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基于PI衬底的新型柔性薄膜热电堆及其风速传感应用研究

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基于PI衬底的新型柔性薄膜热电堆及其风速传感应用研究

作者：丁文泰华东师范大学

学位级别：硕士

在表面温度测量、红外传感和流量监测领域,薄膜热电堆以其灵敏度高、响应时间快、易于集成和抗干扰能力强等特点,受到业界的广泛关注。薄膜热电堆是一种基于塞贝克效应(Seebeck Effect)工作原理的器件,主要由热电偶所构成。目前,薄膜热... 详细信息

在表面温度测量、红外传感和流量监测领域,薄膜热电堆以其灵敏度高、响应时间快、易于集成和抗干扰能力强等特点,受到业界的广泛关注。薄膜热电堆是一种基于塞贝克效应(Seebeck Effect)工作原理的器件,主要由热电偶所构成。目前,薄膜热电堆的薄膜制备方法包括离子溅射、磁控溅射、真空蒸发、热喷涂等。虽然这些方法可以快速制备金属薄膜,并且具有相对较好的稳定性,但柔性电子技术的快速发展提出了一些新的要求。特别是,由上述方法制备的金属膜与衬底之间的粘合不够牢固,无法承受高应力。这导致金属膜容易从基板上脱落或剥落,从而导致器件损坏或失效。因此,探索新型柔性薄膜热电堆对研究和应用都至关重要。本文采用化学溶液法在聚酰亚胺(Polyimide,PI)薄膜衬底上制备了高附着力的金属薄膜,并基于激光打孔技术设计和制备了三维(3D)Ag-Ni薄膜热电堆。化学溶液法制备的金属膜不仅具有优异的抗弯曲性能,而且成本低,制备工艺简单。本文的主要内容包括:第一,使用化学溶液法,以PI薄膜为衬底制备了Ag金属薄膜和Ni金属薄膜。探究了制备参数的影响,采用正交实验法获得制备金属薄膜的优化工艺参数,研究了不同退火处理温度对于所制备的金属薄膜导电性的影响。利用激光标刻法制备图形化金属薄膜电极。第二,研究了共平面和3D结构两种柔性热电堆结构。在PI衬底的同一表面化学溶液法生长Ag薄膜和Ni薄膜,通过激光标刻制备得到共平面结构的AgNi薄膜热电偶。通过探究激光打孔工艺,首先化学溶液法在PI衬底的上下表面分别制备Ag薄膜和Ni薄膜,通过导电通孔制备了一种三维结构的Ag-Ni薄膜热电堆。对制备的三维结构的Ag-Ni薄膜热电堆的热电效应、弯曲性能以及稳定性进行测试,结果表明该热电堆输出的线性特性极好,并且有良好的抗弯曲能力。第三,研究了一种基于热电堆的热风速计。首先,制备并对比研究了基于Ag/PI薄膜和Ni/PI薄膜的柔性电阻加热器;其次,选择使用Ag加热器与制备的Ag-Ni薄膜热电堆集成于同一衬底,设计并制备了一种风速传感器件;最后,为了研究薄膜热电堆在风速检测方面的应用,设计了一种无线数据传输系统,通过使用Arduino单片机和蓝牙模块,将传感器测量的数据信息传输至手机端,利用开发的微信小程序在手机界面实时显示检测到的数据信息。

关键词：柔性电子化学溶液法金属图形化薄膜热电堆风速

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采用薄膜热电堆的激光能量计

应用激光 1988年第2期 67-70页

作者：林文青中国科学院上海光机所

本文报导了采用薄膜热电堆的激光能量计的结构、参数、性能和精度。能量计使用电加热校准,校准的重复性优于±1.0%。

关键词：薄膜热电堆热偶激光能量热电势能量计

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新结构薄膜热电堆

科技开发动态 2001年第8期 47-48页

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薄膜热流传感器的制备及性能研究

薄膜热流传感器的制备及性能研究

作者：冯楠茗西南科技大学

学位级别：硕士

随着现代科学技术的发展,热流密度的测量技术在工农生产、航空航天、科学研究以及能源动力等领域受到重视。大量的热量传递问题亟待解决,研究热流检测理论和技术对控制热能的传递以及了解热流分布对传热过程的影响有着重要意义。本文设... 详细信息

