一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器及测温方法

本发明涉及温度传感器，特别是涉及一种高灵敏度负温度系数柔性传感器及测温方法。

背景技术：

精确的测量人体的温度有利于监测人体的健康状况，随着温度传感器技术的发展，从最初的水银温度计，到现在的红外非接触式传感器，各种各样的温度传感器的测量精度，响应速度相对较慢的问题也日益突出，因此开发一种精确高响应速度快的温度传感器成为急需的任务。

灵敏度和精确度是传感器的两项很重要的技术指标，现有的传感器主要分为水银温度计，红外非接触式的传感器，但是这两种类型的温度的灵敏度和精确度都有一定的问题，电阻式温度传感器应运而生，但是现有的电阻式温度传感器存在电阻对温度变化小，灵敏度低，以及易受到电路电阻发热和自身电阻发热的影响，会降低温度测定的精确。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的之一是提供一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器，测量精度高，器件形状可控；本发明的目的之二是提供一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器的测温方法。

技术方案：本发明的一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器，包括柔性基底，柔性基底上固定有氧化锌(zno)材料，氧化锌材料上设有电极，电极与电源相连。

进一步地，该柔性传感器还包括信号接收系统和信号处理系统，电极与电源通过导线连接、信号处理系统位于电源和电极之间通过导线连接，信号接收系统与信号处理系统通过无线传输连接。信号接收系统通过无线发射装置将电流信号传输至信号处理系统，信号处理系统通过内部单片机程序将电流信号转化为可视化的温度信号。

优选地，信号处理系统内置单片机，通过设定的电流与温度的标准曲线，信号处理系统通过内部单片机程序将电流信号转化为可视化的温度信号，即：将测试电流转化为实时温度。

优选地，所述氧化锌材料的氧空位浓度为15％～90％。进一步地，为了提高传感器的灵敏度和精度，所述氧化锌材料的氧空位浓度为15％～30％或70％～90％。而氧化锌材料的氧空位浓度可以通过在氧化锌材料的合成过程中控制氧气的通入量和控制反应时间控制，可通过现有技术轻易实现。其中，氧化锌材料为薄膜、纳米线、微米线或块体等。

优选地，电极沿氧化锌材料的长度方向等间距设置；电极的材料为铟、氧化铟锡、ni/au合金或ti/au合金。

其中，所述柔性基底为无机柔性材料(如云母)或有机柔性材料(如聚乙烯、聚丙烯或者聚丙烯酸酯塑料)。

本发明还提供了一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器的测温方法，包括如下步骤：

(1)将氧化锌材料转移至清洗的柔性基底上固定，在氧化锌材料上设置等间距的电极，电极与电源相连，形成温度传感器器件；柔性基底的清洗可采用酒精、去离子水处理。

(2)将器件在标准温度下测试得到标准电流曲线，并将电流与温度的曲线输入信号处理系统中；

(3)将温度传感器件安装于待测部位，测试器件的电流；将测试得到的电流传输至信号处理系统转化为实时温度值。其中，待测部位如人体的腕部；可通过加装显示屏实现转化为可视化的实时温度值。

温度的变化会引起氧化锌电导率的响应，由电学测量仪器获得的电信号来确定环境温度，从而达到测量温度的目的。进一步地，通过调控氧化锌材料的氧空位浓度，改变器件的测温灵敏度。

本发明首次提出采用调控zno材料的氧空位浓度，进而调控zno材料的测量精度；因此，可采用不同形状的氧化锌材料均可制备得到高灵敏度、负温度系数的柔性温度传感器；同时采用信号传输系统和信号处理系统将电流信号转化为温度信号，可实现温度的实时监测。

有益效果：

(1)本发明构建了基于zno材料的温度传感器，具有灵敏度高，响应速度快，可即时显示等优点；本发明可同时实现大幅提高传感器的灵敏度和精确度，选用合适氧空位的zno材料可以将其测温曲线的线性拟合度从0.324到0.999，传感器的精度明显提高；

(2)本发明可用于检测低温以及体温区间，适用温度区间大，使用方便；

(3)等间距设置电极，有利于合理调控测温区间大小，可实现多区间实时测温，灵活方便；

(4)采用柔性衬底，可以更好的与人体皮肤接触，有利于精确获取人体的实时温度，采用柔性衬底和无线传输连接可以实现可穿戴器件；利用信号处理系统将接收的电流信号转化为温度信号，可及时显示。

(5)本发明利用氧化锌作为温度传感器材料，材料简便易得，器件形状可控；氧化锌材料的形貌均可适用，可选用薄膜、纳米线、微米线或块体，适用范围广。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明实施例1的温度-电流标准曲线图。

