浓度。所述MIT传感器是温度传感器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器、或开关。所述报警装置包括：所述MIT传感器、和与所述MIT传感器串联连接的报警信令单元。所述蓄电池防爆电路包括：蓄电池、附着于蓄电池以感测蓄电池的温度并因而防止蓄电池的可能的爆炸的所述MIT传感器、以及由蓄电池供电的保护电路体。
Description
技术领域
本发明涉及传感器和报警装置，且更具体地，涉及一种在转变温度或电压处经历突变式(abrupt)金属-绝缘体转变(MIT，metal-insulator transition)的MIT器件、一种使用该突变式MIT器件的MIT传感器(例如，温度传感器、压力传感器、或化学气体浓度传感器)、以及一种包括该MIT传感器的报警装置和蓄电池防爆电路。可编程MIT传感器指示编程地控制MIT转变温度或MIT转变电压。
背景技术
遍及各产业，准确地测量和控制温度都非常重要。温度传感器处于所有温度控制系统的中心，并且由于热敏电阻器廉价且方便，所以通常使用它们作为感测元件。
热敏电阻器是具有合适电阻率和温度系数的半导体，其通过混合Co、Mn、Fe、Ni、Ti等的氧化物并然后烧结所述混合物来构造。热敏电阻器的传导率随温度而变化。与一般的金属不同，热敏电阻器具有负温度系数(NTC)，这意味着其阻抗随温度增加而减小。NTC热敏电阻器广泛地用在感测温度的装置中。
图1是使用热敏电阻器的传统报警装置的电路图。
参考图1，传统报警装置包括：传感器单元(通过虚线矩形表示)和报警信令单元。传感器单元包括热敏电阻器10、放大器20、和晶体管30。报警信令单元包括蜂鸣器50和发光二极管60。传感器单元和报警信令单元通过继电器开关40连接。
当热敏电阻器10的阻抗随温度而变化时，放大器20的负输入端处的电压变化，并因而放大器20的输出电压变化。放大器20的输出电压被施加到晶体管30的基极。当所施加的输出电压达到特定电压时，晶体管30导通。相应地，继电器开关40也导通，以操作蜂鸣器50和发光二极管60。
虽然使用热敏电阻器的传统报警装置得到广泛使用，但是如图1所图示、因为其包括放大器、晶体管和多个电阻器，所以其很复杂。另外，传统报警装置的温度阈值固定在通过热敏电阻器的阻抗变化率而指定的特定温度处。
温度传感器的另一示例是双金属(bimetal)温度传感器。虽然双金属温度传感器也廉价并得到广泛使用，但是由于其具有非常宽的温度阈值范围，因而难以用于准确地感测所期望的温度。
温度传感器的又一示例是使用二氧化钒(VO2)的陶瓷温度传感器。二氧化钒在大约68℃的临界温度处经历从单斜晶系(monoclinic system)到四方晶系(tetragonal system)的结构相变，并因此电阻发生变化。然而，该临界温度是不可调的，并且陶瓷温度传感器易于被大电流击穿。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种具有可变转变温度或电压的突变式MIT器件、一种能够使用该突变式MIT器件来感测温度、压力和化学气体浓度的MIT传感器、以及一种包括该MIT传感器的报警装置和蓄电池防爆电路。
技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种突变式MIT器件，其包括：突变式MIT层，在转变温度或转变电压处经历突变式MIT；以及接触突变式MIT层的至少两个电极层，其中，转变温度或转变电压随影响突变式MIT层的以下因素中的至少一个而变化：施加到电极层的电压、温度、电磁波、压力和气体浓度。
两个电极层可以与介于其间的突变式MIT层垂直地堆栈，或两个电极层可以分别形成于突变式MIT层的两端之上。
突变式MIT层可以由下列材料中的至少一个来形成：添加了低浓度孔的无机化合物半导体或绝缘体材料、添加了低浓度孔的有机半导体或绝缘体材料、添加了低浓度孔的半导体材料、和添加了低浓度孔的氧化物半导体或绝缘体材料，所述无机化合物半导体或绝缘体材料、有机半导体或绝缘体材料、半导体材料、和氧化物半导体或绝缘体材料包括下列元素中的至少一个：氧、碳、半导体元素(例如，组III-V化合物或组II-VI化合物)、转换金属元素、稀土元素、和镧基元素。例如，突变式MIT层可以由二氧化钒(VO2)或掺杂有低浓度孔的砷化镓(GaAs)来形成。
电磁波可以包括红外线，并且可以通过向突变式MIT层照射电磁波来变化转变温度或转变电压。突变式MIT器件可以用于温度传感器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器和开关中的至少一个。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用以上的突变式MIT器件构造的MIT传感器。
