CN111180151B - 基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法 - Google Patents

基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法。通过强关联半导体对不同频率交变信号的电阻相应及其温度关系，实现其电阻温度关系在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换的方法。区别于传统通过材料组分与器件结构控制材料电子输运功能特性的传统手段，本发明可以通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。本发明所提供技术可进一步实现对电子器件与电路工作中温度探测与控制的高精度化与智能化。

Description

基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法
技术领域
本发明属于电子器件、电子信息技术、人工智能、自动控制等领域，具体地涉及一种通过强关联半导体对不同频率交变信号的电阻相应及其温度关系，通过对所施加电信号交变频率的调节实现其电阻温度关系在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。本发明可进一步实现对电子器件与电路工作中温度探测与控制的高精度化与智能化。
背景技术
现代电子工业中对于温度的测量传感与控制依赖于热敏电阻材料与器件，而如何提高热敏电阻的性能与可靠性并提高其在应用灵活性，是未来进一步发展人工智能、精密控制等领域的关键性基础问题。热敏电阻的主要工作原理在于利用材料电阻率随温度的相应关系，实现对温度的探测与传感。从温度电阻变化关系上看，热敏电阻主要包括突变式热敏电阻、渐变式热敏电阻、Delta-温区阻变式热敏电阻等【1-5】。
其中，突变式热敏电阻的主要特点在于材料的电阻率随温度的变化发生缓变，而单位温度所引发的材料电阻率变化率的百分比称为热敏电阻系数【1】。当电阻随温度升高逐渐增大时，材料的热敏电阻系数为正；而当温度升高使电阻率逐渐减小时，材料的热敏电阻系数为负。常见渐变式热敏电阻的电阻温度系数绝对值通常大于2％K-1，其材料主要包括：锰基、镍基等具有尖晶石或钙钛矿结构的过渡族元素金属氧化物以及非晶硅等。其主要应用包括温度测量、热扰动探测、红外探测、涌浪电流抑制等方面【1-5】。
与之相比，突变式热敏电阻的电阻率在一个特征温度的触发下发生非连续性突变【6-9】。突变式热敏电阻主要包括二氧化钒(突变温度为68摄氏度)【6,7】、镍酸钐(突变温度为120摄氏度)【8,9】、镍酸钕(突变温度为120凯尔文)【8】、镍酸铕(突变温度为180摄氏度)【8,9】等。突变式热敏电阻特性主要源于电子能带间的强关联库伦作用，其主要与应用于抑制涌浪电流、电路保护等方面。
此外，近年来人们在稀土镍基钙钛矿氧化物薄膜材料中实现了材料电阻率随温度先增加后减小的Delta-式电阻温度变化关系，并由此制备了Delta温度系数热敏电阻【10】。该电阻随温度变化的极值关系可以通过调节稀土元素种类实现在较宽广温区范围内的进一步调节。利用电阻在一定温度区间内的极大值点，可实现锁定电子器件在特定温度区间的工作状态等方面的电子器件应用【10】。
综上所述，现有热敏电阻的设计制备思路主要局限于通过预定的材料组分选择与器件结构设计被动实现上述多种热敏电阻功能中的一种。然而，目前所知技术中尚缺乏一种能够实现在不改变电子材料组分与器件结构的前提下，通过外加电信号手段实现多种热敏电阻特性的共存以及相互间切换。
参考文献：
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【5】Chen,Changhong，Yi,Xinjian，Zhang,Jing，et al.，Linear uncooledmicrobolometer array based on VOx thin films，Infrared Physics and Technology，2001，42(2)：87
【6】J.B.Goodenough,The two components of crystallographic transitionin VO2.J.Solid State Chem.,1971,3,490–500
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【8】J.Chen,H.Hu,J.Wang,T.Yajima,B.Ge,X.Ke,H.Dong,Y.Jiang,N.Chen,N.,Overcoming synthetic metastabilities and revealing metal-to-insulatortransition&thermistor bi-functionalities for d-band correlation perovskitenickelates.Mater.Horizons,2019,6,788
【9】J.Chen,H.Hu,J.Wang,C.Liu,X.Liu,Z.Li and N.Chen,A d-band electroncorrelated thermoelectric thermistor established in metastable perovskitefamily of rare-earth nickelates.This:ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,34128-34134
【10】J.Chen,H.Hu,T.Yajima,J.Wang,B.Ge,H.Dong,Y.Jiang and N.Chen,Delta-temperatural electronic transportation achieved in metastable perovskiterare-earth nickelate thin films.J.Mater.Chem.C,2019,7,8101
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过强关联半导体对不同频率交变信号的电阻相应及其温度关系，实现其电阻温度关系在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换的方法。区别于传统通过材料组分与器件结构控制材料电子输运功能特性的传统手段，本发明可以通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。本发明所提供技术可进一步实现对电子器件与电路工作中温度探测与控制的高精度化与智能化。
