CN101512351A - 连续测量金属-绝缘体转变元件的突变的金属绝缘体转变的电路以及利用此电路的金属-绝缘体转变传感器 - Google Patents

连续测量金属-绝缘体转变元件的突变的金属绝缘体转变的电路以及利用此电路的金属-绝缘体转变传感器 Download PDF

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CN101512351A CNA2007800332950A CN200780033295A CN101512351A CN 101512351 A CN101512351 A CN 101512351A CN A2007800332950 A CNA2007800332950 A CN A2007800332950A CN 200780033295 A CN200780033295 A CN 200780033295A CN 101512351 A CN101512351 A CN 101512351A
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Abstract

提供一种用于连续测量金属－绝缘体转变(MIT)元件的突变MIT的电路以及利用该电路的MIT传感器。所述电路包括：被测量对象单元，包括具有在转变电压处发生突变MIT的MIT元件；供电单元，施加预定的脉冲电流或电压信号给被测量对象单元；测量单元，测量MIT元件的突变MIT；以及微处理器，控制供电单元和测量单元。突变MIT测量电路连续地测量MIT元件的突变MIT，因此能够将其用作感知外部因素变化的传感器。

Description

连续测量金属-绝缘体转变元件的突变的金属绝缘体转变的电路以及利用此电路的金属-绝缘体转变传感器
本申请主张2006年8月7日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请No.10-2006-0074310，以及2006年12月15日申请的韩国专利申请No.10-2006-0128928的权益，这里通过引用将它们全部编入本公开。
技术领域
本发明涉及金属-绝缘体转变(MIT)设备，更特定地，涉及MIT元件应用电路以及使用其的MIT传感器。
背景技术
近年来，人们已经研究出新的MIT应用技术。人们一般知道，钒氧化物(V2O5)在68℃发生突变跳跃，因此能够将产生突变MIT的钒氧化物的陶瓷材料用作感知特定温度的传感器。然而，在论文“New J.Phys.6(2004)52(www.njp.org)”中发现并公开了一个新的事实：人们能够控制突变的MIT。
传感器通常分为感知光、磁、压力等物理量传感器，以及感知气体、湿度等化学量的传感器。随着技术的不断进步，人们已经开发出各种各样的高精度传感器。
其中的一种传感器是使用热敏电阻器或者双金属材料的温度传感器。能够由温度传感器所感知的温度范围被限定于特定温度，或者可以非常宽。感知光强度的传感器包括用于数码相机或摄像机的电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。这些传感器价格昂贵并且只能感知光线。
在MIT元件中，从绝缘体到金属的突变发生在特定电压(下面被称为“转变电压”)或者在特定温度(下面被称为“转变温度”)处。如上所述，能够对转变电压或者转变温度进行控制。利用电压-电流曲线，能够将MIT现象解释为在转变电压或转变温度处突变的电流跳跃。MIT元件的转变电压或转变温度能够根据例如光线、温度、压力或气体的外部因素来改变。因此，通过连续地测量MIT元件的突变MIT跳跃能够感知外部因素的变化。然而，能够测量MIT元件的突变MIT的电路还没有被开发出来。
发明内容
技术问题
本发明提供能够连续地测量MIT元件的突变MIT的电路，以及使用此电路的MIT传感器。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供用于测量MIT元件的突变MIT的电路，包括：被测量对象单元，包括突变MIT发生在它的转变电压处的MIT元件；供电单元，向被测量对象单元施加预定的脉冲电流或电压信号；测量单元，测量MIT元件的突变MIT；以及控制器，控制供电单元和测量单元。
