一种温度的探测装置的制作方法

1.本发明涉及温度探测技术领域，特别是涉及一种温度探测装置。


背景技术：

2.温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、热力学、飞行力学、流体力学等学科都离不开温度，它也是工业生产中最普遍最重要的参数之一。许多化学反应离开合适的温度就不能正常进行甚至不能进行。没有合适的温度炉窑就不能炼制出合格的产品。在藏品保存方面，影响藏品保存的各种环境因素中，最基本并经常起作用的因素是空气的温度和湿度。温度对于文物的影响主要体现在环境温差较大时的热胀冷缩。当温度与环境中的湿度、光、氧、虫、霉等环境因素共同作用时，对文物的损坏往往起到加速和催化的作用。在一定温度值内，温度每升高10度，反应速度加快1-3倍。同样湿度过高过低，也会对有机质文物造成严重损坏。所以，适宜的温湿度、洁净的环境是文物保护的必要条件。但是现有的温度探测器大多是基于热敏电阻的，电信号的使用会对某些藏品造成额外的安全隐患。另外现有的温度探测装置一般结构复杂，成本高，测量精度也往往不尽人意。


技术实现要素：

3.为了克服现有的探测器在文物保存方面存在的安全隐患以及探测的精度不高等问题，本发明提供了一种温度的探测装置，避免了特殊环境下使用误差较大、探测精度低的问题。
4.本发明的目的通过以下的技术方案实现：
5.一种温度的探测装置，所述温度的探测装置包括底电极层、半导体材料层、金属单元、热膨胀材料块、金属块；半导体材料层设置在底电极层上；金属单元呈周期性阵列排布设置在半导体材料层上，金属单元中设置有缺口；热膨胀材料块设置在缺口的底部；金属块设置在热膨胀材料块上；金属单元为顶电极与底电极通过外电路连接。
6.可选的，热膨胀材料块在缺口两侧的热膨胀系数相同。
7.可选的，还包括石墨烯层，石墨烯层设置在金属单元上。
8.可选的，石墨烯层还设置在热膨胀材料块和金属块之间。
9.可选的，半导体材料层的厚度为50-100nm。
10.可选的，底电极层、金属单元以及金属块均为贵金属材料。
11.可选的，半导体层的材料为二氧化钛、氧化锌、氧化铝中的任意一种。
12.可选的，热膨胀材料块的材料为乙烯-乙酸乙烯酯聚合物。
13.可选的，缺口的形状为上端开口大、下端开口小。
14.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
15.1.热膨胀材料块由于温度改变发生热膨胀，具体地，由于缺口侧壁的限制，热膨胀材料块主要在竖直方向上发生膨胀，改变了金属块与缺口侧壁之间的距离，使得金属块和金属单元之间的距离发生改变，距离的改变影响表面等离激元共振，进而影响热电子产生
的数量，通过测量外电路中电流的值实现温度探测。
16.2.基于表面等离激元的探测，微小的膨胀对金属块和金属单元之间的耦合影响大，耦合的改变大从而热电子的数量改变也大，实现高灵敏度温度探测。
17.3.在温度低、热膨胀材料块膨胀量小的时候，金属单元和金属块接触，金属块上的热电子可以转移到金属单元上，此时电流大，方便探测；当温度升高时，热膨胀材料块膨胀的量增加，金属单元和金属块分离，金属块上的热电子不能转移到金属单元上，所探测的电流急剧减小。因此，超过一定的温度时，探测的电流变化量较大。方便对某个临界温度的判断，有利于在生活中应用。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为实施例1温度的探测装置的截面图；
20.图2为实施例2温度的探测装置的截面图；
21.图3为实施例3温度的探测装置的截面图；
22.符号说明：
23.1-底电极层，2-半导体材料层，3-金属单元，4-热膨胀材料块，5-金属块， 7-石墨烯层。
具体实施方式
24.本发明的目的是提供一种温度的探测装置，使得温度的探测精度更高并且该探测器可以用在特殊的环境中，如博物馆。
25.使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
26.实施例1
27.如图1所示，一种温度的探测装置，所述温度的探测装置包括底电极层1、半导体材料层2、金属单元3、热膨胀材料块4、金属块5；半导体材料层2 设置在底电极层1上；金属单元3呈周期性阵列排布设置在半导体材料层2 上，金属单元3上设置有缺口。这种排布相当于在金属膜上设有周期性排布的缺口。热膨胀材料块4设置在缺口的底部；金属块5设置在热膨胀材料块4 上；金属单元3为顶电极与底电极1通过外电路连接。
