一種新型瞬態(tài)溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種新型瞬態(tài)溫度傳感器，包括二維石墨烯和基底，二維石墨烯復(fù)合在基底的上表面，二維石墨烯的兩端設(shè)置有導(dǎo)線，導(dǎo)線通過銀膠與二維石墨烯連接。本發(fā)明對溫度檢測響應(yīng)迅速準(zhǔn)確，且只需要測量電壓值就能得出對應(yīng)的溫度，操作方便，檢測速度快、測試精度高。
【專利說明】
一種新型瞬態(tài)溫度傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于新型傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種新型瞬態(tài)溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳感技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，在科研、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域， 溫度傳感都有著很重要的應(yīng)用。溫度值無法直接獲取，通常利用其它物體對于溫度敏感的 某一特性來間接的獲取溫度值，這個過程即溫度的傳感過程。目前一種最常見的溫度傳感 的工作原理是將熱信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過可讀的電信號強(qiáng)度來獲取溫度值。隨著科學(xué)技 術(shù)的發(fā)展，瞬態(tài)溫度傳感器越來越受到重視。瞬態(tài)溫度涉及到熱學(xué)中的燃燒、傳熱、激光加 熱等熱現(xiàn)象，在工業(yè)和軍事等眾多領(lǐng)域中，機(jī)械部件的熱變形和熱力分析中，瞬態(tài)溫度的傳 感和測量都是非常重要的一環(huán)，尤其是在軍工領(lǐng)域，槍膛射出的火藥的溫度、槍管發(fā)射火藥 后的溫度、自動武器導(dǎo)氣式的氣體溫度、火箭和彈道的燃?xì)鉁囟?，這些物理化學(xué)過程的共同 特點(diǎn)是溫度高、變化快，都牽涉到瞬態(tài)溫度的問題，所以瞬態(tài)溫度的測量和傳感有著非常重 要的地位。
[0003] 目前溫度傳感器的核心部分是對溫度敏感的材料，包括各類導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解 質(zhì)、高分子材料等，它們的共同特性在于能夠隨溫度變化改變自身的某些特性，并可以顯式 的表現(xiàn)出來從而間接地獲取溫度值。對于這些溫度敏感材料，其中一部分是通過電子方式 檢測溫度變化，目前常見的傳感元件有五類：（1)熱敏電阻（2)阻性溫度傳感器(3)熱電偶
[4] 硅溫度傳感器(5)紅外溫度傳感器。按照溫度傳感器測溫方式來分類，這些熱傳感器可 以分為接觸式傳感和非接觸式傳感兩類，熱電偶、熱敏電阻就是較為典型的接觸式溫度傳 感器，敏感元件需要與待測物體表面接觸，而紅外溫度傳感則屬于典型的非接觸式傳感。按 照溫度傳感的傳感速度來分類，又可以分為靜態(tài)溫度傳感器和動態(tài)溫度傳感器，生活中我 們常用的體溫計就是靜態(tài)溫度傳感器，它的特點(diǎn)在于傳感時間較長、傳感速度慢。
[0004] 研究表明，石墨烯薄片的電子迀移率可以達(dá)到200000cm2/(V · S)，在240K的條件 下則可以達(dá)到120000cm2/(V · s)，遠(yuǎn)高于常規(guī)材料。同時石墨烯具有非常好的導(dǎo)熱性，本身 是很好的導(dǎo)熱體，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)500W/mK，室溫下約是銅的十倍，遠(yuǎn)高于碳 的其他的同素異形體，良好的熱學(xué)和電學(xué)特性使得石墨烯材料在靜態(tài)和瞬態(tài)溫度傳感器領(lǐng) 域有很好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種新型瞬態(tài)溫度傳感器，通過二維石墨烯和 基底的共同作用，達(dá)到對溫度檢測響應(yīng)迅速準(zhǔn)確，且只需要測量電壓值就能得出對應(yīng)的溫 度，操作方便，檢測速度快、測試精度高。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：
[0007] -種新型瞬態(tài)溫度傳感器，包括二維石墨烯和基底，所述二維石墨烯復(fù)合在基底 的上表面，二維石墨烯的兩端設(shè)置有導(dǎo)線，導(dǎo)線通過銀膠與二維石墨烯連接。
