利用金属绝缘体突变的温度传感器和具有该温度传感器的警报器
专利汇可以提供利用金属绝缘体突变的温度传感器和具有该温度传感器的警报器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供的是一种使用金属绝缘体转变器件的 温度 传感器 和包括该温度传感器的警报器，该金属绝缘体转变器件在特定温度下经历 金属绝缘体突变 。该金属绝缘体突变器件包括金属绝缘体突变 薄膜 和 接触 该金属绝缘体突变薄膜的至少两个 电极 薄膜。该金属绝缘体突变器件在特定转变温度下产生金属绝缘体突变。该警报器包括具有金属绝缘体突变器件的温度传感器，以及 串联 连接到该温度传感器的警报 信号 发生器。因此，通过包括使用金属绝缘体突变器件的该温度传感器，该警报器能制造得具有简单 电路 且是小尺寸的。，下面是利用金属绝缘体突变的温度传感器和具有该温度传感器的警报器专利的具体信息内容。
1.一种温度传感器，包括金属绝缘体突变器件，该金属绝缘体突变器件包括：
金属绝缘体突变薄膜；以及
接触该薄膜的至少两个电极薄膜，
其中该金属绝缘体突变器件在转变温度之下具有绝缘体的特性，且在该转变温度或该转变温度之上具有金属的特性。
2.如权利要求1所述的温度传感器，其中该电极薄膜连接到外部电路或电子电路，从而该温度传感器利用该金属绝缘体突变器件中流动的电流量的变化感测等于或大于该转变温度的温度。
3.如权利要求1所述的温度传感器，其中该金属绝缘体突变器件包括：
衬底；
第一电极薄膜，形成于该衬底上；
金属绝缘体突变薄膜，形成于该第一电极薄膜上，包括低浓度空穴；以及
第二电极薄膜，形成于该金属绝缘体突变薄膜上。
4.如权利要求1所述的温度传感器，其中：
该金属绝缘体突变器件包括：
衬底；
金属绝缘体突变薄膜，形成于该衬底的部分上表面上，包括低浓度空穴；
第一电极薄膜，形成于该衬底的上表面的暴露部分、该金属绝缘体突变薄膜的一个侧表面、以及该金属绝缘体突变薄膜的部分上表面上；以及
第二电极薄膜，形成于该衬底的上表面的残余的暴露部分、该金属绝缘体突变薄膜的另一侧表面、以及该金属绝缘体突变薄膜的上表面的另一部分上；且，该第一和第二电极薄膜彼此分隔开。
5.一种警报器，包括：
温度传感器，包括金属绝缘体突变器件；以及
警报信号发生器，串联连接到该温度传感器，
其中该金属绝缘体突变器件包括金属绝缘体突变薄膜和接触该金属绝缘体突变薄膜的至少两个电极薄膜；且
该金属绝缘体突变器件在转变温度之下具有绝缘体的特性，且在该转变温度或该转变温度之上具有金属的特性。
6.如权利要求5所述的警报器，其中该温度传感器感测等于或大于该转变温度的温度且向该警报信号发生器传送与所感测的温度对应的信号。
7.如权利要求6所述的警报器，其中该信号是在该转变温度或该转变温度之上突然改变的电流。
8.如权利要求5所述的警报器，其中该警报信号发生器产生电信号、光和声中的至少一种。
9.如权利要求5所述的警报器，其中该警报信号发生器是发光二极管和蜂鸣器中的一种，其每个串联连接到该温度传感器。
10.如权利要求5所述的警报器，还包括安装在该温度传感器和该警报信号发生器之间的继电器开关。
11.如权利要求10所述的警报器，其中该温度传感器感测等于或高于该转变温度的温度，且通过导通该继电器开关而向该警报信号发生器传送与所感测的温度对应的信号。
12.如权利要求11所述的警报器，其中该继电器开关被在该转变温度或该转变温度之上突然改变的电流导通。
13.如权利要求12所述的警报器，其中该警报信号发生器是串联连接到该继电器开关的发光二极管和蜂鸣器之一。
技术领域