被测量对象单元可以包括与MIT元件串行连接的保护电阻器，并且供电单元可以包括：DAC(数模转换器)，产生脉冲电流或电压信号；以及运算放大器，放大DAC的输出信号。测量单元可以包括比较器和边沿触发型触发器或者采样保持器，存储比较器的输出信号并且将所存储的信号发送给控制器的微处理器。能够将MIT元件中的电阻部件代替外部电阻器用作保护电阻器。
可以将比较器的第一输入端子连接到MIT元件和保护电阻器之间，并且它的第二输入端子可以接收与MIT元件的转变电压相对应的参考电压。通过可变电阻器可以控制参考电压，并且可以将由供电单元所产生的脉冲电流或电压信号施加于MIT元件。当第一输入端子电压低于第二输入端子电压时，比较器可以输出低信号，当第一输入端子电压等于或高于第二输入端子电压时，比较器输出高信号，边沿触发型触发器或者采样保持器可以存储比较器的输出信号并将所述输出信号发送给微处理器。
微处理器可以通过数据总线控制DAC的输出信号。参考电压可以由控制器的微处理器来施加。
被测量对象单元可以包括与MIT元件串行连接的保护电阻器，供电单元可以包括：DAC，产生脉冲电流或电压信号；以及运算放大器，放大DAC的输出信号。测量单元可以包括采样保持器，以及ADC(模数转换器)，将采样保持器的输出信号转换为数字信号。
可以以高的频率将脉冲电流或电压信号施加于MIT元件。采样保持器可以将MIT元件电压或电流的变化保存一段预定的时间。ADC可以接收采样保持器的输出信号，将所述输出信号转换为数字信号，并且将所述数字信号发送给控制器的微处理器。
控制器的微处理器可以将控制信号输出给DAC，并且通过数据总线从ADC接收与MIT元件的电压或电流变化相对应的信号。通过数据总线的信号发送可以由芯片选择器来控制。
被测量对象单元可以包括与MIT元件串行连接的保护电阻器，并且供电单元可以包括：晶体管，被脉冲电流或电压信号所控制；以及输入电源，将固定电压施加于被测量对象单元。测量单元可以包括：比较器；以及边沿触发型触发器或采样保持器，存储比较器的输出信号，并且将所存储的信号发送给控制器的微处理器。
可以将比较器的第一输入端子连接到MIT元件和保护电阻器之间，并且它的第二输入端子可以接收与MIT元件的转变电压相对应的参考电压。通过可变电阻器可以控制参考电压。当第一输入端子电压低于第二输入端子电压时，比较器可以输出低信号，当第一输入端子电压等于或高于第二输入端子电压时，比较器输出高信号。边沿触发型触发器或者采样保持器可以存储比较器的输出信号并将所述输出信号发送给控制器的微处理器。
脉冲电流或电压信号可以由微处理器产生并且施加于晶体管，或者由另外的脉冲产生振荡器产生并且施加于晶体管。
所述晶体管可以是双极性晶体管或者MOS(金属氧化半导体)晶体管。当晶体管是双极性晶体管时，将脉冲电流或电压信号施加于双极性晶体管的基极，并且可以将被测量对象单元连接到双极性晶体管的集电极或发射极。当晶体管是MOS晶体管时，将脉冲电流或电压信号施加于MOS晶体管的栅极，并且可以将被测量对象单元连接到MOS晶体管的漏极或源极。
被测量对象单元可以包括与MIT元件串行连接的保护电阻器，并且供电单元可以包括：晶体管，被脉冲电流或电压信号所控制；以及输入电源，将固定电压施加于被测量对象单元。测量单元可以包括：采样保持器；以及ADC，将采样保持器的输出信号转换为数字信号。
可以将高频率的脉冲电压或电流信号施加于MIT元件。所述采样保持器可以将MIT元件的电压或电流变化保存预定的一段时间。所述ADC可以接收采样保持器的输出信号，将输出信号转换为数字信号，并且将数字信号发送给控制器的微处理器。
被测量对象单元可以包括：至少两个MIT元件；以及一个多路器，用于选择MIT元件。微处理器可以将选择信号施加于选择至少一个MIT元件的多路器，以便测量至少一个所选择MIT元件的突变MIT。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用突变MIT测量电路所制造的MIT传感器。
所述MIT传感器可以对应于温度传感器、红外线传感器、图像传感器、压力传感器、电磁传感器、颗粒检测器、气体浓度传感器和开关中的一个。被测量对象单元可以包括串行、并行或串并组合连接，或者排列为阵列或矩阵的多个MIT元件。