[0008] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器，基底包括二氧化硅薄膜和硅基底，所述 二氧化硅薄膜沉積在硅基底的上表面。
[0009] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器，所述瞬態(tài)溫度傳感器的長度為5~8cm， 寬度為2~5cm〇
[0010] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器，所述二維石墨稀的長度為3~5cm，寬度 為1~2cm〇
[0011] 本發(fā)明還提出了一種測量瞬態(tài)溫度的方法，利用平衡電橋標(biāo)定新型瞬態(tài)溫度傳感 器的溫阻特性，在實(shí)際測量瞬態(tài)溫度時，將一個標(biāo)準(zhǔn)電阻和上述任一的新型瞬態(tài)溫度傳感 器串聯(lián)在直流穩(wěn)壓電源兩端，且標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值遠(yuǎn)大于新型瞬態(tài)溫度傳感器的阻值，用示 波器獲取新型瞬態(tài)溫度傳感器兩端的電壓，由此得出對應(yīng)的實(shí)際溫度。
[0012] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0013] 1、本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器對溫度檢測響應(yīng)迅速準(zhǔn)確，應(yīng)用廣泛；
[0014] 2、本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器只需要測量電壓值就能得出對應(yīng)的溫度，方法簡 單，成本低，操作方便；
[0015] 3、本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器對溫度的檢測速度快、測試精度高。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器的溫阻特性測試電路圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器的電阻隨溫度變化特性曲線圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器的電阻變化率隨溫度變化特性曲線圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器經(jīng)脈沖激光加熱的示意圖；
[0021] 圖6是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器的電阻測量電路圖；
[0022] 圖7是本發(fā)明的新型瞬態(tài)溫度傳感器在激光加熱下的溫度示意圖。
[0023] 附圖標(biāo)號含義：1:導(dǎo)線，2:銀膠，3:二維石墨烯，4:二氧化硅薄膜，5:硅基底;6:脈 沖激光器。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0025] 首先以銅箱作為催化基模板，使用化學(xué)氣相沉積法制備二維石墨烯樣品。
[0026] 在樣品兩端引入導(dǎo)線并點(diǎn)上銀膠，然后干燥十分鐘，使丙酮揮發(fā)。等待銀膠凝固后 在接點(diǎn)處點(diǎn)上硅膠固定接點(diǎn)，放入加熱風(fēng)箱干燥8小時，使硅膠凝固，成品即瞬態(tài)溫度傳感 器，其傳感元件結(jié)構(gòu)如圖1所示，表面的二維石墨烯即溫度敏感材料。
[0027]測試溫敏材料溫阻特性實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示，這是一個平衡電橋電路，RjPR3接入 恒定電阻且R1 = R3,將R2接入可變電阻箱，將二維石墨烯樣品（阻值為心)放置在磁力攪拌器 上進(jìn)行加熱，共讀取16個樣本點(diǎn)，使樣本溫度從300K上升到593K，每隔20K取一次樣，在每一 個所選取的樣本點(diǎn)的溫度上，使樣本的溫度保持恒定5min，調(diào)節(jié)R 2的阻值，使檢流計G的讀 數(shù)為零，讀取R3的阻值，即為二維石墨烯樣品的阻值，結(jié)果如圖3所示。
[0028] 通過對圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到近似的溫阻特性表達(dá)式：
[0029] R(T)-IO.846 = -0.00659T (1)
[0030] 定義