MIT传感器可以是下列器件中的至少一个：温度传感器、电磁波探测器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器、粒子探测器(电子、离子、宇宙射线)、和开关。突变式MIT器件可以与同类器件并联和/或串联连接(阵列式传感器)，或突变式MIT器件可以与同类器件按照阵列或矩阵配置排列(阵列式传感器)。
可以利用密封材料来封闭地密封突变式MIT层和电极层，以形成DIP型突变式MIT器件，可以打开CAN型突变式MIT器件或突变式MIT层的一部分，以形成CAN型突变式MIT器件。突变式MIT器件可以被构造为CAN类型，并且在CAN型突变式MIT器件的打开部分处形成透镜，以将电磁波会聚到突变式MIT层。可以将电磁波照射到突变式MIT层，以变化突变式MIT器件的转变温度或转变电压。
MIT传感器可以直接地或通过继电器开关来电气连接到报警信令单元，以感测温度、压力、气体浓度、粒子、和电磁波强度中的至少一个，以及当感测值等于或大于参考值时，可以通过报警信令单元来生成报警信号。气体浓度可以是包括氧、碳、氢、氮、氯、和硫中的至少一个的气体的浓度。
MIT传感器可以进一步包括用于向外耗散突变式MIT层的热量的散热器。MIT传感器可以进一步包括与突变式MIT器件串联连接的可变电阻器，以调整施加到突变式MIT器件的电压。
根据本发明的另一方面，提供了一种报警装置，其包括：以上的MIT传感器；以及与所述MIT传感器串联连接的报警信令单元。
MIT传感器可以是下列器件中的至少一个：温度传感器、电磁波探测器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器、粒子探测器和开关。电磁波可以包括红外线、可见光、紫外线、X-射线。可以通过向突变式MIT层照射电磁波来变化转变温度或转变电压(可编程的)。
突变式MIT器件可以与同类器件并联和/或串联连接(阵列式传感器)，或突变式MIT器件可以与同类器件按照阵列或矩阵配置排列(阵列式传感器)。MIT传感器可以通过阵列或矩阵配置来感测包括红外线的电磁波，以向报警信令单元发送包括图像信号的报警信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种蓄电池防爆电路，其包括：蓄电池；以上的MIT传感器，其附着于蓄电池，以感测蓄电池的温度，并因而防止蓄电池的可能的爆炸；以及由蓄电池加电的保护电路体。
蓄电池的一端可以连接到MIT传感器的突变式MIT器件的第一电极层、连接到4-端继电器开关的第一端、以及连接到保护电路体的一端，蓄电池的另一端可以连接到继电器开关的第二和第三端、以及连接到保护电路体的另一端，突变式MIT器件的第二电极层可以连接到继电器开关的第四端，以及突变式MIT器件可以经历由于蓄电池中的温度上升的突变式MIT，突变式电流改变可以发生于继电器开关的第三端和第四端之间，并且可以通过突变式电流改变来导通继电器开关的第一端和第二端，以防止蓄电池的可能的爆炸。
可变电阻器可以连接在蓄电池的一端和突变式MIT器件的第一电极层之间，以改变突变式MIT器件的转变温度或以保护突变式MIT器件，以及继电器电阻器可以连接在蓄电池的一端和继电器开关的第一端之间，以防止蓄电池防爆电路的电短路。一种过电流防止装置(例如，正温度系数的热敏电阻器(PCT))可以连接在蓄电池的一端和保护电路体的一端之间。
继电器开关可以与蓄电池和保护电路体串联连接，以及用于操作继电器开关的MIT器件或传感器可以附着于蓄电池。可以使用晶体管来代替继电器开关。可以在蓄电池和保护电路体之间串联连接晶体管，以使得它们被合适地适用于蓄电池的充电/放电操作。
有利效果
本发明的突变式MIT器件使得可能通过改变所施加的电压或电磁场而变化转变温度。
而且，本发明的突变式MIT器件可以用于实现诸如温度传感器、磁场传感器、图像传感器、电磁波传感器、压力传感器、和气体浓度传感器的各种传感器。
而且，使用这种温度传感器使得可能构造具有可变感测温度的小型、低成本的报警装置。
而且，本发明的MIT传感器可以附着于蓄电池，以实现蓄电池防爆电路并防止蓄电池由于过度的温度上升而爆炸。
附图说明
通过参考附图对本发明的示范实施例进行详细描述，本发明的上述以及其它特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是使用热敏电阻器的传统报警装置的电路图；
图2是根据本发明实施例的堆栈型(stack-type)突变式MIT器件的剖面图；
图3A是根据本发明实施例的平面型(planar-type)突变式MIT器件的剖面图；
图3B是图3A所图示的平面型突变式MIT器件的平面图；