MIT元件可以被排列成阵列或矩阵形式，并且具有根据包含红外线的电磁波而改变的转变电压，突变MIT测量电路检测转变电压以便测量电磁波的强度。
MIT传感器可以是图像传感器。
根据本发明的突变MIT测量电路能够连续地测量MIT元件的突变MIT。更进一步，由于MIT元件的转变电压或转变温度根据诸如温度、压力或气体浓度的外部因素而改变，通过连续地测量MIT元件的突变MIT，能够将突变MIT测量电路用作感知外部因素变化的传感器。因此，根据本发明的利用突变MIT测量电路所制造的MIT传感器能够感知例如光线、压力、温度或气体浓度的物理或化学变化。
有益效果
根据本发明的突变MIT测量电路能够连续地测量MIT元件的突变MIT。更进一步，由于MIT元件的转变电压或转变温度随着例如温度、压力或气体浓度的外部因素而改变，通过连续地测量MIT元件的突变MIT，能够将突变MIT测量电路用作感知外部因素变化的传感器。此外，将多个MIT元件排列成阵列或矩阵形式，以及通过MIT测量电路感知光线强度，以构建数码相机中使用的图像传感器。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例实施例，本发明的以上或其它特征和优点将变得更加显而易见，其中，
图1A是具有垂直结构的金属-绝缘体转变(MIT)元件的横截面图；
图1B是具有平面结构的MIT元件的横截面图；
图1C是图1B中所示的MIT元件的平面图；
图2是MIT元件和保护电阻器的等效电路；
图3A说明了图2中所示电路的电压-电流曲线中的突变跳跃；
图3B是利用仿真通过数字化图3A中所示的电压-电流曲线所获得的图形；
图4给出了根据本发明实施例的用于测量MIT元件的突变MIT的电路；
图5给出了根据本发明另一个实施例的用于测量多个MIT元件的突变MIT的电路；
图6给出了根据本发明另一个实施例的用于测量多个MIT元件的突变MIT的电路；
图7给出了根据本发明另一个实施例的用于测量MIT元件的突变MIT的电路；
图8给出了根据本发明另一个实施例的用于测量MIT元件的突变MIT的电路；
图9是由图8中所示电路测量的、说明MIT元件的突变MIT跳跃的图形；
图10是说明当光线照射在MIT元件上时，突变MIT跳跃点随着光线强度连续地变化的图形；以及
图11A和11B是说明当热量施加到MIT元件时，突变MIT跳跃随着从MIT元件所感知的温度而连续地改变的图形；
具体实施方式
现在将参考示出本发明示例实施例的附图更加全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式来实例化，不应当理解为局限于这里所给出的实施例；更确切地，提供这些实施例以便本公开是透明和完全的，以及将本发明的概念完全地传递给本领域技术人员。在整个附图中，相似的参考标号表示相似的元件。
金属绝缘转变(MIT)元件包括一个转变薄膜和至少两个电极薄膜。根据转变薄膜和电极薄膜位置的不同，MIT元件可以有垂直结构或平面结构。
图1A是具有垂直结构的MIT元件的横截面图。参考图1A，垂直结构的MIT元件包括：基底10；缓冲层20，在基底10上形成；在缓冲层20上依次形成的第一电极薄膜41、转变薄膜30和第二电极薄膜42。
缓冲层20减小了基底10与第一电极薄膜41之间的网格失配。当基底10与第一电极薄膜41之间的网格失配不明显时，能够在基底10上直接形成第一电极薄膜41，而不用在它们之间形成缓冲层20。缓冲层20可以由SiO2或Si3N4来形成。
转变薄膜30能够由下列材料来形成：添加低密度孔的无机化合物半导体或绝缘体，例如，氧、碳、半导体元素(III-V组和II-VI组)、转变金属元素、稀土元素和镧系元素；添加低密度孔的有机半导体或绝缘体；添加低密度孔的半导体；或添加低密度孔的氧化半导体或绝缘体。添加孔的密度近似为3×1016cm-3。更进一步，转变薄膜30能够由具有非常大的阻抗的N型半导体或者绝缘体形成。
电极薄膜40能够由从W、Mo、W/Au、Mo/Au、Cr/Au、Ti/W、Ti/Al/N、Ni/Cr、Al/Au、Pr、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组成的组中所选择的至少一种材料所形成。电极薄膜40能够通过利用溅射、蒸发和电子束沉淀中的至少一种来形成。