28.热膨胀材料块4的材料为乙烯-乙酸乙烯酯聚合物，这种聚合物的热膨胀系数大，有助于实现高灵敏温度探测。
29.本装置的原理如下：
30.在本发明中，光激发金属单元3，金属单元3产生表面等离激元共振，增强光吸收，金属单元3吸收光产生热电子，热电子穿过金属单元3与半导体材料层2界面处的肖特基势垒，转移到半导体材料层2中，进而在底电极层1 层被收集形成光电流。当待测温度升高时，
热膨胀材料块4发生膨胀，具体地，由于缺口侧壁的限制，热膨胀材料块4主要在竖直方向上发生膨胀，改变了金属块5与缺口侧壁之间的距离，导致金属单元3和金属块5之间的距离被改变，金属单元3和金属块5之间的耦合发生改变，形成的表面等离激元共振的模式也发生改变，从而影响光吸收，进而影响热电子产生的数量。温度越高，金属单元3和金属块5之间的距离越大，耦合越弱，产生的热电子就减少。因此，不同温度下，热电子形成的数量不同，通过探测外电路的电流即可探测温度。
31.热膨胀材料块4的膨胀除了改变金属块5和金属单元3的耦合外，在温度低、热膨胀材料块4膨胀量小的时候，金属单元3和金属块5接触，金属块5 上的热电子可以转移到金属单元3上，此时，电流大、方便探测；在温度高、热膨胀材料块4膨胀量大的时候，金属单元3和金属块5分离，金属块5上的热电子不能转移到金属单元3上，探测的电流较小。这样一来，超过一定的温度时探测的电流变化量非常大。方便对某个临界温度的判断，更有利于在生活中应用
32.所述金属单元3上设置有缺口，该缺口的形状为上端开口大、下端开口小，这样的样的缺口有利于光局域在金属单元3的缺口内。光局域在金属单元3 的缺口内增强了金属单元3对光的吸收，产生的热电子数量多；当温度变化时，穿过肖特基势垒的电子数目变化也多，使得温度探测的灵敏度增高。
33.金属单元3、金属块5、底电极层层1为贵金属材料，在光照下贵金属材料可以产生表面等离激元共振，增强了光吸收，能够产生更多的热电子，有助于提高温度探测的灵敏度。贵金属材料优选的为金、银。
34.实施例2
35.在实施例1的基础上，本发明与实施例1的区别仅在于，如图2所示，膨胀材料块4在缺口两侧的热膨胀系数不相同。热膨胀材料块4热膨胀的系数不同，在温度升高时，热膨胀材料的膨胀量不同，金属块5会形成倾斜，金属块 5的两端与金属单元3的耦合不同，导致不同的表面等离激元杂化或共振，增强对光的吸收，使得结构产生的热电子增多，提高探测灵敏度。
36.半导体材料层2的厚度为50-100nm，这样可以减少热电子在半导体层中传输的距离，减少热电子在传输过程中的损耗，有助于提高温度探测的灵敏度。
37.实施例3
38.在实施例1的基础上，本发明与实施例1的区别仅在于，还包括石墨烯层 7，石墨烯层7设置在金属单元上。在光照下，石墨烯层7在金属单元3上，增强金属单元3对光的吸收，并且石墨烯也产生表面等离激元共振，石墨烯上的等离激元共振和金属上的等离激元共振相互杂化，形成更强的共振。更强的共振导致更多的光吸收，更多的光吸收产生更多的热电子。当温度变化时，穿过肖特基势垒的热电子的数量改变更多，顶电极和底电极之间的电流改变更大。温度的变化量和外电路探测的电流变化量相关联，电流改变越大，探测的灵敏度就越高，因此，本实施例能够实现对温度的高灵敏度探测。
39.实施例4
40.在实施例3的基础上，本发明与实施例3的区别仅在于，如图3所示，石墨烯层7还设置在热膨胀材料块4和金属块5之间。一方面，石墨烯具有良好的导热性，当热膨胀材料块4吸收热量后，在热膨胀材料块4和金属块5界面相接触的部分温度较高，温度的升高，导致热
载流子(热电子)在扩散的过程中和金属结构内部的声子的相互作用增加，声子辅助热载流子的形成的数量增加，进一步提高探测灵敏度。另一方面，石墨烯层7是良好的导体，设置在金属块5的下面，可以将金属块5上产生的热电子转移到金属单元3上，导致可以到达底电极层的热电子数量增多。顶电极和底电极所接的外电路的电流增大，方便探测，也有利于实现高灵敏的温度探测。
41.在本实施例中，第金属单元3、金属块5的表面为粗糙表面。一方面，增强和光的作用面积，另一方面形成小的凹槽，在小的范围内形成光的局域，使得凹槽中的局域电磁场增强。增强整体结构的热电子的激发，进一步提高探测灵敏度。
42.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。