一种热感生电压材料及其应用的制作方法

本发明涉及一种热感生电压材料及其应用，属于横向热电材料及器件
技术领域：
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背景技术：
：目前，接触式的热场和热流传感器主要分为热电阻型、热电型、热阻型三大类。热电阻型传感器是基于金属或半导体的电阻和温度的一一对应关系，通过测量金属或半导体探测元件的电阻来判断温度，这类探测器需要电源驱动，在恒定电流或恒定电压下获得电阻值而判断温度，响应速度慢，最快ms量级。热阻型是基于热流通过传感器时，在传感器的热阻层上产生温度梯度，根据傅里叶定律得到通过传感器的热流密度，需要一对热电偶来测量热阻层的温差，温差的数值与热电偶产生的电动势数值成正比，测出温差热电势即反映出热流密度；为了加大传感器的输出信号，将众多热电偶串联形成热电堆，这样测量的热阻层两边的温度信号是串联的所有热电偶信号的逐个叠加，反映出多个信号的平均特性，响应时间s～ms量级；热电型热流传感器，主要有线绕式、半导体式、超薄式(gardon计)，是由热场或热流体扫过或冲击热电材料元件(热阻层)加热，带来温度梯度而产生的热电势来标定温度或热流密度，不需要电源驱动，但需要水冷等制冷部件，热电势与温度梯度方向相同；通常，为了获得大的输出信号需要将众多热电偶串联起来形成热电堆，体积增大，信号大，能反映多个信号的平均特性，响应时间在0.1s～20ms量级；而实际上，在温度梯度方向上的有限空间里设计冷端、热端、电极并带制冷部件，器件复杂，难以制备成阵列。上述三类传感器都比较复杂，探测元件维度大，热阻大，对热场有一定破坏，即使最薄的薄膜型0.5mm，也会带来测量偏差，响应速度慢，难以制造成阵列，难以捕捉真实的热场，特别是动态瞬时热信号。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种高响应率和快响应速度的热感生电压材料，其电压信号响应率达到0.35mv/w/cm2，响应时间达到100us以内；具体方案为：选择yba2cu3o7-δ薄膜作为热感生电压材料，其中0<δ<0.5。优选的，本发明所述yba2cu3o7-δ薄膜的制备方法为：利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5°～20°的srtio3或laalo3单晶衬底上生长厚度为50～300nm的yba2cu3o7-δ(0<δ<0.5)薄膜。本发明所述热感生电压材料用于制备热流探测元件的方法，具体为：在薄膜面内的倾斜方向上制备两个电极，两个电极之间相隔一定距离，电极两端接出引线到同轴电缆，接到高频示波器上；当连续或脉冲热源辐射传导到薄膜表面，或热流体扫过薄膜表面，两电极之间能测到该电压信号；在薄膜表面的倾斜方向上获得响应时间小于100ns，电压信号mv量级，由高频示波器或万用表采集到该电压信号。优选的，两个电极之间的距离大于2mm。本发明所述热流探测元件在氙灯或高压汞灯照射下的电压信号响应率达到0.35mv/w/cm2以上，响应时间达到100us以内，太阳光照射下具有相当的响应率，在黑体、电吹风的热源下响应率略低；室温下工作，器件简单，工作流程简便，工作动态范围宽，节约能源；主要基于横向热电效应，电压信号是由温差引起，不需要建立热平衡，没有时间项，抗干扰能力强，且薄膜元件热容量小，基本不破坏热场，能够真实探测瞬态热场或热流，且测量动态范围大；温度梯度和热电势方向垂直，探测元件的维度和方向可以独立调制，易于设计成阵列。本发明的原理：层状结构yba2cu3o7-δ具有明显的结构和输运性质的各向异性，如热电势，电导率、磁通钉扎等，通过δ在0-0.5范围内改变，调制yba2cu3o7-δ的电阻率和相结构，来调制信号响应率和响应速度，也可以通过调制薄膜倾斜角和厚度来调整信号响应率和响应速度；利用脉冲激光沉积技术在倾斜的srtio3单晶衬底上生长外延薄膜，基于原子层热电堆材料晶体薄膜的横向热电效应，热源辐射薄膜表面，会在厚度方向产生温度梯度，由于热电输运张量的各向异性，在薄膜面内的倾斜方向上产生一个mv量级的电压信号。热感生电压公式可以表示为：在(1)式中v为薄膜在衬底倾斜方向上的感生电压；l为薄膜接受热(光)辐射的沿倾斜方向上的有效长度，d为薄膜厚度；δs＝(sab-sc)，sab、sc分别为ab面和c轴的seebeck系数；δt为沿薄膜厚度的温度差；θ为单晶衬底法向与(001)轴之间的夹角，即倾斜角。本发明的有益效果：利用层状结构的yba2cu3o7-δ薄膜制备热场或热流探测元件，其优点是不需要任何电源驱动，不需要制冷和信号放大，器件简单，节约能源，工作流程简略；薄膜厚度在nm级别，热容量和热阻微小，不需要建立热平衡，对热场的影响甚微，能反映真实的热场和瞬态变化，具有快响应速度(us量级)和较高的电压信号响应率，信号的重复性和线性关系很好；由于温度梯度和薄膜表面的热电势电压方向垂直，膜表面的有效长度易于调制和制作电极引线，探测元件的维度和方向可以独立调制，易于设计成阵列，在器件设计和应用上有很大突破和优势。附图说明图1是热辐射感生电压测量原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。实施例1在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中δ＝0.01作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5°的srtio3单晶衬底上生长厚度为200nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.23mv，信号响应率为0.15mv/w/cm2。实施例2在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中δ＝0.07作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为10°的srtio3单晶衬底上生长厚度为200nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.28mv，信号响应率为0.20mv/w/cm2。实施例3在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中δ＝0.01作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5°的laalo3单晶衬底上生长厚度为250nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.144mv，信号响应率为0.18mv/w/cm2。实施例4在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中δ＝0.07作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为10°的laalo3单晶衬底上生长厚度为250nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.55mv，信号响应率为0.37mv/w/cm2。实施例5在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中δ＝0.2作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为15°的srtio3单晶衬底上生长厚度为250nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.51mv，信号响应率为0.35mv/w/cm2。实施例6在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中8＝0.2作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为20°的srtio3单晶衬底上生长厚度为200nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.47mv，信号响应率为0.31mv/w/cm2。实施例7在图1中选取yba2cu3o7-δ薄膜，其中δ＝0.45作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为15°的laalo3单晶衬底上生长厚度为250nm的yba2cu3o7-δ薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图1连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号0.38mv，信号响应率为0.25mv/w/cm2。实施例0＜8＜0.5倾斜角厚度氙灯响应率1yba2cu3o7-δ，δ＝0.015°200nm0.15mv/w/cm22yba2cu3o7-δ，δ＝0.0710°200nm0.20mv/w/cm23yba2cu3o7-δ，δ＝0.015°250nm0.18mv/w/cm24yba2cu3o7-6，δ＝0.0710°250nm0.37mv/w/cm25yba2cu3o7-δ，8＝0.215°250nm0.35mv/w/cm26yba2cu3o7-δ，8＝0.220°200nm0.31mv/w/cm27yba2cu3o7-δ，δ＝0.4515°250nm0.25mv/w/cm2当前第1页12