CN116861595B - 一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法，通过测量两侧通电的热压电半导体复合薄膜中的电流的变化，可以得到温度变化的器件原理设计一种温度传感器，包括：建立热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型以及控制方程；根据建立的控制方程以及热压电半导体复合薄膜的边界条件，施加温度变化于热压电半导体复合薄膜，利用数值分析方法得到热压电半导体复合薄膜在受到温度变化时的电压‑电流关系；根据上述得到的电压‑电流关系反推温度变化的大小；本发明能够为热压电半导体复合薄膜温度传感器的设计提供理论依据。

Description

一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法
技术领域
本发明涉及薄膜热电器件技术领域，尤其是涉及一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法。
背景技术
电子工业兴起于二十世纪中叶，并迅速发展为当今世界上最大的工业领域之一，诸如二极管、三极管、场效应管等电子元件作为电子工业的基础得到了迅速的发展。众所周知，晶体管整流、开关、稳压、信号调制等功能的实现均离不开半导体材料特殊的物理性质，这使得半导体材料在电子工业领域扮演着至关重要的角色。
传感器是一种能感受被检测量，并能按照一定的规律转化可测输出信号的检测设备，温度传感器就是能将温度转化成可用输出信号的一类传感器，如热电偶能将被测介质的温度变化转化为可测的电压变化，热敏电阻能将温度转化为电阻变化。
目前市面上传统的温度传感器通常采用双极性晶体管来实现，设计原理是利用两个偏置电流不同的双极型晶体管的基极-射极的电压差来实现一个线性度较好的正温度系数电压，再通过运放对信号进行放大等处理，最后由AD转换器转成数字信号并将给数字电路来进行信号处理；该种设计方案存在较大的局限性，并且设计出来的温度传感器存在包括结构复杂、耐用性差、可靠性低、在高温下容易失效、测试精度低、响应速度慢等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法，该方法利用温度变化对热压电半导体复合薄膜中的电流进行调控，将温度信号转化为电信号，根据得到的电压-电流关系，结合热压电半导体复合薄膜的压电效应、半导体效应和温度效应，反推温度变化的大小，从而设计出结构简单、耐用性好、可靠、灵敏、精度高、响应速度快且能适应恶劣环境的温度传感器。
本发明所采用的技术方案是，一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法，该方法包括下列步骤：
S1、建立关于热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型以及控制方程；所述的关于热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型为连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜，所述热压电半导体复合薄膜为二层结构，包括下层的压电层和上层的非压电半导体层，所述外接电源的正极与所述非压电半导体层一端连接，所述外接电源的负极与所述非压电半导体层另一端连接，在所述压电层底面建立o-x 1 x 2 x 3空间坐标系，压电半导体复合薄膜沿x 1轴方向长为a，压电半导体复合薄膜沿x 3轴方向长为b，x 2轴在压电半导体复合薄膜厚度方向上，且x 1轴、x 2轴和x 3轴组成右手坐标系，压电层沿x 3轴极化，其中所述压电半导体复合薄膜厚度为h，压电层厚度为h 1，非压电半导体层厚度为h 2；
S2、根据建立的控制方程以及热压电半导体复合薄膜的边界条件，施加温度变化于所述热压电半导体复合薄膜，利用温度变化对所述热压电半导体复合薄膜中的电流进行调控，采用数值分析方法得到热压电半导体复合薄膜在受到温度变化时的电压-电流关系；