图4是使用利用在转变温度处经历突变式MIT的二氧化钒(VO2)构造的突变式MIT器件的实验温度传感器的温度-阻抗曲线图；
图5是在特定电压处经历突变式电流跳跃的、图4的突变式MIT器件的电压-电流曲线图；
图6是图示了在向图4的突变式MIT器件施加各种电压的同时测量的电流的温度相关性的曲线图。通过施加电压来控制转换MIT温度。这是可编程的；
图7是图示了在向使用掺杂有低浓度孔(low-concentration hole)的砷化镓(GaAs)构造的突变式MIT器件施加各种电压的同时测量的电流的温度相关性的曲线图；
图8是图示了突变式MIT器件的转变电压随照射到所述突变式MIT器件的突变式MIT层的电磁波的强度而变化的电压-电流曲线图；
图9是根据本发明实施例的包括使用突变式MIT器件的温度传感器的报警装置的电路图；
图10是根据本发明另一实施例的包括使用突变式MIT器件的温度传感器的报警装置的电路图；
图11是使用DIP型突变式MIT器件构造的报警装置的图片；
图12是使用CAN型突变式MIT器件构造的报警装置的图片；
图13是根据本发明实施例的使用突变式MIT器件的蓄电池防爆电路的电路图；
图14是图示了图13所图示的蓄电池防爆电路的修改的电路图；以及
图15是图示了图13所图示的蓄电池防爆电路的另一修改的电路图。
具体实施方式
现在将参考其中示出了本发明示范实施例的附图来更充分地描述本发明。然而，本发明可以实施为许多不同的形式，并且不应该理解为被限定于在这里提出的实施例；相反地，提出这些实施例以便本公开将彻底和完整，并且本公开将充分地向本领域技术人员传达本发明的构思。在附图中，为了清楚而夸大了层和区域的厚度。还将理解，当一层被称为在另一层或衬底(substrate)“之上”时，其可以为直接在所述其他层或衬底之上，或者也可以存在中间层。附图中相同的附图标记表示相同的元件，并因而将不重复它们的描述。
本发明意欲提供一种在特定温度处经历突变式MIT(金属-绝缘体转变)的突变式MIT器件。这些特定温度将被称为“转变温度”或“MIT温度”。具体地，本发明意欲提供一种具有可变MIT温度的突变式MIT器件、一种使用所述突变式MIT器件的温度传感器、以及包括所述温度传感器的报警装置。
突变式MIT器件包括突变式MIT层和至少两个电极层。取决于突变式MIT层和电极层的位置，突变式MIT器件可以具有堆栈型(或垂直型)结构或平面型结构。
图2是根据本发明实施例的堆栈型的突变式MIT器件的剖面图。
参考图2，堆栈型突变式MIT器件包括衬底100、缓冲层200、第一电极层410、突变式MIT层300、和第二电极层420。缓冲层200形成于衬底100之上，而第一电极层410形成于缓冲层200之上。突变式MIT层300形成于第一电极层410之上，而第二电极层420形成于突变式MIT层300之上。第一电极层410和第二电极层420构成电极层400。
缓冲层200用以缩减衬底100和第一电极层410之间的晶格失配(latticemismatch)。如果衬底100和第一电极层410之间的晶格失配非常小，则第一电极层410可以直接形成于衬底100之上，而没有缓冲层。缓冲层200可以包括SiO2层或Si3N4层。
可以由添加了低浓度孔的无机化合物半导体或绝缘体材料、添加了低浓度孔的有机半导体或绝缘体材料、添加了低浓度孔的半导体材料、和添加了低浓度孔的氧化物半导体或绝缘体材料中的至少一个来形成突变式MIT层300。无机化合物半导体或绝缘体材料、有机半导体或绝缘体材料、半导体材料、和氧化物半导体或绝缘体材料可以包括下列中的至少一个：氧、碳、半导体元素(例如，组III-V化合物或组II-VI化合物)、转变金属元素、稀土元素、和镧基元素。可替换地，突变式MIT层300可以包括具有非常高阻抗的n型半导体或绝缘体。所添加的孔的浓度可以为大约3×1016cm-3。
可以由下列中的至少一个来形成电极层400：W、Mo、W/Au、Mo/Au、Cr/Au、Ti/W、Ti/Al/N、Ni/Cr、Al/Au、Pt、Cr/Mo/Au、YBa2Cu3O7-d、Ni/Au、Ni/Mo、Ni/Mo/Au、Ni/Mo/Ag、Ni/Mo/Al、Ni/W、Ni/W/Au、Ni/W/Ag、和Ni/W/Al。可以使用溅射(sputtering)沉积、真空沉积、和电子束(E-beam)沉积中的至少一种来形成该电极层400。
可以由下列中的至少一个来形成衬底100：Si、SiO2、GaAs、Al2O3、塑料、玻璃、V2O5、PrBa2Cu3O7、YBa2Cu3O7、MgO、SrTiO3、掺杂有Nb的SrTiO3、和绝缘体上硅(SOI)。
根据本发明的突变式MIT器件的电气特性随温度而突发地改变。也就是说，突变式MIT器件在低于转变温度的温度处呈现绝缘特性，而在等于或高于转变温度的温度处呈现金属特性。