图3是本发明实施例2的温度-电流标准曲线图。

图4是本发明实施例3的温度-电流标准曲线图。

图5是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

实施例1：

如图5所示，本实施例提供了一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器，该传感器包括柔性基底、zno微米线、沿微米线长度方向等间距设置的电极，还设有电源、信号接收系统和信号处理系统。电极与电源通过导线连接，信号处理系统位于电源和电极之间并通过导线连接，信号接收系统与信号处理系统通过无线传输连接。

其中，柔性基底为聚乙烯zno微米线的直径为13.5微米，长度约为1厘米；本实施例中的电极数量为3个，间隔为3毫米。且本实施例中氧化锌微米线的氧空位浓度为20％。其中，氧空位浓度的测定可通过现有技术轻易实现，在此不再赘述。

如图1所示是本发明的流程示意图，柔性衬底上铺设上上述zno微米线，在zno微米线上制备等间距的铟电极，电极与电源以及信号接收系统通过导线连接，信号接收系统与信号处理系统通过无线传输连接；信号处理系统内置单片机，通过内置设定的电流与温度的标准曲线将测试电流转为实时温度。

本实施例的用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器的测温方法，包括如下步骤：

(1)将柔性衬底经过酒精以及去离子水洗净，将zno材料转移至洗净后的柔性衬底，在zno材料上做上等间距电极；

(2)在标准温度下测试标准电流曲线，并将电流与温度的曲线输入至信号处理中。

(3)将温度传感器件安装至人体的腕部，测试在器件在腕部的电流。

(4)将测试电流传输至信号处理系统转化为此时的温度，并将温度值显示在器件的显示屏上。

图2为实施例1温度-电流标准曲线图，温度与电流的曲线的拟合度为0.999，具有很好的准确性。

实施例2：

一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器，该传感器包括柔性基底、zno微米线、等间距的电极、电源信号接收系统和信号处理系统。其中，柔性基底为聚乙烯，本实施例中氧化锌的氧空位浓度为40％。

如图1所示是本发明的流程示意图，柔性衬底水热生长氧化锌薄膜，薄膜厚度为300nm，面积为1cm²。在zno薄膜上制备等间距的铟电极3排，电极间距为2毫米。电极与电源以及信号接收系统通过导线连接，信号接收系统与信号处理系统通过无线传输连接；信号处理系统内置单片机，通过内置设定的电流与温度的标准曲线将测试电流转为实时温度。

上述用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器的测温方法，包括如下步骤：

(1)将柔性衬底经过酒精以及去离子水洗净，将zno材料转移至洗净后的柔性衬底，在zno材料上做上等间距电极；

(2)在标准温度下测试标准电流曲线，并将电流与温度的曲线输入至信号处理中。

(3)将温度传感器件安装至人体的腕部，测试在器件在腕部的电流。

(4)将测试电流传输至信号处理系统转化为此时的温度，并显示在器件的显示屏上。

图3为实施例2温度-电流标准曲线图，温度与电流的曲线的拟合度为0.324，具有较差的准确性。

实施例3：

一种用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器，该传感器包括柔性基底、zno微米线、等间距的电极、电源信号接收系统和信号处理系统。其中，柔性基底为聚乙烯，本实施例中氧化锌纳米线的直径为500纳米，长度为13微米。制备等间距的电极2排，电极间距为4微米。本实施例中氧化锌的氧空位浓度为80％。

如图1所示是本发明的流程示意图，柔性衬底平铺氧化锌纳米线，在zno纳米线上制备等间距的铟电极，电极与电源以及信号接收系统通过导线连接，信号接收系统与信号处理系统通过无线传输连接；信号处理系统内置单片机，通过内置设定的电流与温度的标准曲线将测试电流转为实时温度。

上述用于体温区间的高灵敏度负温度系数柔性传感器的测温方法，包括如下步骤：

(1)将柔性衬底经过酒精以及去离子水洗净，将zno材料转移至洗净后的柔性衬底，在zno材料上做上等间距电极；

(2)在标准温度下测试标准电流曲线，并将电流与温度的曲线输入至信号处理中。

(3)将温度传感器件安装至人体的腕部，测试在器件在腕部的电流。

(4)将测试电流传输至信号处理系统转化为此时的温度，并显示在器件的显示屏上。

图4为实施例3温度-电流标准曲线图，温度与电流的曲线的拟合度为0.951，具有较好的准确性。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于氧化锌微米线改为氧化锌纳米线(直径为450nm，长度为10μm)和氧化锌薄膜(薄膜厚度为250nm，面积1cm²)。

在相同条件下的温度测试结果同实施例1相符。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于氧空位浓度分别为15％、25％、70％、85％、90％；在相同条件下测试，温度与电流的曲线拟合度均在0.94以上。