一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换法，其特征在于：应用敏感材料，综合强关联半导体氧化物载流子热激发以及载流子有效质量的温度依赖关系触发其电阻及电阻温度系数对不同频率段交变信号的区别式响应关系，从而在较低频率段实现负温度系数热敏电阻电输运关系，在较高频率段实现正温度系数热敏电阻电输运关系，在上述两者中间频率段实现Delta温度系数热敏电阻电输运关系。
使用的敏感材料主要包括具有明显载流子热激发特性以及载流子有效质量随温度具有较大变化关系双重特性。其主要电学特性须同时具备以下三点：1)材料交流阻抗实部在一定温度下随频率的增加首先呈现平台状，并在达到一个特定频率f0后随频率的继续增加迅速降低；2)随着温度的增加，所使用敏感材料直流或低频交流阻抗实部以较大幅度逐渐减小；3)与此同时，其实部阻抗衰减的特定频率f0随温度的增加而逐渐增大。基于上述交变阻抗电学特性，当使用较低频率段交变电信号作为探测源时，敏感材料的电阻温度变化关系呈现负温度系数关系。在不改变材料的前提下逐渐增加所使用电学探测信号的交变频率可实现敏感材料的电阻温度变化关系向Delta状转变，且所实现的极值电阻温度随频率的增加而提高。当继续增加所使用电学探测信号的交变频率时，可以实现敏感材料的电阻温度变化关系进一步向正温度系数关系转变。因此，可以建立敏感材料的电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的一一对应关系，及实现在不改变敏感材料与器件结构的前提下通过控制所施加电学探测信号的交变频率实现不同的电阻温度变化关系以及其之间的相互切换。
进一步地，该技术所应用的主要材料体系包括：亚稳相稀土镍基钙钛矿氧化物(ReNiO3)、掺杂二氧化钒、掺杂氧化锌、掺杂钛酸锶、非晶硅、稀土铜铁基钙钛矿化合物(RexCu1-xFeO3，0<x<1)、钙铁氧钙钛矿氧化物(CaFeO3)，以及其它锰基、镍基等具有尖晶石或钙钛矿结构的过渡族元素金属氧化物。所述其它锰基、镍基等具有尖晶石或钙钛矿结构的过渡族元素金属氧化物优选：NiMn2O4、NiFe2O4、LaMnO3、PrFeO3、CuMn2O4、Sr7Mn4O15。
进一步地，对于上述材料体系中的每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过元素取代与掺杂方法加以调节。在一优选例中，通过Eu取代或部分取代SmNiO3薄膜中的Sm元素，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；在另一优选例中，通过Ho取代或部分取代SmNiO3薄膜中的Sm元素，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；在另一优选例中，通过Nd部分取代SmNiO3薄膜中的Sm元素，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高；在另一优选例中，通过W或部分取代VO2薄膜中的V元素，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；在另一优选例中，通过对非晶硅薄膜掺杂浓度的提高，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；
进一步地，对于上述材料体系中的每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过材料的尺度与维度设计加以调节。在一优选例中，通过增加SmNiO3薄膜厚度，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高；在另一优选例中，通过将SmNiO3薄膜进一步刻蚀成纳米线，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；在另一优选例中，通过增加VO2薄膜厚度，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高；在一优选例中，通过增加非晶硅薄膜厚度，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高。
进一步地，对于上述材料体系中的每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过对敏感材料施加应力并触发其发生晶格畸变加以调节。在一优选例中，通过在SmNiO3薄膜中构建双向拉伸界面应力，实现了正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；
本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法。与传统热敏电阻技术中通过材料组分选择与器件结构设计等被动方法调节所实现的电阻温度变化关系的方法相区别，本发明所提供技术可在不改变材料与器件结构的前提下，通过对所施加电信号交变频率的调节实现其电阻温度关系在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性，以及其相互间的主动式切换。所应用的主要材料体系包括：亚稳相稀土镍基钙钛矿氧化物(ReNiO3)、掺杂二氧化钒、非晶硅、稀土铜铁基钙钛矿化合物(RexCu1-xFeO3，0<x<1)、钙铁氧钙钛矿氧化物(CaFeO3)，以及其它锰基、镍基等具有尖晶石或钙钛矿结构的过渡族元素金属氧化物。对于上述材料体系中的每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过元素取代与掺杂、尺度维度设计、应力与应变设计等方法加以进一步调节。该技术可进一步实现对电子器件与电路工作中温度探测与控制的高精度化与智能化。
附图说明
图1为在铝酸镧衬底上生长的厚度为10纳米的SmNiO3薄膜在不同温度下测量得到的实部电阻(R’)与交流输入电信号频率(f)的变化关系。可以看出，随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。