随着现代科学技术的发展,热流密度的测量技术在工农生产、航空航天、科学研究以及能源动力等领域受到重视。大量的热量传递问题亟待解决,研究热流检测理论和技术对控制热能的传递以及了解热流分布对传热过程的影响有着重要意义。本文设计和研究了10×10 mm区域内串联200对热电偶的方形热电堆和半径为8mm区域内串联58对热电偶的圆形热电堆。通过磁控溅射技术在单晶Si、AlO(0001)、Al N和AlO陶瓷衬底上分别沉积厚度为600 nm的Cu、Cu55Ni45、Pt和Ni薄膜,运用微加工技术对薄膜图形化处理形成Cu/Cu55Ni45与Pt/Ni热电堆,采用反应溅射结合硬掩膜沉积了不同厚度的氧化铝热阻层,从而使串联的热电偶可分别产生冷端和热端。根据Seebeck效应,在热流的作用下薄膜热电堆冷热两端的温差使传感器输出热电信号,实现对热流密度的测量。采用X射线衍射、X射线能谱和原子力显微镜等技术对热电堆薄膜进行表征,并使用高温黑体平板炉对热电堆灵敏度进行标定。结果表明:沉积在单晶Si衬底和AlO陶瓷衬底上的Cu/Cu55Ni45热电堆中,Cu膜粗糙度分别为20 nm和60 nm,Cu55Ni45膜粗糙度分别为15 nm和20 nm,衬底的粗糙度影响薄膜热电堆的电阻。在对比标定实验中,以Si、AlO(0001)、Al N和AlO为衬底的Cu/Cu55Ni45方形热电堆灵敏度分别为,0.0693、0.06188、0.02412和0.02648m V/(k W·m)。以Al N为衬底的Cu/Cu55Ni45方形热电堆在300℃真空环境下退火1h,其灵敏度有28.32%提升,此外流传感器的输出热电势与热流密度呈现良好的线性关系。使用波长为375 nm,功率密度分别为62.86、125.71和188.57 m W/cm的紫外光作为热源测试,结果表明:在相同功率密度辐照下,Cu/Cu55Ni45圆形热电堆响应信号强度比方形热电堆高约30%,增加热阻层的厚度有利于提升传感器响应信号强度,Pt/Ni圆形薄膜热电堆在该功率密度下最高仅为13μV。

关键词：薄膜热电堆 Cu/Cu55Ni45 Pt/Ni 对比标定热流

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新型高温薄膜热流传感器的研制

仪器仪表学报 2021年第3期42卷 78-87页

作者：崔云先黄金鹏曹凯迪王浩宇殷俊伟大连交通大学机械工程学院大连116028

航天飞行器在返回地球大气层时外表面会产生兆瓦级的热流,瞬时温升可达1 800℃,为了保证飞行器的稳定安全运行,准确实时测量飞行器热防护系统表面热流具有非常迫切和重要的意义。针对高温热流检测的技术难题,提出了一种引线与基底一体... 详细信息

航天飞行器在返回地球大气层时外表面会产生兆瓦级的热流,瞬时温升可达1 800℃,为了保证飞行器的稳定安全运行,准确实时测量飞行器热防护系统表面热流具有非常迫切和重要的意义。针对高温热流检测的技术难题,提出了一种引线与基底一体化的新型热流传感器结构。结合陶瓷烧结静压成型和磁控溅射技术,通过在嵌入PtRh6引线的99氧化铝陶瓷基底端面依次沉积PtRh30-PtRh6热电堆薄膜、Al_(2)O_(3)薄膜、ZrO_(2)薄膜,研制了一款新型高温薄膜热流传感器,并对热流传感器进行了静态、动态性能、耐高温及重复性测试。结果表明,所研制的传感器灵敏度可达0.01μV/(W/m^(2))以上,传感器动态响应时间为3.97 s,对传感器进行1200℃高温实验,结果显示传感器经历高温前后输出信号无明显变化,传感器最大重复性误差为2.38%。所研制的高温薄膜热流传感器可为高温热流测量和热防护系统优化提供科学依据。

关键词：热流传感器薄膜热电堆磁控溅射陶瓷烧结高温

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用于生化反应探测的微流控芯片量热计研究

用于生化反应探测的微流控芯片量热计研究

作者：黄建泽上海交通大学

学位级别：硕士

生物分子结合反应,DNA杂交,蛋白质展开,酶促反应和微生物代谢等生化反应过程中总是会伴随着热量的变化,了解生化反应过程中热量的变化以及反应过程的温度依赖性对于基础科学、药物开发及药物性能测定、生物分子操纵和微生物代谢过程的... 详细信息