图3A是根据本发明实施例的平面型突变式MIT器件的剖面图。
参考图3A，平面型突变式MIT器件包括衬底100、缓冲层200、突变式MIT层300a、第一电极层410a、和第二电极层420a。缓冲层200形成于衬底100之上，而突变式MIT层300a形成于缓冲层200的上表面的中心部分之上。第一电极层410a和第二电极层420a按照使得它们在将突变式MIT层300a介于其间的情况下可以彼此隔开并彼此相对的方式形成于缓冲层200之上以及突变式MIT层300a的侧面和上表面之上。第一电极层410a和第二电极层420a构成电极层400。
缓冲层200用以缩减突变式MIT层300a和衬底100之间的晶格失配。如果衬底100和突变式MIT层300a之间的晶格失配非常小，则突变式MIT层300a可以直接形成于衬底100之上，而没有缓冲层。
可以由与图2中的材料相同的材料来形成衬底100、缓冲层200、突变式MIT层300a、和电极层400。可以非常廉价地和按照下至微米等级的非常小的尺寸来构造堆栈型突变式MIT器件和平面型突变式MIT器件。
图3B是图3A所图示的平面型突变式MIT器件的平面图，其示出了缓冲层200、突变式MIT层300a、第一电极层410a、和第二电极层420a。一般而言，突变式MIT器件在特定电压(称为“转变电压”)处经历突变式MIT，该特定电压可以随突变式MIT器件的组件的结构而变化。例如，可以改变第一电极层410a和第二电极层420a之间的距离d或所述电极层的宽度w，以改变平面型突变式MIT器件的转变电压和温度。稍后，将参考图6至图8来详细描述该内容。
图4是使用利用在转变温度处经历突变式MIT的二氧化钒(VO2)构造的突变式MIT器件的实验温度传感器的温度-阻抗曲线图。
参考图4，横坐标轴表示绝对温度(K)，而纵坐标轴表示阻抗(Ω)。在低于大约338K的绝对温度(即，大约65℃(A))处，温度传感器具有105Ω或更高的高阻抗，并呈现近绝缘特性。在该温度之上，温度传感器的阻抗突发地减小到几十Ω，这呈现了金属特性。温度传感器的突变式阻抗变化的原因在于突变式MIT器件在大约65℃处经历突变式MIT。也就是说，用作本实验中的温度传感器的突变式MIT器件具有大约65℃的转变温度。
可以通过使用合适的掺杂物或通过改变突变式MIT器件的组件的材料或结构，来改变使用VO2构造的温度传感器的转变温度。这样，可以使用在所期望的转变温度处经历突变式MIT的突变式MIT器件来构造温度传感器。
在本发明中，合适的电气或电子器件连接到温度传感器，以便感测等于或高于转变温度的温度，并向用户通知这种异常情况。由于温度传感器的电阻在转变温度处突发地改变，所以电压必须通过电极层而连续地施加到突变式MIT器件，以便测量突变式阻抗变化。
使用根据本发明的突变式MIT器件的温度传感器可以准确地感测等于或高于突变式MIT器件的转变温度的温度，并还能够以非常小的尺寸廉价地构造。
然而，这种突变式MIT器件的转变温度是根据其组件的材料和结构而预定的，并且使用突变式MIT器件的温度传感器仅可以感测等于或高于转变温度的温度。因此，所需要的是具有可变转变温度的突变式MIT器件。在下文中，将详细地描述具有可变转变温度的突变式MIT器件。已经基于孔驱动(hole-driven)MIT理论而开发了突变式MIT器件，在“Physics C 341-348(2000)729；http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0110112；New J.Phys.6(2004)52”中已经公开所述孔驱动MIT理论。
图5是在特定电压(即，转变电压)处经历突变式电流跳跃的、图4的突变式MIT器件的电压-电流曲线图。该突变式MIT器件为平面型，其中由VO2来形成突变式MIT层，并且距离d和宽度w分别为20μm和50μm。参考图5，由于突变式MIT(B)发生在21.5V的电压处，所以突变式MIT器件可以被看作具有大约21.5V的转变电压。
图6是图示了在向相同的突变式MIT器件施加各种电压的同时测量的电流的温度相关性的曲线图。
图6图示了当向突变式MIT器件施加1V的电压时VO2的典型电流曲线，其与图4的温度-阻抗曲线图对应。从图6的曲线图中还可以看出，突变式MIT器件的转变温度随所施加的电压增加而减小；这是可编程的。随所施加的电压接近突变式MIT器件的转变电压(即，21.5V)，转变温度接近室温。当向突变式MIT器件施加22V的电压时，电流曲线遵循欧姆定律，并且没有呈现转变温度。也就是说，当向突变式MIT器件施加高于转变电压的电压时，仅发生电压相关的突变式MIT，并因而没有发生温度相关的突变式MIT。