本发明涉及传感器和警报器，更特别地，涉及使用金属绝缘体转变(metal-insulator transition)器件的温度传感器和包括该温度传感器的警报器，该金属绝缘体转变器件在特定温度下经历金属绝缘体突变(abruptmetal-insulator transition)。
背景技术
热敏电阻器是半导体，其通过混合钴、铜、锰、铁、镍、钛等的氧化物以具有适当的电阻率和适当的温度系数且然后烧结该氧化物的混合物而形成。热敏电阻器的电导率根据其周围环境的温度变化而改变。与普通金属相反，热敏电阻器具有负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)，其中电阻值随温度升高而降低。该热敏电阻器被称为NTC热敏电阻器。NTC热敏电阻器检测温度且通常用于驱动继电器开关以产生警报信号的装置中。
图1是电路图，示出使用常规热敏电阻器的常规警报器。参照图1，常规警报器包括传感器部分(由矩形虚线定义)和警报信号部分。传感器部分包括热敏电阻器10，放大器20和晶体管30。警报信号部分包括蜂鸣器(buzzer)50和发光二极管60。传感器部分和警报信号部分通过继电器开关40彼此连接。
在常规警报器的运行中，随着热敏电阻器10的电阻根据温度变化而改变，放大器20的负输入端口的电压发生改变。于是，放大器20的输出电压发生改变。该输出电压被输入至晶体管30的基极(base)。晶体管30被对应于特定温度的输出电压开启。于是，继电器开关40也被导通且操作蜂鸣器50和发光二极管60。
使用热敏电阻器10的常规警报器被广泛使用。但是，如图1所示，常规警报器具有复杂的电路，因为它包括放大器20，晶体管30和多个电阻器。
温度传感器的另一示例是利用双金属(bimetal)的温度传感器。尽管利用双金属的温度传感器也被广泛使用，但双金属具有特定温度范围过宽的问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种包括金属绝缘体突变器件的温度传感器，该金属绝缘体突变器件包括金属绝缘体突变薄膜和接触该金属绝缘体突变薄膜的至少两个电极薄膜。该金属绝缘体突变器件在特定转变温度产生金属绝缘体突变。
该金属绝缘体突变器件在转变温度以下具有绝缘体特性且在转变温度处或转变温度以上具有金属特性。
该金属绝缘体突变薄膜由选自以下组的至少一种材料形成，该组包括：添加低浓度空穴(hole)的无机半导体，添加低浓度空穴的无机绝缘体，添加低浓度空穴的有机半导体，添加低浓度空穴的有机绝缘体，添加低浓度空穴的半导体，添加低浓度空穴的氧化物半导体，以及添加低浓度空穴的氧化物绝缘体，其中上述材料每种包括氧、碳、半导体元素(例如III-V族和II-IV族)、过渡金属元素、稀土元素、镧基元素中的至少一种。
所述电极薄膜的每个由选自以下组的至少一种材料形成，该组包括W、Mo、W/Au、Mo/Au、Cr/Au、Ti/W、Ti/Al/N、Ni/Cr、Al/Au、Pt、Cr/Mo/Au、YB2Cu3O7-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。
该电极薄膜连接到外部电路或电子电路，从而温度传感器利用流入金属绝缘体突变器件的电流量的改变感测等于或大于转变温度的温度。
根据本发明的另一方面，提供一种警报器。该警报器包括具有金属绝缘体突变器件的温度传感器和串联连接到该温度传感器的警报信号发生器。
该警报信号发生器产生电信号、光和声中的至少一种。该警报信号发生器可以是串联连接到该温度传感器的发光二极管和蜂鸣器之一。供选地，该警报信号发生器可包括发光二极管和蜂鸣器两者。
根据本发明的又一方面，提供一种警报器。该警报器包括具有金属绝缘体突变器件的温度传感器，连接到该温度传感器的继电器开关，以及串联连接到该继电器开关的警报信号发生器。