生物分子结合反应,DNA杂交,蛋白质展开,酶促反应和微生物代谢等生化反应过程中总是会伴随着热量的变化,了解生化反应过程中热量的变化以及反应过程的温度依赖性对于基础科学、药物开发及药物性能测定、生物分子操纵和微生物代谢过程的研究至关重要。随着生化量热法的发展,测量生化过程中的热效应显示出越来越重要的意义。生化量热法是一种测量生化反应过程中涉及的热量的方法,与其他生化过程表征方法相比,量热法的独特优势在于它是基于溶液的、无标记的、普遍适用的,并且可以确定分析物的热力学性质。然而目前商用的量热计具有样品消耗量大,设备成本高以及测试耗时长等缺点。近几十年,随着微加工技术和MEMS技术的不断进步,微型化的芯片量热计的实现逐渐成为可能。芯片量热计是基于MEMS技术制备的微型化量热计,芯片量热计中通常集成了MEMS热传感器和用于样品处理的微流道。相比于传统的量热计,微流控芯片量热计仅需非常少量的反应物就可以进行热量测量,检测时间短,制造成本低,并且能够进行Lab-on-a-Chip的生化反应热探测。本论文设计并利用MEMS工艺制备了基于聚酰亚胺衬底的热传感器和PDMS微流道,并集成构造了微流控芯片量热计。聚酰亚胺衬底上制备了用于热量探测的高灵敏度Bi-Sb热电堆和用于标定的Au微加热器。PDMS微流道采用标准的软光刻技术制备。PDMS微流道中有三个相同的体积为1.28μL的腔室,作为反应腔和参考腔。利用磁控溅射制备Bi-Sb薄膜热电堆,并利用lift-off工艺进行图形化。并且对溅射工艺和图形化工艺进行了优化,制备出性能稳定的BiSb热电堆。搭建了测试平台,对芯片量热计的性能进行测试。实验结果表明,在反应液静止的条件下芯片量热计的响应时间为0.716s,灵敏度高达5.3V/W,热量探测的分辨率为51μW.在流动模式下用芯片量热计分别探测乙醇稀释放热以及抗坏血酸和氨水的中和反应放热,并且研究反应液流速对输出电压的影响。利用芯片量热计分别测量了铜绿假单胞菌HT66和枯草杆菌168菌液的代谢热量,验证了量热计检测微小热量变化的能力,显示了其在微生物生长和代谢研究领域的巨大应用潜力。

关键词： MEMS技术芯片量热计薄膜热电堆 PDMS微流道生化反应探测

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面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术

光电工程 2007年第2期34卷 45-49,54页

作者：张磊郑小兵林志强王骥刘昌锦中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室中国科学院研究生院北京100039 解放军炮兵学院信息工程系安徽合肥230031 解放军炮兵学院信息工程系

从红外遥感信息定量化的发展要求出发,分析了测辐射热计、热电堆探测器和热释电探测器的响应特性,选择薄膜热电堆探测器TS-76作为传递标准探测器。搭建高精度光谱响应率定标系统,使用宽波段可调谐激光器和绝对低温辐射计对TS-76探测器... 详细信息

从红外遥感信息定量化的发展要求出发,分析了测辐射热计、热电堆探测器和热释电探测器的响应特性,选择薄膜热电堆探测器TS-76作为传递标准探测器。搭建高精度光谱响应率定标系统,使用宽波段可调谐激光器和绝对低温辐射计对TS-76探测器的线性、空间均匀性以及重复性进行了标定。按照国际通用不确定度评估规范,对光谱响应率测量结果进行不确定度分析和评估,联合不确定度小于1.5%,并根据实验结果提出实现高精度中远红外辐射定标的技术方案,证明基于热电堆探测器的红外辐射定标技术可以有效缩短标准传递的链路,提高定标的精度。

关键词：红外遥感薄膜热电堆红外探测器红外辐射定标

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我国辐射测温技术发展

激光与红外 1988年第1期 1-6页

作者：王致春

一、概述我国最早的辐射测温仪是五十年代开始生产的WFT-202型辐射高温计(400～2000℃分段)和光学高温计(800～3000℃分段)。测温精度前者取决于由热偶丝组成的热电堆探测器,后者取决于人眼的亮度分辨能力和标准灯炮的稳定性。由于这两... 详细信息

一、概述我国最早的辐射测温仪是五十年代开始生产的WFT-202型辐射高温计(400～2000℃分段)和光学高温计(800～3000℃分段)。测温精度前者取决于由热偶丝组成的热电堆探测器,后者取决于人眼的亮度分辨能力和标准灯炮的稳定性。由于这两种仪器结构简单、可靠性高和工艺成熟价格便宜,因而获得了广泛的应用,至今仍是人们经常使用的非接触测温工具。六十年代我国出现了以硫化铅红外探测器

关键词：测温仪探测器上海自动化仪表 OC 光学高温计工业仪表不接触式温度仪表测温技术薄膜热电堆双色测温黑体炉光辐射标准器

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工业辐射温度计的国内现状及其发展设想

自动化仪表 1983年第5期 5-7+4+4页

作者：周曾德上海工业自动化仪表研究所

辐射测温仪表是重要而十分成熟的测温手段,它已成功而广泛地用于各个领域。本文即综述了我国工业用辐射温度计的科研、生产和使用现状,并就今后的发展提出了设想。

关键词：辐射温度计不接触式温度仪表测温仪表薄膜热电堆