在每个所施加的电压的转变温度处的电流跳跃之后，可以检测欧姆定律和对应的电流变化。在大约68℃(线C)处，电流变化随所施加的电压增加而轻微减小，这意味着将VO2的结构从正交晶系(rhombic system)改变到四方晶系。也就是说，VO2经历从正交晶系到四方晶系的结构相变，并因而其电阻由于对应的MIT而变化。总之，图6的曲线图揭示了在每个电压的转变温度处发生的突变式MIT与取决于临界温度的结构相变无关。
本发明通过改变施加到突变式MIT器件的电压而使得可能变化突变式MIT器件的转变温度。具有可变转变温度的突变式MIT器件的使用使得可能构造其感测温度可以被调整到所期望的温度的温度传感器。突变式MIT器件允许构造具有可变感测温度的小型、廉价的温度传感器。
可将可变电阻器与突变式MIT器件串联连接，以便容易地改变施加到突变式MIT器件的电压。当突变式MIT器件用于温度传感器时，必须快速耗散(dissipate)突变式MIT层中生成的热量，以便准确地感测温度。为此，突变式MIT器件可以包括连接到突变式MIT层的、突变式MIT器件的外部处的散热器。
当转变电压由于突变式MIT器件的组件的材料或结构的改变而改变时，明显的是，转变温度的可变范围可以随所施加的电压而变化。可以将施加到突变式MIT器件的电压解释为电场或电磁波。
图7是图示了在向使用掺杂有低浓度孔的砷化镓(GaAs)构造的突变式MIT器件施加各种电压的同时测量的电流的温度相关性的曲线图。
一般而言已知的是，GaAs半导体不具有临界温度，并且不经历任何结构相变。然而，可以从图7的曲线图中看出：在使用掺杂有低浓度孔的GaAs半导体构造的突变式MIT器件中可以发生突变式MIT，而且转变温度可以随所施加的电压而变化。
总之，可以使用各种半导体材料以及VO2来构造用于具有可变感测温度的温度传感器的具有可变转变温度的突变式MIT器件。
图8是图示了突变式MIT器件的转变电压随照射到所述突变式MIT器件的突变式MIT层的电磁波的强度(intensity)而改变的电压-电流曲线图。用于图8的电磁波具有1.55μm的波长。
参考图8，可以看出，转变电压随所照射的电磁波的光功率增加而减小。例如，可以看出，随着所照射的电磁波的光功率从-30dBm增加到20dBm，转变电压从大约12V减小到大约7V。这示出了所照射的电磁波可以用于变化突变式MIT器件的转变电压。类似地，诸如红外热线的射线还可以用于变化转变电压。此外，例如压力、磁场和化学气体浓度的物理和化学作用可以用于变化突变式MIT器件的突变式MIT特性(例如，转变温度和转变电压)。化学气体的示例是氧气、碳化气、氢气、硫化气、和氯气。
以上结果可以用于感测电磁波。也就是说，可以通过测量在其处突变式MIT器件中的电流突发地跳跃的电压来感测电磁波的功率。因此，突变式MIT器件可以用于诸如温度传感器、红外传感器、图像传感器、和开关的各种电磁波传感器。突变式MIT器件还可以用于可以感测物理和化学作用的压力传感器和化学气体浓度传感器。
现在，将描述包括使用根据本发明实施例的突变式MIT器件的温度传感器的报警装置。
图9是根据本发明实施例的包括使用突变式MIT器件的温度传感器的报警装置的电路图。
参考图9，报警装置包括温度传感器700、继电器开关800、蜂鸣器500和发光二极管600。继电器开关800连接到温度传感器700。蜂鸣器500和发光二极管600连接到继电器开关800。将源电压Vcc施加到继电器开关800、蜂鸣器500和发光二极管600。
温度传感器700包括突变式MIT器件710和可变电阻器720。突变式MIT器件710在转变温度处经历突变式MIT。可变电阻器720用以变化施加到突变式MIT器件710的电压，以变化突变式MIT器件710的转变温度，并因而调整温度传感器700的感测温度。
蜂鸣器500和发光二极管600充当用于发信令通知外部温度等于或大于温度传感器700的感测温度的报警信令单元。也就是说，当外部温度等于或高于感测温度时，蜂鸣器500发声并且发光二极管600发光。蜂鸣器500和发光二极管600仅仅是报警信令单元的示例，并且可以将能够生成电信号、光或声音的各种电气或电子装置用作报警信令单元。与图9的图示不同，仅蜂鸣器500和发光二极管600之一可以用作报警信令单元。
如图9所图示，发光二极管600可以包括与发光二极管600串联连接的二极管保护电阻器R。在图9中，将报警信令单元图示为定位在温度传感器700附近。然而，报警信令单元可以安装于远程控制台中，并然后通过导线连接到温度传感器700。将明显的是，温度传感器700可以安装于将要测量其温度改变的任何地点中。
当外部温度等于或大于感测温度(即，转变温度)时，温度传感器700的突变式MIT器件710经历突变式MIT，并因而其电流突发地增加。所增加的电流导通继电器开关800，以对蜂鸣器500和发光二极管600供给能量，从而生成声音和光信号。