基底10能够由从Si、SiO2、GaAs、Al2O3、塑料、玻璃、V2O5、PrBa2Cu3O7、YBa2Cu3O7、MgO、SrTiO3、掺杂Nb的SrTiO3和SOI(绝缘体上的硅)组成的组中所选择的至少一种材料来形成。
MIT元件的电特性随着电压或温度而突然变化。就是说，MIT元件在低于转变电压的电压或者低于转变温度的温度处具有绝缘特性。在等于或高于转变电压的电压或者等于或高于转变温度的温度处，在MIT元件中发生突变MIT，从而MIT元素具有金属特性。
图1B是具有平面结构的MIT元件的横截面视图。参考图1B，具有平面结构的MIT元件包括：基底10；缓冲层20，在基底10上形成；转变薄膜30a，在缓冲层20的预定部分上形成；第一和第二电极薄膜41a和42a，在缓冲层20上形成，并且位于转变薄膜30a的两侧。通过在第一和第二电极薄膜41a和42a之间放置转变薄膜30a将它们彼此分隔开。
图1C是图1B中所示的平面MIT元件的平面图。参考图1C，图解了缓冲层20、转变薄膜30a、以及第一和第二电极薄膜41a和42a。
上述的垂直型或平面型MIT元件能够以微米的小尺寸和低的成本来生产。当改变MIT元件的结构时，例如，当改变图1C中所示的电极薄膜之间的距离(d)或者电极薄膜的宽度(w)时，能够改变转变电压或转变温度。更进一步，例如光线、温度、压力或气体浓度的外部因素的变化能够改变转变电压或转变温度。因此，通过测量转变电压的变化或者转变温度的变化，即突变MIT的变化，能够感知外部因素的变化。现在将解释用于测量突变MIT跳跃的电路。
图2是MIT元件100和保护电阻器RP 150的等效电路。参考图2，保护电阻器RP 150保护MIT元件100。将输入电压Vinput直接施加于MIT元件100。然而，也能够将输入电压Vinput施加于保护电阻器RP 150。此外，能够将MIT元件中的电阻分量代替外部电阻器用作保护电阻器。
图3A给出了图2中所示电路的电压-电流(V-I)曲线的突变跳跃。通过在增加施加于图2中所示电路的输入电压Vinput的同时测量电流，获得图3A中所示的图形。
参考图3A，MIT元件100在低于转变电压的电压处具有绝缘特性。当输入电压Vinput低于转变电压时，因此所述电流根据欧姆定律线性地增加。然而当输入电压Vinput等于或高于转变电压时，MIT元件100具有金属特性，因此大大减小了它的电阻并且发生电流的突变跳跃。因为图2中所示的电路包括保护电阻器RP 150，只有当输入电压Vinput略微高于转变电压时，才能在MIT元件100中实际产生突变MIT跳跃，以下将MIT元件解释为，假设保护电阻器RP 150具有非常小的电阻，当输入电压Vinput等于转变电压时，发生突变MIT跳跃。
图3B是利用仿真通过数字化图3A中所示的电压-电流曲线所获得的图形。参照图3B，当输入电压Vinput等于或高于突变跳跃B发生处的转变电压(DA电压)时，输入电压Vinput的值为高。当输入电压Vinput低于转变电压时，它的值为低。当某个信号施加于电路时，通过测量流经图2中所示电路的电流或者施加于MIT元件的电压，把测量值与参考电流或参考电压进行比较，以及分配高或低值给测量值，能够获得利用MIT元件的数字化。例如，利用比较器能够将输入到图2所示电路的模拟信号转换为数字信号。能够连接具有不同转变电压的多个MIT元件以便构建数字电路。
图4给出了根据本发明实施例的用于测量MIT元件的突变MIT的电路。参考图4，突变MIT测量电路包括被测量对象单元100、供电单元300、测量单元400和微处理器700。被测量对象单元100包括MIT元件120和保护电阻器RP 150。供电单元300包括：数模转换器(DAC)320，将数字信号转换为模拟信号；以及运算放大器350，放大DAC 320的输出信号。通过DAC 320和运算放大器350将足够大的脉冲电压信号Vinput施加于MIT元件120。
测量单元400包括比较器420和边沿触发型触发器450。将施加于MIT元件120的电压Vmit输入到比较器420的第一输入端子，并且将与MIT元件120的转变电压相对应的参考电压Vi施加于比较器420的第二输入端子。通过将两个电阻器220和240连接到固定电压Vicc的电源来控制参考电压Vi。两个电阻器220和240中的一个是可变电阻器Rv。因此，通过调整可变电阻器240能够控制参考电压Vi与被测量MIT元件120的转变电压相对应。