该温度传感器感测等于或高于转变温度的温度且通过使该继电器开关导通而将与所感测的温度对应的信号传送到该警报信号发生器。该继电器开关被在该转变温度处或以上突然改变的电流导通。
使用金属绝缘体突变器件来制造根据本发明的温度传感器，因此其具有简单的结构且能精确地感测温度。
另外，根据本发明的警报器使用具有金属绝缘体突变器件的温度传感器，因而具有非常简单的电路且节约成本。
此外，根据本发明的警报器使用金属绝缘体突变器件，其可被大大地小型化且因此可以比使用热敏电阻器或双金属制造的常规警报器紧凑地多。
附图说明
图1是示出使用常规温度传感器，即热敏电阻器，的常规警报器的电路图；
图2是堆叠型金属绝缘体突变器件的截面图；
图3是平面型金属绝缘体突变器件的截面图；
图4是曲线图，示出使用由钒氧化物(VO2)形成的金属绝缘体突变器件的温度传感器的温度-电阻曲线，氧化钒在特定温度引起金属绝缘体突变；
图5是根据本发明一实施例的包括使用金属绝缘体突变器件的温度传感器的警报器的电路图；
图6是根据本发明另一实施例的包括使用金属绝缘体突变器件的温度传感器的警报器的电路图；
图7是包括图1中除继电器开关以外的所有元件的常规警报器的照片；以及
图8是图5所示的警报器的照片。
具体实施方式
本发明提出一种使用新器件感测温度的温度传感器和包括该温度传感器的警报器，该新器件的电特性根据外部特定温度突然变化。下文中，该新器件被称为金属绝缘体突变器件。下文中，金属绝缘体突变器件产生金属绝缘体转变的温度被称为转变温度。
金属绝缘体突变器件包括金属绝缘体突变薄膜(下文中称为转变薄膜)和至少两个电极薄膜。金属绝缘体突变器件可根据转变薄膜和电极薄膜的位置而具有堆叠(或垂直)结构或平面型结构。
图2是具有堆叠结构的金属绝缘体突变器件的截面图。参照图2，具有堆叠结构的金属绝缘体突变器件包括衬底100，形成在衬底100上的缓冲层200，第一电极薄膜410，转变薄膜300和第二电极薄膜420。第一电极薄膜410，转变薄膜300和第二电极薄膜420依次形成于缓冲层200上。
缓冲层200缓冲衬底100和第一电极薄膜410之间的晶格失配。当衬底100和第一电极薄膜410之间的晶格失配非常小时，第一电极薄膜410可直接形成于衬底100上而没有缓冲层200。缓冲层200可包括SiO2或Si3N4膜。
转变薄膜300可由选自以下组的至少一种材料形成，该组包括：具有低空穴浓度的无机半导体，具有低空穴浓度的无机绝缘体，具有低空穴浓度的有机半导体，具有低空穴浓度的有机绝缘体，具有低空穴浓度的半导体，具有低空穴浓度的氧化物半导体，具有低空穴浓度的氧化物绝缘体。上述材料每种包括氧、碳、半导体元素(例如III-V族和II-IV族)、过渡金属元素、稀土元素和镧基元素中的至少一种。转变薄膜300可由具有非常高的电阻的n型半导体和具有非常高的电阻的n型绝缘体形成。
包括第一和第二电极薄膜410和420的电极薄膜400由W、Mo、W/Au、Mo/Au、Cr/Au、Ti/W、Ti/Al/N、Ni/Cr、Al/Au、Pt、Cr/Mo/Au、YB2Cu3O7-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中的至少一种形成。电极薄膜400可利用溅射沉积法、真空沉积法和电子束沉积法中的至少一种沉积法形成。
衬底100由Si、SiO2、GaAs、Al2O3、塑料、玻璃、V2O5、PrBa2Cu3O7、YBa2Cu3O7、MgO、SrTiO3、Nb掺杂SrTiO3、绝缘体上硅(SOI)中的至少一种形成。
本发明使用的金属绝缘体突变器件的电特性根据温度而突然改变。换句话说，金属绝缘体突变器件在转变温度以下具有绝缘体的特性，在转变温度或转变温度以上具有金属的特性。