图2为以图1所示交叉区域左侧频率范围的较低频率、以及图1所示交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜的电阻温度关系曲线。可以看出，以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜的电阻随温度的升高而减小；以交叉区域右侧的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜的电阻随温度升高而增大。
图3为以图1所示交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜电阻在该温度区间内某一与频率一一对应的值呈现最大值，即实现Delta温度系数热敏电阻。
图4为在铝酸镧衬底上生长的厚度为10纳米的HoNiO3、EuNiO3、Sm0.75Nd0.25NiO3、SmNiO3薄膜在不同温度下测量得到的实部电阻(R’)与交流输入电信号频率(f)的变化关系。可以看出，随着亚稳相扭曲钙钛矿结构(ABO3)中A-位所占据稀土元素平均半径的减小，即Sm0.75Nd0.25、Sm、Eu、Ho的顺序，R’-f相互交叉的频率范围区域向着低频段移动。这说明实通过减小亚稳相稀土镍基稀钙钛矿氧化物强关联半导体材料中稀土元素半径，可以在更低的输入频率下实现负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种材料功能特性，且其切换频率同样降低。
具体实施方式
实施例1：
在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长厚度约10纳米的钐镍氧(SmNiO3)薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线，得到如图1所示结果。可以看出，随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。图2为以图1所示交叉区域左侧频率范围的较低频率、以及图1所示交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜的电阻温度关系曲线。可以看出，以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜的电阻随温度的升高而减小；以交叉区域右侧的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜的电阻随温度升高而增大。图3为以图1所示交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜电阻在该温度区间内某一与频率一一对应的值呈现最大值，即实现Delta温度系数热敏电阻。因此，在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长的钐镍氧(SmNiO3)薄膜材料中，通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。
实施例2：
在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长厚度约10纳米的铕镍氧(EuNiO3)薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线，得到如图4所示结果。可以看出，随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，EuNiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，EuNiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，EuNiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。与实施例1中所示SmNiO3薄膜数据相比，EuNiO3薄膜中的负温度系数热敏电阻与Delta温度系数热敏电阻的切换频率以及Delta温度系数热敏电阻与正温度系数热敏电阻间的切换频率，均有所降低。因此，实现了通过元素取代对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例3：
在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长厚度约10纳米的钬镍氧(HoNiO3)薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线，得到如图4所示结果。可以看出，随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，HoNiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，HoNiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，HoNiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。与实施例1中所示SmNiO3薄膜数据以及图4所示的EuNiO3相比，HoNiO3薄膜中的负温度系数热敏电阻与Delta温度系数热敏电阻的切换频率以及Delta温度系数热敏电阻与正温度系数热敏电阻间的切换频率，均有所降低。因此，实现了通过元素取代对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例4：
在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长厚度约10纳米的钐钕镍氧(Sm0.75Nd0.25NiO3)薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线，得到如图4所示结果。可以看出，随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，Sm0.75Nd0.25NiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，Sm0.75Nd0.25NiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，Sm0.75Nd0.25NiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。与实施例1中所示SmNiO3薄膜数据相比，Sm0.75Nd0.25NiO3薄膜中的负温度系数热敏电阻与Delta温度系数热敏电阻的切换频率以及Delta温度系数热敏电阻与正温度系数热敏电阻间的切换频率，均有所提高。因此，实现了通过元素取代对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例5：