当第一输入端子的电压Vmit低于第二输入端子的电压即参考电压Vi时，比较器420的输出值为低，当第一输入端子的电压Vmit等于或高于第二输入端子的电压Vi时，比较器420的输出值为高。因此，当第一输入端子的电压Vmit低于转变电压时，比较器420连续地输出低值，当第一输入端子的电压Vmit等于转变电压或者瞬间地变得高于转变电压时，比较器420瞬间地输出高值。因为突变MIT跳跃仅仅在转变电压处或在等于或高于转变电压的电压处瞬时地发生，从而，第一输入端子的电压Vmit立即被降低到小于转变电压，所以比较器420仅瞬间地输出高值。
与比较器420输出端子相连的边沿触发型触发器450暂时地存储从比较器420输出的瞬时高值，并且将所存储信号发送给微处理器700。采样保持器能够代替边沿触发型触发器450。
在将参考电压Vi设置为突变MIT之后的电压或者设置为略高于突变MIT之后电压的电压的情况下，在突变MIT发生之前的所有时间，比较器420的第一输入端子的电压等于或高于参考电压Vi，并且当第一输入端子的电压Vmit等于或高于参考电压Vi时，比较器420输出低值，当第一输入端子的电压Vmit低于或等于参考电压Vi时，比较器420输出高值。比较器420在突变MIT之前连续地输出低值，因为第一输入端子的电压Vmit等于或高于参考电压Vi。当第一输入端子的电压Vmit变得等于或高于转变电压以导致突变MIT时，比较器420输出高值，因为第一输入端子的电压Vmit变得等于或高于参考电压Vi。
微处理器700通过数据总线控制DAC 320以调整施加于被测量对象单元100的电压或电流。另外，微处理器700接收边沿触发型触发器450的输出信号，连续地检测MIT元件120的突变MIT跳跃是否发生，并且存储检测结果。当在本实施例中通过附加电源将参考电压Vi施加于比较器420的第二输入端子时，能够修改电路以便微处理器700施加适当的参考电压到比较器420的第二输入端子。
图5给出了根据本发明另一个实施例的用于测量多个MIT元件的突变MIT的电路。参考图5，除了被测量对象单元100a包括多个MIT元件120a和模拟多路器170以便测量多个MIT元件120a之外，所述电路与图4中所示的电路相同。
将多个MIT元件120a与模拟多路器170并行连接。模拟多路器170从多个MIT元件120a中选择需要被测量的MIT元件，以便仅仅测量所选择MIT元件的突变MIT跳跃。模拟多路器170通过用于选择需要测量的MIT元件的信号线，从微处理器700接收选择信号。
图6给出了根据本发明另一个实施例的用于测量多个MIT元件的突变MIT的电路。参考图6，除了测量单元500使用采样保持器520和模数转换器(ADC)550代替图5中所示的比较器420和边沿触发型触发器450以便根据以高频率输入的模拟电压Vinput或电流信号来正确地测量MIT元件120a的突变MIT之外，所述电路与图5中所示的电路相同。就是说，当以高的频率输入电压信号Vinput时，包含如图4和5中所示的比较器420的测量单元400无法正确地测量突变MIT。因此，在本实施例中，测量单元500使用能够保持高频信号一段非常短时间的采样保持器520，以便使用高频输入电压或电流信号正确测量MIT元件120a的突变MIT。
通过ADC 550将瞬时保存在采样保持器520中的信号转换为数字信号，并且发送给微处理器700。当供电单元300的DAC 320和测量单元500的ADC 550通过相同的数据总线发送和接收数据时，通过包含在DAC 320和ADC 550中的芯片选择器将所述信号彼此区分开。
虽然图6中所示的电路包括多路器170以便测量多个MIT元件120a的突变MIT，但是当测量单个MIT元件的突变MIT时，可以省略所述多路器。
图7给出了根据本发明另一个实施例的用于测量MIT元件的突变MIT的电路。参考图7，除了供电单元800的配置与图4中所给出的电路不同之外，所述电路与图4中所给出的电路相同。就是说，供电单元800包括提供固定电压Vinput的输入电源830以及用作电流器件的晶体管810。晶体管810可以是双极性晶体管或者互补金属氧化半导体(CMOS)晶体管。通过施加于其基极或栅极的脉冲信号导通或截止晶体管810。