金属绝缘体突变器件的电特性从金属到绝缘体的突变披露于一些文献中，即New J.Phys.6(2004)52，http//xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0411328，Appl.Phys.Lett.86(2005)242101，及美国专利No.6624463。
图3是具有平面型结构的金属绝缘体突变器件的截面图。参照图3，具有平面型结构的金属绝缘体突变器件包括衬底100，形成于衬底100上的缓冲层200，形成于缓冲层200的部分上表面上的转变薄膜300a，以及第一电极薄膜410a和第二电极薄膜420a。第一电极薄膜410a和第二电极薄膜420a形成于缓冲层200的暴露部分以及转变薄膜310a的侧面和上表面上从而彼此面对。换句话说，第一和第二电极薄膜410a和420a被形成于其间的转变薄膜300a彼此分隔开。
缓冲层200缓冲转变薄膜300a与衬底100之间的晶格失配。当衬底100和转变薄膜300a之间的晶格失配非常小时，转变薄膜300a可直接形成于衬底100上而其间不形成缓冲层200。
当然，缓冲层200、电极薄膜400、转变薄膜310a和衬底100可由上面参照图2提及的材料形成。堆叠型和平面型金属绝缘体突变器件以微米(μm)为单位小型化且并被制造而不会招致高成本。
图4是曲线图，示出使用由钒氧化物(VO2)形成的金属绝缘体突变器件的温度传感器的温度-电阻曲线，钒氧化物在转变温度引起金属绝缘体突变。参照图4，水平轴表示绝对温度(K)，垂直轴表示温度传感器的电阻(Ω)。在约338K或更低，该温度传感器具有高电阻，即105Ω或更高的电阻，具有与绝缘体的特性类似的特性。然而，温度传感器的电阻在约338K，即约65℃，突然下降且因此具有金属的特性，具有约数十Ω的电阻。温度传感器的电阻迅速改变的原因是因为金属绝缘体突变器件在约65℃经历金属绝缘体突变。因此，本实验中使用的温度传感器的金属绝缘体突变器件的转变温度是约65℃。
在本实验中，在65℃在VO2温度传感器中发生金属绝缘体突变。但是，转变温度可以通过用适当材料掺杂VO2温度传感器而改变。转变温度还可通过改变金属绝缘体突变器件的组元的材料或结构而改变。因此，根据本发明的温度传感器可使用在转变温度产生金属绝缘体突变的金属绝缘体突变器件形成。
温度传感器连接到电元件或电子元件等以检测等于或高于转变温度的温度且向外界通知检测结果。此外，因为温度传感器的电特性，即电阻，在转变温度急剧变化，所以预定电压应通过电极薄膜连续施加到转变薄膜。
通过使用金属绝缘体突变器件，根据本发明的温度传感器能精确地感应比与金属绝缘体突变器件的转变温度对应的特定温度更高的温度。另外，该温度传感器可被小型化且被制造而不会招致高成本。
图5是根据本发明一实施例的包括使用金属绝缘体突变器件的温度传感器的警报器的电路图。参照图5，警报器包括使用金属绝缘体突变器件的温度传感器800，连接到温度传感器800的继电器开关500，蜂鸣器600，及发光二极管700。蜂鸣器600和发光二极管700连接到继电器开关500。电源电压Vcc施加到继电器开关500，蜂鸣器600和发光二极管700。如上所述，温度传感器800利用金属绝缘体突变器件制造，金属绝缘体突变器件在转变温度产生金属绝缘体突变。
蜂鸣器600和发光二极管700是警报信号发生器，其指示温度传感器800感测的温度等于或高于转变温度。即，如果感测的温度等于或高于转变温度，则蜂鸣器600产生声音，发光二极管700发光。蜂鸣器600和发光二极管700仅是警报信号发生器的例子。能产生电信号、光、声等的各种电器件或电子器件可用作警报信号发生器。尽管蜂鸣器600和发光二极管700在本实施例中都被使用，但是可使用两者中的一个。