S3、利用连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜来进行实际测温，测量通过热压电半导体复合薄膜中的电流值，根据步骤S2得到的温度变化时的电压-电流关系，由测量得到的电流值得到对应的实际温度值。
本发明的有益效果是：以热压电半导体复合薄膜的压电理论和半导体理论为基础，考虑温度变化引起的热压电效应（压电与热释电）对电流的作用，热压电半导体复合薄膜的压电层受到温度变化作用时，温度变化通过压电效应产生电极化，进而影响非压电半导体层中的电流分布，通过测量非压电半导体层中的电流变化，得到热压电半导体复合薄膜受到温度变化时的电压-电流关系，当进行实际测温时，只需要根据得到的电压-电流关系就能通过测出来的热压电半导体复合薄膜中的电流值来反推出实际温度值；只需要采用连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜就能作为温度传感器进行实际测温，其结构简单，并且耐用性好，不存在复杂的元件结构，可靠性高；并且只需要得到温度变化时的电压-电流关系，通过测量电流来得到实际的温度值，由电流值来一一对应得到实际的温度值，其灵敏度高、精度高、响应速度快，并且热压电半导体复合薄膜温度传感器能适应恶劣环境。
作为优选，在步骤S1中，所述的热压电半导体复合薄膜的控制方程表示为：
；
其中，表示加速度为位移对时间的两阶导数，/>，u 1表示x 1方向的位移，u 3表示x 3方向的位移，φ表示电势，Δn表示电子的浓度扰动，Δp表示空穴的浓度扰动，n 0表示电子的掺杂浓度，p 0表示空穴的掺杂浓度，θ表示温度变化，其中热力学温度为/>，参考温度为/>，温度变化为/>；/>表示等效弹性常数，p和q的取值范围为1~6，/>表示等效介电常数，/>表示等效压电常数，i和j的取值范围为1~3，/>表示等效质量密度，表示等效热释电常数，/>表示等效热弹性常数，/>表示体力的合矢量，/>表示等效电子迁移率，/>表示等效空穴迁移率，/>表示等效电子扩散常数，/>表示等效空穴扩散常数，/>表示等效电荷密度，下标“,i”表示该变量对x i 方向求偏导数，即/>。
作为优选，在步骤S2中，所述热压电半导体复合薄膜的边界条件为：
；
其中，为边界上给定的电压。
作为优选，在步骤S1中，建立热压电半导体复合薄膜的控制方程的具体过程包括下列步骤：
S1.1、当热压电半导体复合薄膜受到温度变化作用时，位移场u i 、电势φ、电子的浓度扰动Δn、空穴的浓度扰动Δp以及温度变化θ表示为：
；
S1.2、建立梯度关系为：
；
其中，S ij 为应变张量，E i 为电场矢量，N i 和P i 分别为电子和空穴的浓度扰动梯度；
S1.3、将步骤S1.1中位移场u i 、电势φ、电子的浓度扰动Δn以及空穴的浓度扰动Δp的表达式代入步骤S1.2建立的梯度关系中，得到应变张量的分量、电场矢量的分量以及电子和空穴的浓度扰动态度为：
；
S1.4、建立所述热压电半导体复合薄膜的二维场方程：
；
其中，表示应力的合矢量，/>表示电位移的合矢量，/>和/>表示电流密度的合矢量，且满足：
；
其中，ρ表示质量密度，q表示元电荷，T ij 表示应力，D i 表示电位移，和/>表示电流密度，f i 表示体力；
S1.5、建立所述热压电半导体复合薄膜的二维本构关系：
；
其中，等效材料参数定义为：
；
其中，c pq 和均表示弹性常数，ε ij 和/>均表示介电常数，/>表示压电常数，λ i 和均表示热弹性常数，/>表示热释电常数，/>和/>分别表示电子和空穴的迁移率，/>和分别表示电子和空穴的扩散常数；
S1.6、将所述热压电半导体复合薄膜的二维本构关系代入所述热压电半导体复合薄膜的二维场方程中，得到所述热压电半导体复合薄膜的控制方程为：
。
附图说明
图1为本发明中热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型的结构示意图；
图2为本发明中施加温度变化时热压电半导体复合薄膜的无量纲电压和无量纲电流/>分布示意图。
实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明研究了温度变化对热压电半导体复合薄膜中电流的调控作用，以热压电半导体复合薄膜的压电理论和半导体理论为基础，将温度变化等效成附加的机械载荷和附加的电学载荷，考虑温度变化引起的热压电效应（压电与热释电）对电流的作用，当热压电半导体复合薄膜的压电层受到温度变化作用时，温度变化通过压电效应产生电极化，进而影响非压电半导体层中的电流分布，通过测量非压电半导体层中的电流变化，可以反推温度变化的大小。