在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长厚度约100纳米的钐镍氧(SmNiO3)薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。与实施例1中所示10纳米左右厚度SmNiO3薄膜数据相比，100纳米厚度的SmNiO3薄膜中的负温度系数热敏电阻与Delta温度系数热敏电阻的切换频率以及Delta温度系数热敏电阻与正温度系数热敏电阻间的切换频率，均有所提高。因此，实现了通过调节尺度维度效应对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例6：
在铝酸镧(LaAlO3)单晶衬底上外延生长厚度约10纳米的钐镍氧(SmNiO3)薄膜材料，并进一步刻蚀成100纳米宽，10微米长的纳米线。在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3纳米线为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3纳米线为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，SmNiO3纳米线为Delta温度系数热敏电阻。与实施例1中所示10纳米左右厚度SmNiO3薄膜数据相比，SmNiO3纳米线中的负温度系数热敏电阻与Delta温度系数热敏电阻的切换频率以及Delta温度系数热敏电阻与正温度系数热敏电阻间的切换频率，均有所降低。因此，实现了通过调节尺度维度效应对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例7：
在钛酸锶(SrTiO3)单晶衬底上外延共格生长厚度约10纳米的钐镍氧(SmNiO3)薄膜材料。由于SrTiO3的面内方向晶格参数大于SmNiO3的等效面内晶格参数，所生长SmNiO3处于面内双向拉伸应力状态，且具有双向拉伸应变及在法相的收缩。在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，双向拉伸状态的SmNiO3薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，双向拉伸状态的SmNiO3薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，双向拉伸状态的SmNiO3薄膜为Delta温度系数热敏电阻。与实施例1中所示SmNiO3薄膜数据相比，双向拉伸状态的SmNiO3薄膜中的负温度系数热敏电阻与Delta温度系数热敏电阻的切换频率以及Delta温度系数热敏电阻与正温度系数热敏电阻间的切换频率，均有所降低。因此，实现了通过应力应变设计对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例8：
在二氧化钛(TiO2)单晶衬底上外延生长厚度约20纳米的二氧化钒(VO2)薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，VO2薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，VO2薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，VO2薄膜为Delta温度系数热敏电阻。因此，在VO2薄膜材料中，通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。进一步地，通过增大所生长VO2薄膜的厚度,提高了负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换频率。进一步地，通过对所生长VO2薄膜的进行10％的钨掺杂，即制备W0.1V0.9O2.1提高了负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换频率。
实施例9：
在玻璃衬底上外延生长厚度约20纳米的非晶硅薄膜材料，在不同温度下测量其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，非晶硅薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，非晶硅薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，非晶硅薄膜为Delta温度系数热敏电阻。因此，在非晶硅薄膜材料中，通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。进一步地，通过增大所生长非晶硅薄膜的厚度,提高了负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换频率。进一步地，通过提高所生长非晶硅薄膜的掺杂浓度，提高了负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换频率。
实施例10：
分别生长厚度约10纳米的LaCu3Fe4O12、PrCu3Fe4O12、NdCu3Fe4O12、SmCu3Fe4O12薄膜材料。分别测量上述四种薄膜材料在不同温度下其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。在所有四种材料中，观测到随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，薄膜为Delta温度系数热敏电阻。因此，在LaCu3Fe4O12、PrCu3Fe4O12、NdCu3Fe4O12、SmCu3Fe4O12四种薄膜材料中，通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。所实现的负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换频率大小顺序如下：LaCu3Fe4O12大于PrCu3Fe4O12大于NdCu3Fe4O12大于SmCu3Fe4O12。因此，通过控制元素掺杂实现了通过调节尺度维度效应对负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换性能进一步的调节。