与包括几个电路组件的传统传感器单元(见图1)不同，温度传感器700仅使用一个突变式MIT器件。相应地，可以非常简单地构造本发明的报警装置。另外，由于可以使用可变电阻器来容易地改变温度传感器700的感测温度，所以可以设计感测装置在所期望的感测温度处进行操作。此外，由于能够以小尺寸来廉价地构造温度传感器700，所以也能够以小尺寸来廉价地构造报警装置。
图10是根据本发明另一实施例的包括使用突变式MIT器件的温度传感器的报警装置的电路图。
与图8的报警装置不同，图10的报警装置没有使用继电器开关800和源电压Vcc。
参考图10，温度传感器700的突变式MIT器件710在感测温度(即，转变温度)处经历突变式MIT，从而通过更多电流。相应地，对应的电流分别流经蜂鸣器500和发光二极管600，从而生成声音和光信号。尽管小电流在低于转变温度的温度处流动，但是这种小电流太微弱以至于无法操作蜂鸣器500。另外，由于大部分电压跨接地施加到温度传感器700上，所以跨接在发光二极管600上的电压太微弱以至于无法操作发光二极管600。
如图8的实施例中，不但可以将蜂鸣器500和发光二极管600，而且可以将能够生成各种电信号、光或声音的各种电气或电子装置用于报警信令单元。另外，仅可以使用蜂鸣器500和发光二极管600之一，并且报警信令单元可以安装于远程控制台中。
如上所述，该实施例甚至不需要继电器开关。相应地，可能进一步简化报警信令单元的内部电路，并因而构造更小和更廉价的报警信令单元。
图11是使用双列直插式封装(DIP)型突变式MIT器件的报警装置的图片，其使用图10的电路。
参考图11，附图标记710a和720分别表示DIP型突变式MIT器件和可变电阻器720。“DIP型”意味着与一般半导体芯片一样地、使用诸如环氧的密封材料来密封突变式MIT器件。
图12是使用CAN型突变式MIT器件的报警装置的图片，其使用图10的电路。
参考图12，附图标记710b和720分别表示CAN型突变式MIT器件和可变电阻器720。“CAN型”意味着打开突变式MIT器件的上表面，暴露突变式MIT层的一部分。由于可以通过打开部分来照射电磁波，所以可以便利地将CAN型突变式MIT器件用于诸如红外探测器的电磁波传感器。可以在CAN型突变式MIT器件的上表面的打开部分处形成透镜。透镜将光会聚到突变式MIT层，并且防止突变式MIT器件受到污染。
图13是根据本发明实施例的使用突变式MIT器件的蓄电池防爆电路的电路图。
参考图13，蓄电池防爆电路包括蓄电池900、MIT传感器710和由蓄电池900供电的保护电路体950。MIT传感器710附着于蓄电池900，以感测蓄电池900的温度，从而防止蓄电池900的可能的爆炸。蓄电池900可以是诸如锂离子蓄电池的可充电电池。MIT传感器710可以是能够感测蓄电池900的温度的温度传感器，以防止蓄电池900由于温度上升而爆炸。
蓄电池900的一端连接到MIT传感器710的突变式MIT器件的第一电极层，连接到4-端继电器开关800的第一端，并且连接到保护电路体950的一端。蓄电池900的另一端连接到继电器开关800的第二端和第三端，并且连接到保护电路体950的另一端。突变式MIT器件的第二电极层连接到继电器开关800的第四端。当突变式MIT器件由于蓄电池900中的温度上升而经历突变式MIT时，在继电器开关800的第三端和第四端之间发生突变式电流改变。通过该突变式电流改变来导通继电器开关800的第一端和第二端，从而防止了蓄电池900的可能的爆炸。
如图13所图示，为了改变突变式MIT器件的转变温度或保护突变式MIT器件，可以将可变电阻器720连接在蓄电池900的一端和突变式MIT器件的第一电极层之间。为了防止电短路，可以将继电器电阻器820连接在蓄电池900的一端和继电器开关800的第一端之间。为了保护该保护电路体950，可以将过电流防止装置850(例如，正温度系数的热敏电阻器(PTC))连接在蓄电池900的一端和保护电路体950的一端之间。继电器电阻器820可以具有几Ω的阻抗，而可变电阻器720可以具有比继电器电阻器820更高的阻抗。
图14是图示了图13所图示的蓄电池防爆电路的修改的电路图。
参考图14，继电器开关800串联连接在蓄电池900和保护电路体950之间。在正常的操作中，继电器开关800连接蓄电池900和保护电路体950。当在蓄电池900的充电/放电操作期间、蓄电池900的温度增加到预定水平时，附着于蓄电池900的MIT传感器713操作以短路继电器开关800，而蓄电池900的另一MIT传感器710操作以放电蓄电池900，从而防止了蓄电池900的可能的爆炸。其后，当蓄电池900的温度下降到预定水平以下时，继电器开关800正常操作。尽管将MIT传感器713图示为与蓄电池900分离，但是不但MIT传感器710而且MIT传感器713可被附着于蓄电池900。
