一种具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器的制作方法

本发明属于微小区域温度分布监测技术领域，涉及一种具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器。

背景技术：

温度作为表征物体状态及性能变化最基本的物理量，在工农业生产及日常生活起着重要的作用，因此对温度的精确检测有非常重要的社会价值。温度传感器根据原理可以划分为电阻式温度传感器、热电式温度传感器、光纤温度传感器、红外测温传感器等，但这些温度传感器都存在尺寸大、结构复杂、空间和时间分辨率低等问题。随着智能机器人、物联网和航空航天技术及的发展，对微小区域温度分布的监测需求日益增加，而传统的温度传感器要想提高测量区域的空间分辨率需增加传感器的个数，与之而来使得带来引线困难、测试电路复杂、成本高等问题。因此开发一种结构简单、可靠耐用、成本低且能够实现多个待测点温度测量的柔性适形温度传感器是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器，该传感器能够在不增加传感器数量的情况下，实现多个待测点温度的准确测量，并且结构简单、可靠耐用、成本较低。

为达到上述目的，本发明所述的具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器包括柔性绝缘基底以及依次沉积于柔性绝缘基底表面的正极热电偶薄膜阵列及负极热电偶薄膜阵列，其中，正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列之间存在多个重叠区域，正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列的重叠区域组成热节点，柔性绝缘基底的表面分为敏感区域及非敏感区域，各热节点位于敏感区域内，正极热电偶薄膜阵列中各正极热电偶薄膜的端部及负极热电偶薄膜阵列中各负极热电偶薄膜的端部均连接有冷端，且各冷端位于非敏感区域内。

柔性绝缘基底的材质为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯。

正极热电偶薄膜阵列的材质为氧化铟锡，负极热电偶薄膜阵列的材质为氧化铟。

正极热电偶薄膜阵列中各正极热电偶薄膜的宽度及负极热电偶薄膜阵列中各负极热电偶薄膜的宽度均为1mm，敏感区域的边长为12mm，热节点的数目为16个，柔性绝缘基底的边长为35mm。

在制备时，正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列通过金属掩膜板的物理遮挡或者光刻掩膜进行图形化。

正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列均通过磁控溅射法在室温条件下沉积于柔性绝缘基底上，其中，溅射的功率为100-200w，氩气流量为30sccm，真空度为3×10^-6torr，柔性绝缘基底的温度为室温。

在沉积正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列之前，先通过氩气离子轰击柔性绝缘基底的表面，然后将正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列依次沉积于柔性绝缘基底的表面。

正极热电偶薄膜阵列的形状、负极热电偶薄膜阵列的形状、敏感区域的形状和热节点的数目及位置均根据待测物体的测量要求进行确定。

冷端通过补偿导线与外部设备相连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器包括柔性绝缘基底以及依次沉积于柔性绝缘基底表面的正极热电偶薄膜阵列及负极热电偶薄膜阵列，正极热电偶薄膜阵列与负极热电偶薄膜阵列的重叠区域组成热节点，其中，本发明采用柔性绝缘基底作为基底进行薄膜阵列的沉积，满足传感器的全柔性要求，在实际操作时，可以将该传感器贴合于待测位置，满足各种形状待测位置的测量，另外，通过多个热节点实现多个待测位置的一次性测量，以实现待测物体的高空间分辨率测量，另外，该传感器基于热电偶原理进行测温，无需外部供能、无需桥式处理电路，测量简单、方便，成本低。

进一步，正极热电偶薄膜阵列的材质为氧化铟锡，负极热电偶薄膜阵列的材质为氧化铟，二者均为陶瓷类热电材料且比金属类热电材料的seebeck系数高，以此能够输出增强信号。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明标定时的示意图。

其中，1为柔性绝缘基底、2为正极热电偶薄膜阵列、3为负极热电偶薄膜阵列、4为热节点、5为敏感区域、6为冷端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器包括柔性绝缘基底1以及依次沉积于柔性绝缘基底1表面的正极热电偶薄膜阵列2及负极热电偶薄膜阵列3，其中，正极热电偶薄膜阵列2与负极热电偶薄膜阵列3之间存在多个重叠区域，正极热电偶薄膜阵列2与负极热电偶薄膜阵列3的重叠区域组成热节点4，柔性绝缘基底1的表面分为敏感区域5及非敏感区域，各热节点4位于敏感区域5内，正极热电偶薄膜阵列2中各正极热电偶薄膜的端部及负极热电偶薄膜阵列3中各负极热电偶薄膜的端部均连接有冷端6，且各冷端6位于非敏感区域内。

柔性绝缘基底1的材质为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯；正极热电偶薄膜阵列2的材质为氧化铟锡，负极热电偶薄膜阵列3的材质为氧化铟。

正极热电偶薄膜阵列2中各正极热电偶薄膜的宽度及负极热电偶薄膜阵列3中各负极热电偶薄膜的宽度均为1mm，敏感区域5的边长为12mm，热节点4的数目为16个，柔性绝缘基底1的边长为35mm。

在制备时，正极热电偶薄膜阵列2与负极热电偶薄膜阵列3通过金属掩膜板的物理遮挡或者光刻掩膜进行图形化；正极热电偶薄膜阵列2与负极热电偶薄膜阵列3均通过磁控溅射法在室温条件下沉积于柔性绝缘基底1上，其中，溅射的功率为100-200w，氩气流量为30sccm，真空度为3×10^-6torr，柔性绝缘基底1的温度为室温。

其中，需要说明的是，在沉积正极热电偶薄膜阵列2与负极热电偶薄膜阵列3之前，先通过氩气离子轰击柔性绝缘基底1的表面，然后将正极热电偶薄膜阵列2与负极热电偶薄膜阵列3依次沉积于柔性绝缘基底1的表面。

在实际操作时，正极热电偶薄膜阵列2的形状、负极热电偶薄膜阵列3的形状、敏感区域5的形状和热节点4的数目及位置均根据待测物体的测量要求进行确定。

本发明基于热电偶原理，将传感器中热电偶的热端局域置于温度较高的待测温度场中，使传感器的热端与冷端6之间产生一定的温度梯度；由于seebeck效应的存在，而使得热电偶的正负极与冷端6之间产生温差电势，通过对该传感器进行静态标定，得出温度电势曲线，进而得出热端温度与冷端6输出电势的关系，反之，通过测量冷端6的电势即可得到其热端的温度，从而实现对温度的监测。

薄膜热电偶的图形化是在溅射过程中利用厚度为1mm的不锈钢掩膜板遮挡而形成，掩膜板有正、负两块，并通过对准标记来保证图形的准确度。在溅射前，先用氩气离子轰击柔性基底，以增强热电偶薄膜与柔性绝缘基底1的粘附力。氧化铟锡和氧化铟薄膜采用相同的溅射参数，溅射功率为100-200w，氩气流量为30sccm，真空度为3×10^-6torr，溅射时间为1h。

为研究本发明的性能，对本发明所述传感器进行静态标定。首先，用导电银浆将冷端6与补偿导线连接，以方便接入测试系统，如图2所示，将本发明放置在温控箱内以保证冷端6温度处于恒定的室温环境中，通过调节直流电压源的电压来逐渐使小型加热板升温，从而对敏感区域5加温，用标准k型热电偶指示加热板的温度，用数字电压表读出薄膜热电偶的输出电压。

本实例只详细介绍了一种具有高空间分辨率的柔性薄膜热电偶温度传感器，但本实施例并不是限定本发明专利的保护范围，熟悉本领域的技术人员，若依据本发明的技术进行简单的结构改变或者工艺变化等改造均应属于本发明专利的保护范围内。