本发明提供了一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法，该方法为：施加温度变化于热压电半导体复合薄膜，热压电半导体复合薄膜根据施加的温度变化来调控热压电半导体复合薄膜中的电流，通过测量热压电半导体复合薄膜中电流的变化来确定温度变化的数值。
施加温度变化于热压电半导体复合薄膜，通过测量热压电半导体复合薄膜中电流的变化来确定温度变化的大小的具体过程包括下列步骤：
步骤1、建立如图1所示关于热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型以及控制方程；所述的关于热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型为连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜，所述的连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜为二层结构，包括下层的压电层和上层的非压电半导体层，所述外接电源的正极与所述非压电半导体层一端连接，所述外接电源的负极与所述非压电半导体层另一端连接，在所述压电层底面建立o- x 1 x 2 x 3空间坐标系，压电半导体复合薄膜沿x 1轴方向长为a，压电半导体复合薄膜沿x 3轴方向长为b，x 2轴在压电半导体复合薄膜厚度方向上，且x 1轴、x 2轴和x 3轴组成右手坐标系，压电层沿x 3轴极化，其中所述压电半导体复合薄膜厚度为h，压电层厚度为h 1，非压电半导体层厚度为h 2；
步骤2、根据建立的控制方程以及热压电半导体复合薄膜的边界条件，施加温度变化于所述热压电半导体复合薄膜，利用温度变化对所述热压电半导体复合薄膜中的电流进行调控，采用数值分析方法得到热压电半导体复合薄膜在受到温度变化时的电压-电流关系；
步骤3、利用连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜来进行实际测温，测量通过热压电半导体复合薄膜中的电流值，根据步骤S2得到的温度变化时的电压-电流关系，由测量得到的电流值得到对应的实际温度值。
进一步地，上述步骤1中的热压电半导体复合薄膜的控制方程表示为：
；
其中，表示加速度为位移对时间的两阶导数，/>，u 1表示x 1方向的位移，u 3表示x 3方向的位移，φ表示电势，Δn表示电子的浓度扰动，Δp表示空穴的浓度扰动，n 0表示电子的掺杂浓度，p 0表示空穴的掺杂浓度，θ表示温度变化，其中热力学温度为/>，参考温度为/>，温度变化为/>；/>表示等效弹性常数，p和q的取值范围为1~6，/>表示等效介电常数，/>表示等效压电常数，i和j的取值范围均为1~3，/>表示等效质量密度，/>表示等效热释电常数，/>表示等效热弹性常数，/>表示体力的合矢量，/>表示等效电子迁移率，/>表示等效空穴迁移率，/>表示等效电子扩散常数，/>表示等效空穴扩散常数，/>表示等效电荷密度，下标“,i”表示该变量对x i 方向求偏导数，即/>。
进一步地，上述步骤1中建立热压电半导体复合薄膜的控制方程的具体过程包括下列步骤：
S1.1、当热压电半导体复合薄膜受到温度变化作用时，位移场u i 、电势φ、电子的浓度扰动Δn、空穴的浓度扰动Δp以及温度变化θ表示为：
；
S1.2、建立梯度关系为：
；
其中，S ij 为应变张量，E i 为电场矢量，N i 和P i 分别为电子和空穴的浓度扰动梯度；
S1.3、将步骤S1.1中位移场u i 、电势φ、电子的浓度扰动Δn以及空穴的浓度扰动Δp的表达式代入步骤S1.2建立的梯度关系中，得到应变张量的分量、电场矢量的分量以及电子和空穴的浓度扰动态度为：
；
S1.4、建立所述热压电半导体复合薄膜的二维场方程：
；
其中，表示应力的合矢量，/>表示电位移的合矢量，/>和/>表示电流密度的合矢量，且满足：