图15是图示了图13所图示的蓄电池防爆电路的另一修改的电路图。
参考图15，虽然图15的蓄电池防爆电路基于与图14的蓄电池防爆电路相同的原理进行操作，但是其使用晶体管来代替图14的继电器开关800。如在图14的蓄电池防爆电路中，MIT传感器710和715也附着于蓄电池900。由于电流流向在蓄电池900的充电和放电操作之间变化，所以充电晶体管835和放电晶体管835分别用于充电操作和放电操作。在充电操作中，因为附着于蓄电池900的MIT传感器715没有经历突变式MIT，所以电流流经充电晶体管835。当在充电操作期间从蓄电池900放热时，MIT传感器715操作以中断充电晶体管835的传导电流。然后，MIT传感器710操作以对蓄电池900进行放电，从而防止了蓄电池900的可能的爆炸。在放电操作中，放电晶体管835正常操作。当在放电操作期间在蓄电池900产生热量时，MIT传感器715操作以中断放电晶体管835的传导电流。然后，MIT传感器710操作以对蓄电池900进行放电，从而防止了蓄电池900的可能的爆炸。当电流流经栅极引出端时，晶体管835中断其他两个引出端之间的电流。当没有电流流经栅极引出端时，晶体管835允许电流在其他两个引出端之间流动。
在本实施例的蓄电池防爆电路中，蓄电池的大电流在转变温度(例如，68℃)或更高处流经继电器开关，导致了放电操作。相应地，蓄电池的内部电压降低，以防止蓄电池的可能的爆炸。因此，本实施例的蓄电池防爆电路可以方便地用于使用蓄电池的任何电、电子或机械装置，诸如蜂窝电话、笔记本计算机、和汽车。
引起突变式MIT的外部因素的示例是温度、电磁波(例如，红外线)、压力、磁场、和包括氧、碳、氢、氮、氯、和硫的化学气体。因此，可以利用根据本发明实施例的MIT传感器，以用于各种产业领域中的各种目的。例如，通过并联和/或串联连接突变式MIT器件、或通过以阵列或矩阵配置来排列它们，MIT传感器可以用作可以感测电磁波以传送图像信号的图像传感器。
尽管已经参考本发明的示范实施例而具体示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
工业实用性
本发明涉及传感器和报警装置，且更具体地，涉及一种突变式金属-绝缘体转变(MIT)器件、一种使用该突变式MIT器件的MIT传感器以及一种包括该MIT传感器的报警装置和蓄电池防爆电路。可编程MIT传感器指示编程地控制MIT转变温度或MIT转变电压。本发明的突变式MIT器件可以用于实现诸如温度传感器、磁场传感器、图像传感器、电磁波传感器、压力传感器、和气体浓度传感器的各种传感器。而且，本发明的MIT传感器可以附着于蓄电池，以实现蓄电池防爆电路并防止蓄电池由于过度的温度上升而爆炸。
Claims (26)
1.一种突变式MIT(金属-绝缘体转变)器件，包括：
突变式MIT层，在转变温度或转变电压处经历突变式MIT；以及
接触突变式MIT层的至少两个电极层，
其中，转变温度或转变电压随影响突变式MIT层的以下因素中的至少一个而变化：施加到电极层的电压、温度、电磁波、压力和气体浓度。
2.如权利要求1的突变式MIT器件，其中，两个电极层与介于其间的突变式MIT层垂直地堆栈，或两个电极层分别形成于突变式MIT层的两端之上。
3.如权利要求1的突变式MIT器件，其中，突变式MIT层由下列材料中的至少一个来形成：添加了低浓度孔的无机化合物半导体或绝缘体材料、添加了低浓度孔的有机半导体或绝缘体材料、添加了低浓度孔的半导体材料、和添加了低浓度孔的氧化物半导体或绝缘体材料，所述无机化合物半导体或绝缘体材料、有机半导体或绝缘体材料、半导体材料、和氧化物半导体或绝缘体材料包括下列元素中的至少一个：氧、碳、半导体元素(例如，组III-V化合物或组II-VI化合物)、转换金属元素、稀土元素、和镧基元素。
4.如权利要求3的突变式MIT器件，其中，突变式MIT层由二氧化钒(VO2)或掺杂有低浓度孔的砷化镓(GaAs)来形成。
5.如权利要求1的突变式MIT器件，其中，电磁波包括红外线，并且通过向突变式MIT层照射电磁波来变化转变温度或转变电压。
6.如权利要求1的突变式MIT器件，其中，突变式MIT器件用于温度传感器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器和开关中的至少一个。
7.一种使用权利要求1的突变式MIT器件构造的MIT传感器。
8.如权利要求7的MIT传感器，其中，MIT传感器是下列器件中的至少一个：温度传感器、电磁波探测器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器、粒子探测器(电子、离子、宇宙射线)、和开关。