当晶体管810是双极性晶体管时，将被测量对象单元100连接到双极性晶体管的集电极或发射极。当所述晶体管是MOS晶体管时，将被测量对象单元100连接到MOS晶体管的源极或漏极。
图7给出了PNP双极性晶体管810，并且将被测量对象单元100连接到PNP双极性晶体管810的发射极。PNP双极性晶体管810的基极连接到晶体管电阻器Rt 820并且接收脉冲信号850。双极性晶体管810是电流器件，并且与基极电流和电流增益的乘积相对应的电流流向晶体管的发射极。微处理器700能够产生施加于双极性晶体管810基极的脉冲信号850。否则，可以利用附加的脉冲信号振荡器产生脉冲信号，并且施加于双极性晶体管810的基极。
测量单元400的比较器420和边沿触发型触发器450以数字方式检测MIT元件120中所产生的突变MIT，如图4和5中给出的上述实施例所描述的。当在本实施例中测量多个MIT元件时，可以使用多路器。
图8给出了根据本发明另一个实施例的用于测量MIT元件的突变MIT的电路。参考图8，除了测量单元500使用采样保持器520和ADC 550代替比较器420和边沿触发型触发器450之外，所述电路与图7中所示的电路相同。如前面图6中所示的实施例所描述的，当高频率信号施加于MIT元件120时，图7中所示的比较器420不能正确地测量突变MIT。因此，使用采样保持器520检测高频率信号，并且ADC 550将从采样保持器520输出的模拟信号转变为数字信号。
在本实施例中，脉冲信号850能够利用附加的振荡器来产生，并且能够利用多路器来测量多个MIT单元的突变MIT。现在将解释使用上述MIT测量电路所获得的、关于发生在MIT元件中的突变MIT跳跃的实验数据，以及MIT测量电路的应用领域。
图9是说明由图8中所示电路所测量的、MIT元件的突变MIT跳跃的图形。参考图8和9，当脉冲信号850施加于图8中所示的突变MIT测量电路的晶体管810的基极时，电流流向晶体管810的发射极。因为如上所述，发射极电流与基极电流成正比变化，在绝缘状态下流经MIT元件120的电流突然地增加，因此根据欧姆定律在MIT元件120处的电压也突然地增加。当所述电压等于或高于MIT元件120的转变电压时，在MIT元件120中发生突变MIT，并且MIT元件120的电压突然减小。
在图9所示的图形中，突变的MIT跳跃引起电压下降。MIT元件120的转变电压由于MIT元件120的温度变化从近似11伏减小近似4伏。按照实际的实验数据，温度增加近似21℃，由于所述温度的变化产生近似4伏的电压变化C。
如图9所示，在MIT元件从绝缘体转变为金属之后，MIT元件的电压按照欧姆定律变化，然后返回到绝缘状态。
当施加周期为4毫秒的脉冲信号时，得到图9所示的图形。所述图形说明，通过使用图8中所示的采样保持器520，能够正确地测量由例如短周期脉冲信号的高频率信号所引起的突变MIT跳跃。
凭借转变电压随温度变化的特性，可以将MIT元件用作温度传感器。就是说，利用突变MIT测量电路能够连续地测量突变MIT以感知外部温度变化，因此能够将MIT测量电路用作温度传感器。
图10给出了当光线照射在MIT元件上时，突变MIT跳跃随着光线强度连续变化的图形。在图10中，上半部分给出了电压-电流曲线，下半部分给出了数字化电压-电流曲线所获得的结果。
参考图10，电压-电流曲线显示了根据照射在MIT元件上的光线强度发生突变MIT跳跃处的转变电压的变化。光线的波长为1.55毫米，光线强度从-30dBm到20dBm。如图10所示，随着光线强度的增加，转变电压会减小。因此，利用上述的MIT测量电路连续地测量随着光线(即电磁波)变化的MIT元件的转变电压，以这种方式，有可能构建电磁波测量传感器。进一步，以阵列或矩阵排列大量的MIT元件，并且利用前面的MIT测量电路测量MIT元件的突变MIT，以这种方式有可能构建在数码相机中使用的图像传感器。
图10的下半部分图形显示：因为发生突变MIT跳跃的电压随着电磁波的强度而变化，能够产生各种不同的二进制数值。例如，当-30dBm的电磁波照射到MIT元件上时，在近似12伏处发生突变MIT。因此，在电压等于或高于12伏时输出高值，在电压低于12伏时输出低值。当20dBm的电磁波照射在MIT元件上时，在近似7伏处发生突变MIT，因此，在电压低于7伏时输出低值，在电压等于或高于7伏时输出高值。