；
其中，ρ表示质量密度，q表示元电荷，T ij 表示应力，D i 表示电位移，和/>表示电流密度，f i 表示体力；
S1.5、建立所述热压电半导体复合薄膜的二维本构关系：
；
其中，等效材料参数定义为：
；
其中，c pq 和均表示弹性常数，ε ij 和/>均表示介电常数，/>表示压电常数，λ i 和均表示热弹性常数，/>表示热释电常数，/>和/>分别表示电子和空穴的迁移率，/>和分别表示电子和空穴的扩散常数；
S1.6、将所述热压电半导体复合薄膜的二维本构关系代入所述热压电半导体复合薄膜的二维场方程中，得到所述热压电半导体复合薄膜的控制方程为：
。
进一步地，上述步骤2具体包括：所述热压电半导体复合薄膜的非压电半导体层为p型半导体，所述热压电半导体复合薄膜四边均固定，在x 3 = 0处电压为0，在x 3 = b处电压为，并且假设x 3 = 0和x 3 =b处均为欧姆接触，同时，x 1 = 0和x 1 =a处为电开路，则所述压电半导体复合板的边界条件为：
。
由于所述控制方程中存在非线性项，因此很难获得结果的解析表达，基于商用的多物理场耦合仿真软件COMSOL建立控制方程所对应的有限元模型并进行数值计算，分析所述热压电半导体复合薄膜在受到温度变化作用时的电压-电流分布。
进一步地，上述步骤3具体包括：当所述非压电半导体层连通电源且无外部加载时，所述非压电半导体层中存在均匀电流；当给定外部温度变化时，由于所述压电层的压电效应，热压电半导体复合薄膜中会产生势垒/势阱，进而导致所述非压电半导体层中载流子产生重分布。通过测量非压电半导体层中的电流变化，可以反推温度变化的大小。
本发明利用压电材料的热压电效应和非压电半导体材料的半导体效应，设计了一种可用于温度传感器的热压电半导体复合薄膜，利用温度变化对压电半导体复合器件中的电流进行调控，设计的热压电半导体复合薄膜温度传感器具有结构简单、耐用性好、可靠、灵敏、精度高且能适应恶劣环境等特点。
以下通过多物理场耦合仿真软件COMSOL建立控制方程所对应的有限元模型并进行数值计算来证明本发明提出的一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法的有效性。
选取如附图1所示物理模型，本发明主要研究热压电半导体复合薄膜在温度变化作用下非压电半导体层中的载流子分布情况，在静态温度变化的作用下，控制方程可以简化为：
；
在数值分析中，物理模型几何尺寸为：h 1 = 10 nm，h 2 = 15 nm，a = 400nm，b =300 nm，压电层材料为ZnO，材料参数为： = 209.7×109 N/m2，/> = 105.1×109 N/m2， = 210.9×109 N/m2，/> = 42.47×109 N/m2，/> = 8.1×10-11 C/(mV)，/> = 1.12×10-10 C/(mV)，/> = -0.48 C/m2，/> = -0.573 C/m2，/> = 1.32 C/m2，/> = -9.4×10-6C/，/> = 2.471×106N//>，/> = 2.005×106N//>，非压电半导体层材料为硅，材料参数为：c 11 = 165.7×109 N/m2，c 12 = 63.9×109 N/m2，c 44 = 79.56×109 N/m2，ε 11= 0.1036×10-9 C/(mV)，λ 1 =4.2916×105N//>，/> = 500×10-4 m2//>，掺杂浓度为：p 0 = 1023 m−3，附图2为本发明中施加温度变化时热压电半导体复合薄膜的无量纲电压和无量纲电流分布示意图（引入无量纲温度变化/>、无量纲电压/>和无量纲电流/>）。当/>=0时，电流-电压线性相关，非压电半导体层中的电流均匀分布。对热压电半导体复合薄膜施加温度变化，非压电半导体层中载流子产生重分布。利用温度变化对热压电半导体复合薄膜中的电流进行调控，可将温度信号转化为电信号，当无量纲温度变化分别取/>=1、2或3时，非压电半导体层中的电流分布如图2所示，根据上述得到的电压-电流关系可以反推出温度变化的大小，这样如附图1所示物理模型就可以作为一种温度传感器来实施，其结构简单、耐用性好、可靠、灵敏、精度高且能适应恶劣环境。

Claims (2)