9.如权利要求7的MIT传感器，其中，突变式MIT器件与同类器件并联和/或串联连接(阵列式传感器)，或突变式MIT器件与同类器件按照阵列或矩阵配置排列(阵列式传感器)。
10.如权利要求7的MIT传感器，其中，利用密封材料来封闭地密封突变式MIT层和电极层，以形成DIP型突变式MIT器件，打开CAN型突变式MIT器件或突变式MIT层的一部分，以形成CAN型突变式MIT器件。
11.如权利要求10的MIT传感器，其中，突变式MIT器件被构造为CAN类型，并且在CAN型突变式MIT器件的打开部分处形成透镜，以将电磁波会聚到突变式MIT层。
12.如权利要求11的MIT传感器，其中，将电磁波照射到突变式MIT层，以变化突变式MIT器件的转变温度或转变电压。
13.如权利要求7的MIT传感器，其中，MIT传感器直接地或通过继电器开关来电气连接到报警信令单元，以感测温度、压力、气体浓度、和电磁波强度中的至少一个，以及
当感测值等于或大于参考值时，通过报警信令单元来生成报警信号。
14.如权利要求13的MIT传感器，其中气体浓度是包括氧、碳、氢、氮、氯、和硫中的至少一个的气体的浓度。
15.如权利要求7的MIT传感器，进一步包括用于向外耗散突变式MIT层的热量的散热器。
16.如权利要求7的MIT传感器，进一步包括与突变式MIT器件串联连接的可变电阻器，以调整施加到突变式MIT器件的电压。
17.一种报警装置，包括：
如权利要求7所述的MIT传感器；以及
与所述MIT传感器串联连接的报警信令单元。
18.如权利要求17的报警装置，其中，MIT传感器是下列器件中的至少一个：温度传感器、电磁波探测器、红外传感器、图像传感器、压力传感器、气体浓度传感器、粒子探测器和开关。
19.如权利要求17的报警装置，其中，电磁波包括红外线，并且通过向突变式MIT层照射电磁波来变化转变电压或转变温度。
20.如权利要求17的报警装置，其中，突变式MIT器件与同类器件并联和/或串联连接，或突变式MIT器件与同类器件按照阵列或矩阵配置排列。
21.如权利要求20的报警装置，其中，MIT传感器通过阵列或矩阵配置来感测包括红外线的电磁波，以向报警信令单元发送包括图像信号的报警信号。
22.一种蓄电池防爆电路，包括：
蓄电池；
如权利要求7所述的MIT传感器，其附着于蓄电池，以感测蓄电池的温度，并因而防止蓄电池的可能的爆炸；以及
由蓄电池供电的保护电路体。
23.如权利要求22的蓄电池防爆电路，其中，蓄电池的一端连接到MIT传感器的突变式MIT器件的第一电极层、4-端继电器开关的第一端以及保护电路体的一端，
蓄电池的另一端连接到继电器开关的第二端和第三端、以及保护电路体的另一端，
突变式MIT器件的第二电极层连接到继电器开关的第四端，以及
突变式MIT器件经历由于蓄电池中的温度上升引起的突变式MIT，突变式电流变化发生于继电器开关的第三端和第四端之间，以便控制继电器开关，并且通过突变式电流变化来导通继电器开关的第一端和第二端，以防止蓄电池的可能的爆炸。
24.如权利要求23的蓄电池防爆电路，其中，可变电阻器连接在蓄电池的一端和突变式MIT器件的第一电极层之间，以改变突变式MIT器件的转变温度或以保护突变式MIT器件，以及
继电器电阻器连接在蓄电池的一端和继电器开关的第一端之间，以防止蓄电池防爆电路的电短路。
25.如权利要求22的蓄电池防爆电路，其中，MIT传感器包括第一MIT传感器和第二MIT传感器，
蓄电池的一端连接到第一MIT传感器的一端，第一MIT传感器的另一端连接到蓄电池的另一端，4-端继电器开关串联连接在蓄电池和保护电路体之间，用于控制继电器开关的第二MIT传感器的一端连接到蓄电池的另一端和继电器开关的第一端，第二MIT传感器的另一端连接到作为控制输入端的继电器开关的第二端，继电器开关的第三端连接到接地点，并且继电器开关的第四端连接到保护电路体，以及
在蓄电池中的温度上升的情况下，第二MIT传感器操作以中断流经继电器开关的电流，以及同时第一MIT传感器操作以对蓄电池进行放电，以防止蓄电池的可能的爆炸。
26.如权利要求22的蓄电池防爆电路，其中，MIT传感器包括第一MIT传感器、第二MIT传感器、和第三MIT传感器，
蓄电池的一端连接到第一MIT传感器的一端，第一MIT传感器的另一端连接到蓄电池的另一端，两个并联晶体管连接在蓄电池的一端和保护电路体之间，第二MIT传感器连接在蓄电池和用于放电操作的两个并联晶体管中的第一晶体管的栅极引出端之间，并且第三MIT传感器连接在保护电路体和用于充电操作的两个并联晶体管中的第二晶体管的栅极引出端之间，以及
在蓄电池中的温度上升的情况下，第二MIT传感器和第三MIT传感器操作以中断流经晶体管的电流，以及同时第一MIT传感器操作以对蓄电池进行放电，以防止蓄电池的可能的爆炸。
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