图11A和11B是说明当热量施加于MIT元件时，突变MIT跳跃随着从MIT元件所感知的温度连续变化的图形。MIT元件具有如图1B所示的平面结构。MIT元件的转变薄膜由VO2形成，电极之间的距离为20毫米，电极的宽度为50毫米，转变电压近似为21.5伏。
参考图11A，随着所述电压的增加，MIT元件的转变温度减小。随着施加于MIT元件的电压接近于MIT元件的转变电压21.5伏，转变温度接近正常温度。当22伏电压施加于MIT元件时，所述电压符合欧姆定律，并且转变温度不会出现。就是说，当施加等于或高于转变电压的电压时，出现由电压引起的突变MIT，不出现由温度引起的突变MIT。在图11A中，D表示突变MIT跳跃线，E表示结构相位转变线。
如上所述，能够测量取决于MIT元件温度的突变MIT，并且能够测量取决于温度的电压变化。因此，通过利用上述的突变MIT测量电路测量突变MIT，能够测量MIT元件的温度，这样，利用突变MIT测量电路能够构建温度传感器。
图11B是数字化图11A所示的转变温度变化所获得的图形。参考图11B，在温度低于特定转变温度时输出低值，在温度等于或高于转变温度时输出高值。虽然应当用各种形状来表示所述温度，但为了简化图形，仅仅用点来表示。
MIT元件的转变电压或转变温度随着例如光线、温度、压力或气体浓度的外部因素而改变，因此通过测量转变电压或转变温度能够感知外部因素的变化。为了测量转变温度的变化，需要能够连续地测量MIT元件的突变MIT跳跃的电路。能够使用上述的突变MIT测量电路来测量转变温度变化。
因此，利用根据本发明的突变MIT测量电路，能够很容易地形成传感器，感知随着光线、温度、压力或气体浓度而变化的转变电压或转变温度。更进一步，将多个MIT元件排列成阵列或矩阵并且通过上述MIT测量电路感知光线强度，以这种方式能够构建数码相机中所使用的图像传感器。
虽然已经参考示例实施例具体说明和描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离如下面权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式和细节的修改。
工业上的可应用性
本发明涉及金属-绝缘体转变(MIT)设备，更特定地，涉及MIT元件应用电路、以及利用该电路的MIT传感器。根据本发明的突变MIT测量电路能够连续地测量MIT元件的突变MIT。更进一步，由于MIT元件的转变电压或转变温度随着例如温度、压力或气体浓度的外部因素而改变，因此通过连续地测量MIT元件的突变MIT，能够将突变MIT测量电路用作感知外部因素变化的传感器。此外，将多个MIT元件排列成阵列或矩阵形式并且通过MIT测量电路感知光线强度，以便构建在数码相机中所使用的图像传感器。

Claims (26)

1、一种用于测量金属-绝缘体转变MIT元件的突变MIT的电路，包括：
被测量对象单元，包含MIT元件，在它的转变电压处出现突变MIT；
供电单元，将预定的脉冲电流或电压信号施加于被测量对象单元；
测量单元，测量MIT元件的突变MIT；以及
控制器，控制供电单元和测量单元。
2、如权利要求1所述的电路，其中，测量单元包括微处理器。
3、如权利要求1所述的电路，其中，被测量对象单元包括与MIT元件串联的保护电阻器，供电单元包括产生脉冲电流或电压信号的数模转换器DAC以及放大DAC的输出信号的运算放大器，测量单元包括比较器以及存储比较器的输出信号并且将所存储信号发送给控制器的微处理器的边沿触发型触发器或采样保持器。
4、如权利要求3所述的电路，其中，将比较器的第一输入端子连接到MIT元件和保护电阻器之间，并且比较器的第二输入端子接收与MIT元件的转变电压相对应的参考电压，通过可变电阻器来控制所述参考电压，将供电单元所产生的脉冲电流或电压信号施加于MIT元件。
5、如权利要求4所述的电路，其中，当第一输入端子的电压低于第二输入端子的电压时，比较器输出低信号；当第一输入端子的电压等于或高于第二输入端子的电压时，比较器输出高信号，并且边沿触发型触发器或采样保持器存储比较器的输出信号，并且将输出信号发送给控制器的微处理器。
6、如权利要求1所述的电路，其中，控制器的微处理器施加预定的脉冲电流或电压信号。