1.一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
S1、建立关于热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型以及控制方程；所述的关于热压电半导体复合薄膜拉伸变形的物理模型为连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜，所述热压电半导体复合薄膜为二层结构，包括下层的压电层和上层的非压电半导体层，所述外接电源的正极与所述非压电半导体层一端连接，所述外接电源的负极与所述非压电半导体层另一端连接，在所述压电层底面建立o-x 1 x 2 x 3空间坐标系，压电半导体复合薄膜沿x 1轴方向长为a，压电半导体复合薄膜沿x 3轴方向长为b，x 2轴在压电半导体复合薄膜厚度方向上，且x 1轴、x 2轴和x 3轴组成右手坐标系，压电层沿x 3轴极化，其中所述压电半导体复合薄膜厚度为h，压电层厚度为h 1，非压电半导体层厚度为h 2；
所述的建立热压电半导体复合薄膜的控制方程的具体过程为：
S1.1、当热压电半导体复合薄膜受到温度变化作用时，位移场u i 、电势φ、电子的浓度扰动Δn、空穴的浓度扰动Δp以及温度变化θ表示为：；
S1.2、建立梯度关系为：；其中，S ij 表示应变张量，E i 表示电场矢量，N i 和P i 分别表示电子和空穴的浓度扰动梯度；
S1.3、将步骤S1.1中位移场u i 、电势φ、电子的浓度扰动Δn以及空穴的浓度扰动Δp的表达式代入步骤S1.2建立的梯度关系中，得到应变张量的分量、电场矢量的分量以及电子和空穴的浓度扰动态度为：
；
S1.4、建立所述热压电半导体复合薄膜的二维场方程：；其中，/>表示应力的合矢量，/>表示电位移的合矢量，/>和/>表示电流密度的合矢量，且满足：
；
其中，ρ表示质量密度，q表示元电荷，T ij 表示应力，D i 表示电位移，和/>表示电流密度，f i 表示体力；
S1.5、建立所述热压电半导体复合薄膜的二维本构关系：
；
其中，等效材料常数定义为：
；
其中，c pq 和均表示弹性常数，ε ij 和/>均表示介电常数，/>表示压电常数，λ i 和/>均表示热弹性常数，/>表示热释电常数，/>和/>分别表示电子和空穴的迁移率，/>和/>分别表示电子和空穴的扩散常数；
S1.6、将所述热压电半导体复合薄膜的二维本构关系代入所述热压电半导体复合薄膜的二维场方程中，得到所述热压电半导体复合薄膜的控制方程为：
；
其中，表示加速度为位移对时间的两阶导数，/>，u 1表示x 1方向的位移，u 3表示x 3方向的位移，φ表示电势，Δn表示电子的浓度扰动，Δp表示空穴的浓度扰动，n 0表示电子的掺杂浓度，p 0表示空穴的掺杂浓度，θ表示温度变化，其中热力学温度为/>，参考温度为，温度变化为/>；/>表示等效弹性常数，p和q的取值范围为1~6，/>表示等效介电常数，/>表示等效压电常数，i和j的取值范围均为1~3，/>表示等效质量密度，/>表示等效热释电常数，/>表示等效热弹性常数，/>表示体力的合矢量，/>表示等效电子迁移率，/>表示等效空穴迁移率，/>表示等效电子扩散常数，/>表示等效空穴扩散常数，/>表示等效电荷密度，下标“,i”表示该变量对x i 方向求偏导数，即；
S2、根据建立的控制方程以及热压电半导体复合薄膜的边界条件，施加温度变化于所述热压电半导体复合薄膜，利用温度变化对所述热压电半导体复合薄膜中的电流进行调控，采用数值分析方法得到热压电半导体复合薄膜在受到温度变化时的电压-电流关系；
S3、利用连接有外接电源的热压电半导体复合薄膜来进行实际测温，测量通过热压电半导体复合薄膜中的电流值，根据步骤S2得到的温度变化时的电压-电流关系，由测量得到的电流值得到对应的实际温度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于热压电半导体复合薄膜的温度传感器设计方法，其特征在于：在步骤S1中，所述热压电半导体复合薄膜的边界条件为：
；
其中，表示边界上给定的电压。
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