实施例11：
分别生长厚度约20纳米的NiMn2O4、NiFe2O4、LaMnO3、PrFeO3、Zn0.99Al0.01O2、SrNb0.05Ti0.95O3、CuMn2O4、Sr7Mn4O15薄膜材料。分别测量上述六种薄膜材料在不同温度下其实部电阻(R’)与探测电信号频率(f)之间的关系曲线。在NiMn2O4、NiFe2O4、LaMnO3、PrFeO3CuMn2O4、Sr7Mn4O15材料中，观测到随温度升高低频电阻降低而电阻平台的临界频率增加；Zn0.99Al0.01O2、SrNb0.05Ti0.95O3中，观测到随温度升高低频电阻升高而电阻平台的临界频率减小，因此临近温度下测量的R’-f相互交叉。以交叉区域左侧频率范围的较低频率作为输入的探测信号源频率探测时，薄膜为负温度系数热敏电阻；以交叉区域右侧频率范围的较高频率作为输入的探测信号源频率探测时，薄膜为正温度系数热敏电阻；以交叉区域内频率范围的中间频率作为输入的探测信号源频率探测时，薄膜为Delta温度系数热敏电阻。因此，在上述种薄膜材料中，通过对所施加交变电信号频率的调节，控制所实现热敏电阻输运性能在负温度系数热敏电阻、Delta温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻三种不同功能特性间的主动式切换。

Claims (4)

1.一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法，其特征在于：应用敏感材料，综合强关联半导体氧化物载流子热激发以及载流子有效质量的温度依赖关系触发其电阻及电阻温度系数对不同频率段交变信号的区别式响应关系，从而在较低频率段实现负温度系数热敏电阻电输运关系，在较高频率段实现正温度系数热敏电阻电输运关系，在上述两者中间频率段实现Delta温度系数热敏电阻电输运关系；
所使用的敏感材料主要包括具有明显载流子热激发特性以及载流子有效质量随温度具有较大变化关系双重特性；其主要电学特性须同时具备以下三点：1)材料交流阻抗实部在一定温度下随频率的增加首先呈现平台状，并在达到一个特定频率f0后随频率的继续增加迅速降低；2)随着温度的增加，所使用敏感材料直流或低频交流阻抗实部以较大幅度逐渐减小；3)与此同时，其实部阻抗衰减的特定频率f0随温度的增加而逐渐增大；基于上述交变阻抗电学特性，当使用较低频率段交变电信号作为探测源时，敏感材料的电阻温度变化关系呈现负温度系数关系；在不改变材料的前提下逐渐增加所使用电学探测信号的交变频率可实现敏感材料的电阻温度变化关系向Delta状转变，且所实现的极值电阻温度随频率的增加而提高；当继续增加所使用电学探测信号的交变频率时，可以实现敏感材料的电阻温度变化关系进一步向正温度系数关系转变；建立敏感材料的电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的一一对应关系，及实现在不改变敏感材料与器件结构的前提下通过控制所施加电学探测信号的交变频率能实现不同的电阻温度变化关系以及其之间的相互切换；
所应用的主要材料体系包括：亚稳相稀土镍基钙钛矿氧化物、掺杂二氧化钒、掺杂氧化锌、掺杂钛酸锶、非晶硅、稀土铜铁基钙钛矿化合物、钙铁氧钙钛矿氧化物，以及其它锰基、镍基具有尖晶石或钙钛矿结构的过渡族元素金属氧化物中的一种或多种；其中，所述亚稳相稀土镍基钙钛矿氧化物包括ReNiO3；所述稀土铜铁基钙钛矿化合物包括RexCu1-xFeO3，0<x<1；所述钙铁氧钙钛矿氧化物包括CaFeO3；所述其它锰基、镍基具有尖晶石或钙钛矿结构的过渡族元素金属氧化物包括：NiMn2O4、NiFe2O4、LaMnO3、PrFeO3、CuMn2O4、Sr7Mn4O15中的一种或多种。
2.如权利要求1所述一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法，其特征在于：对于所述材料体系中的每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过元素取代与掺杂方法加以调节；通过Eu取代或部分取代SmNiO3薄膜中的Sm元素，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；通过Ho取代或部分取代SmNiO3薄膜中的Sm元素，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；通过Nd部分取代SmNiO3薄膜中的Sm元素，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高；
通过W或部分取代VO2薄膜中的V元素，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；
通过对非晶硅薄膜掺杂浓度的提高，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低。
3.如权利要求1所述一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法，其特征在于：对于每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过材料的尺度与维度设计加以调节；通过增加SmNiO3薄膜厚度，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高；
通过将SmNiO3薄膜进一步刻蚀成纳米线，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低；
通过增加VO2薄膜厚度，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高；通过增加非晶硅薄膜厚度，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的提高。
4.如权利要求1所述一种基于交变频率的正、负、Delta温度系数热敏电阻主动切换法，其特征在于：对于上述材料体系中的每一种敏感材料，其电阻温度变化关系与所使用电学探测信号的交变频率之间的对应关系可通过对敏感材料施加应力并触发其发生晶格畸变加以调节；通过在SmNiO3薄膜中构建双向拉伸界面应力，能实现正、负、Delta温度系数热敏电阻的主动切换频率的降低。
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