如图5所示，发光二极管700可串联连接到电阻器R以保护发光二极管700。图5中，警报信号发生器600和700位于温度传感器800附近。但是，警报信号发生器600和700可设置在控制中心等远离温度传感器800的位置，且可通过电导线连接到温度传感器800。当然，温度传感器800安装在需要测量温度改变的位置。
在本实施例的警报器的操作中，当外部温度等于或高于转变温度时，温度传感器800产生金属绝缘体突变，因此电流突然增大。增大的电流使继电器开关500导通。于是，电流流进蜂鸣器600和发光二极管700，从而蜂鸣器600和发光二极管700产生声信号和光信号。
在本实施例中，图1的常规警报器的传感器部分的大量组成电路被使用一个金属绝缘体突变器件的温度传感器800替代。因此，可以制造简单的警报器电路。此外，温度传感器800精确地控制金属绝缘体突变器件的转变温度，因此警报器能在准确温度操作。另外，如上所述，因为温度传感器800紧凑且节约成本，所以本实施例的警报器可被小型化且能被制造而不招致高成本。
图6是根据本发明另一实施例的包括使用金属绝缘体突变器件的温度传感器的警报器的电路图。图6的警报器类似于前述实施例的警报器，除了继电器开关被省略以外。因此，施加到继电器开关的电源电压Vcc也被省略。
在本实施例的警报器的操作中，使用金属绝缘体突变器件的温度传感器800在转变温度产生金属绝缘体突变，于是大量电流流动。因此，电流也流入蜂鸣器600和发光二极管700，从而产生光信号和声音。当然，在转变温度或转变温度以下也流动少量电流。但是，该少量电流无力操作蜂鸣器600。此外，由于大部分电压施加到温度传感器800，所以在发光二极管700两端的电压不足以启动光电二极管700。
与前述实施例类似，在本实施例中，不仅蜂鸣器600和发光二极管700，而且能产生电信号、光、声等的其它各种电器件或电子器件可用作警报信号发生器。可使用蜂鸣器600和发光二极管700中的仅一种。当然，警报信号发生器600和700可以设置在远处的控制中心等，且通过电导线连接到温度传感器800。在本实施例中，不包括继电器开关，有助于简化警报器的内部电路。
图7是通过包括图1中电路的除了继电器开关40之外的全部元件制造的常规警报器的照片。图7中，虚线圆圈示出电路复杂的常规温度传感器部分。
图8是图5的警报器的照片。如图8所示，通过使用具有金属绝缘体突变器件的温度传感器，警报器可制造得具有简单结构。即，箭头指示的小虚线圆圈是利用金属绝缘体突变器件的温度传感器。该单个温度传感器取代了常规警报器的温度传感器部分。
如上所述，使用金属绝缘体突变器件制造根据本发明的温度传感器，因此其具有简单的结构且能精确地感测温度。
另外，根据本发明的警报器使用具有金属绝缘体突变器件的温度传感器，因此具有非常简单的电路且节约成本。
此外，根据本发明的警报器使用金属绝缘体突变器件，其能被大程度地小型化，且因此能比使用热敏电阻器或双金属制造的常规警报器紧凑地多。
尽管已经参照示范性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节上的各种改变而不偏离所附权利要求定义的本发明的思想和范围。
本发明涉及使用金属绝缘体转变(MIT)器件的温度传感器和包括该温度传感器的警报器，该金属绝缘体转变器件在特定温度经历金属绝缘体突变。根据本发明的传感器和警报器能使用金属绝缘体突变器件而大大地小型化，且因此能比使用热敏电阻器或双金属制造的常规警报器紧凑地多。
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