）K時樣本的初始電阻，則電阻變化率 隨溫度變化的特性如圖4所示，可以計算出實(shí)驗(yàn)所用的石墨烯溫度傳感元件的系數(shù)β ? 7.44 X 10-4,從而可以通過傳感器的阻值推算出傳感器所對應(yīng)的實(shí)際溫度。
[0031] 實(shí)施例1
[0032] 如圖5所示，所測樣品置于SiO2襯底上，底部則是一層Si基底。脈沖激光從上方直 接聚焦在石墨烯樣本上。由于二維石墨烯的透明度很高，且石墨烯本身的光學(xué)性質(zhì)決定了 其光透過率很高，單層石墨烯的光透過率理論值可以達(dá)到97%以上，所以樣本只吸收很少 的激光能量，大部分激光會穿過樣本并被SiO 2薄膜和Si基底吸收。吸收激光能量后，硅片的 溫度會在極短的時間內(nèi)發(fā)生迅速的變化，溫度快速上升，從而引發(fā)襯底表面石墨烯的溫度 變化，石墨烯的阻值也隨之變化。由于石墨烯電阻變化是一個動態(tài)的過程，為了測量石墨烯 電阻的變化量，所以采用分壓電路作為測試電路，如圖6是測量二維石墨烯的電阻的測試電 路示意圖，其中Ro為固定阻值的電阻，與石墨烯串聯(lián)在電路中，且R〇>>R g，電壓源為1~12V 連續(xù)可調(diào)的直流電源。石墨烯兩端的電壓值使用存儲示波器來獲取，由分壓電路的分壓特 性可以得到：
[0033] (2:)
[0034]
[0035]如圖7所示，在激光開始作用后的3.9ys時間段內(nèi)，曲線迅速下降，并在T = 3.9ys時 達(dá)到最低值，形成了一個尖銳的波谷，這反映了樣本兩端電壓值在3.9ys的時間內(nèi)產(chǎn)生了迅 速變化。石墨烯兩端初始電壓絕對值為0.5V，在波谷位置電壓降到了 0.215V，下降幅度約為 57%。由式(2)可知，石墨烯兩端電壓和石墨烯電阻成正比，電壓值的下降表明，在溫度上升 過程中樣本的阻值出現(xiàn)了下降，表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)的電阻特性，這與圖3實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果一
致。
[0036
[0037 (3)
[0038] 其中R和U分別為T = 300K時樣本的初始電阻和兩端的初始電壓。
[0039： 民們可以得到波谷位置對應(yīng)的Δ T的值：
[0040: (4)
[0041] 將β = 7·44Χ10-4、AU/U = 57%代入上式，得：ΔΤ = 766Κ，由此可以得到二氧化硅 表面的峰值溫度Τ = 1066Κ。
[0042]以上所述僅是本發(fā)明的部分實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)應(yīng)視為本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型瞬態(tài)溫度傳感器，其特征在于，包括二維石墨烯和基底，所述二維石墨烯復(fù) 合在基底的上表面，二維石墨烯的兩端設(shè)置有導(dǎo)線，導(dǎo)線通過銀膠與二維石墨烯連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型瞬態(tài)溫度傳感器，其特征在于，基底包括二氧化硅薄膜和 硅基底，所述二氧化硅薄膜沉積在硅基底的上表面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型瞬態(tài)溫度傳感器，其特征在于，所述瞬態(tài)溫度傳感器的長 度為5~8cm，寬度為2~5cm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型瞬態(tài)溫度傳感器，其特征在于，所述二維石墨烯的長度為 3~5cm，寬度為1~2cm。5. -種測量瞬態(tài)溫度的方法，其特征在于，利用平衡電橋標(biāo)定新型瞬態(tài)溫度傳感器的 溫阻特性，在實(shí)際測量瞬態(tài)溫度時，將一個標(biāo)準(zhǔn)電阻和一個權(quán)利要求1~4任意一項(xiàng)所述的 新型瞬態(tài)溫度傳感器串聯(lián)在直流穩(wěn)壓電源兩端，且標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值遠(yuǎn)大于新型瞬態(tài)溫度傳 感器的阻值，用示波器獲取新型瞬態(tài)溫度傳感器兩端的電壓，由此得出對應(yīng)的實(shí)際溫度。
【文檔編號】G01K7/20GK105841836SQ201610156655
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】徐榮青, 運(yùn)丹丹, 謝娜, 張宏超, 常春耘, 王坤
【申請人】南京郵電大學(xué)