7、如权利要求1所述的电路，其中，被测量对象单元包括与MIT元件串联连接的保护电阻器，供电单元包括产生脉冲电流或电压信号的DAC以及放大DAC输出信号的运算放大器，测量单元包括采样保持器以及将采样保持器的输出信号转换为数字信号的模数转换器ADC。
8、如权利要求7所述的电路，其中，以高的频率将脉冲电流或电压信号施加于MIT元件，采样保持器存储MIT元件的电压或电流的变化一段预定的时间，ADC接收采样保持器的输出信号，将输出信号转换为数字信号，并且将数字信号发送给控制器的微处理器。
9、如权利要求7所述的电路，其中，控制器的微处理器输出控制信号给DAC并且通过数据总线从ADC接收与MIT元件的电压或电流变化相对应的信号，芯片控制器控制通过数据总线的信号发送。
10、如权利要求1所述的电路，其中，被测量对象单元包括与MIT元件串联连接的保护电阻器，供电单元包括被脉冲电流或电压信号控制的晶体管以及施加固定电压到被测量对象单元的输入电源，并且测量单元包括比较器以及存储比较器的输出信号并且发送所存储的信号给控制器的微处理器的边沿触发型触发器或采样保持器。
11、如权利要求10所述的电路，其中，将比较器的第一输入端子连接到MIT元件和保护电阻器之间，比较器的第二输入端子接收与MIT元件的转变电压相对应的参考电压，参考电压由可变电阻器来控制，当第一输入端子的电压低于第二输入端子的电压时，比较器输出低信号，当第一输入端子的电压等于或高于第二输入端子的电压时，比较器输出高信号，边沿触发型触发器或采样保持器存储比较器的输出信号并且将输出信号发送给控制器的微处理器。
12、如权利要求10所述的电路，其中，脉冲电流或电压信号由微处理器产生并施加于晶体管，或者由附加的脉冲产生振荡器产生并施加于晶体管。
13、如权利要求10所述的电路，其中，所述晶体管是双极性晶体管或者金属氧化物半导体MOS晶体管。
14、如权利要求13所述的电路，其中，所述晶体管是双极性晶体管，将脉冲电流或电压信号施加于双极性晶体管的基极，并且将被测量对象单元连接到双极性晶体管的集电极或发射极。
15、如权利要求13所述的电路，其中，所述晶体管是MOS晶体管，将脉冲电流或电压信号施加于MOS晶体管的栅极，并且将被测量对象单元连接到MOS晶体管的漏极或源极。
16、如权利要求1所述的电路，其中，被测量对象单元包括与MIT元件串联连接的保护电阻器，供电单元包括由脉冲电流或电压信号所控制的晶体管以及施加固定电压到被测量对象单元的输入电源，测量单元包括采样保持器以及将采样保持器的输出信号转换为数字信号的ADC。
17、如权利要求16所述的电路，其中，将高频率的脉冲电压或电流信号施加于MIT元件，采样保持器存储MIT元件的电压或电流的变化一段预定的时间，ADC接收采样保持器的输出信号，将输出信号转换为数字信号并且发送数字信号给控制器的微处理器。
18、如权利要求1所述的电路，其中，被测量对象单元包括至少两个MIT元件以及选择MIT元件的多路器，微处理器将选择信号施加于多路器以选择至少一个MIT元件，以便测量至少一个所选择MIT元件的突变MIT。
19、如权利要求16所述的电路，其中，被测量对象单元包括至少两个MIT元件以及选择MIT元件的多路器，微处理器将选择信号施加于多路器以选择至少一个MIT元件，以便测量至少一个所选择MIT元件的突变MIT。
20、如权利要求1所述的电路，其中，可用MIT元件中的电阻分量代替外部电阻器作为保护电阻器。
21、一种利用权利要求1所述的电路制造的MIT传感器。
22、一种利用权利要求16所述的电路制造的MIT传感器。
23、如权利要求22的MIT传感器，其中，MIT传感器对应于温度传感器、红外线传感器、图像传感器、压力传感器、电磁传感器、颗粒检测器、气体浓度传感器以及开关之一。
24、如权利要求22所述的MIT传感器，其中，被测量对象单元包括串行、并行以及串并连接的、或者被排列成阵列或矩阵的多个MIT元件。
25、如权利要求24所述的MIT元件，其中，MIT元件被排列成阵列或矩阵，并且具有根据包含红外线的电磁波改变的转变电压，突变MIT测量电路检测转变电压以便测量电磁波的强度。
26、如权利要求25所述的传感器，其中，MIT传感器是图像传感器。
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