一种取能测温一体化可塑型温度传感器及其制备和温度传感方法

本发明属于传感，具体涉及一种取能测温一体化可塑型温度传感器及其制备和温度传感方法。

背景技术：

1、在物联网与可穿戴健康监测的应用背景下，基于环境取能的柔性热电传感器件(ftes)受到研究者们的广泛关注。相较于传统的温度传感器，自取能可塑型温度传感器件可同时实现环境取能和温度传感，是实现物联网节点无源化和可穿戴监测设备免充电的重要基础。然而，现有的器件研究主要将热电取能和温度传感作为两个独立单元，很少涉及温度测量与能量获取两种功能复合的自取能温度传感技术。传统的开路电压获取通常依赖相应的电压信号采集器连接电脑才能显示出来，涉及的设备复杂；器件本身的输出电能不能得到很好的利用，传统的采集器需依赖外部电源供电。

2、刚性器件结构在面临复杂曲面热源时存在巨大的接触热损失，导致热电器件输出功率以数量级形式降低，柔性化设计对器件普适性具有重要意义。然而受制于柔性器件功率密度有限，难以有效驱动外电路，亟需进一步设计制备高功率密度高柔性高可靠性的柔性器件。

3、此外，传统的热敏电阻型温度传感器虽具有很好的电阻单位温度变化率，但存在反应较慢和温度依赖曲线的线性度极差等问题，测温准确度依赖外部校准，并需要额外的电流源进行驱动。热电偶型传感器宏观表现有限，局限于定点监测，对于多温度节点难以同时监测，同时需要电源驱动。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种取能测温一体化可塑型温度传感器，利用改进的温差发电器件构建开路电压与温差的关系，并结合集成电路模块实现器件供能和温度感应一体化的集成应用；所述温度传感器具有温度响应快、取能密度高、测温精度高、使用寿命长等特点，在无源物联网、自供能可穿戴设备、电子皮肤等新型产业中具有很好的应用前景。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种取能测温一体化可塑型温度传感器，它包括下基板及若干个间隔设置在其表面的自取能-温度传感单元；所述自取能-温度传感单元包括自下而上依次设置的下基板电极、热电粒子、上基板电极和上基板；其中，热电粒子包括间隔、交替排布的p型热电粒子和n型热电粒子；下基板电极不同自取能-温度传感单元之间采用串联设计结构，它包括与自取能-温度传感单元尺寸相配合的块状电极及连接相邻自取能-温度传感单元的线状电极；每个自取能-温度传感单元中的p型热电粒子和n型热电粒子进行平均分组，每组p型热电粒子和n型热电粒子区域根据相应的接触尺寸将对应的上基板电极进行分离设置。

4、上述方案中，所述下基板在保留线状电极对应区域的基础上，镂空设置相邻自取能-温度传感单元之间的连接部分。

5、上述方案中，每个自取能-温度传感单元最终引出一个单独的正极端点(根据下基板串联电极及最小电阻通路，分别引出对应自取能-温度传感单元的正极端点)；多个自取能-温度传感单元可共用一个负极端点；每个单元引出电极端点实现各单元的参数采集，从而分别感知各个单元的温度变化。

6、上述方案中，所述自取能-温度传感单元的设置数量为2个以上。

7、上述方案中，所述热电粒子的上、下表面分别设置过渡层金属。

8、上述方案中，所述下基板电极中的块状电极按照p型热电粒子与n型热电粒子π串联的方式进行设计。

9、上述方案中，将自取能-温度传感单元中的p型热电粒子和n型热电粒子进行平均分组(每组4个热电粒子以上)，每组p型热电粒子和n型热电粒子区域对应的上基板按照相配合的尺寸进行单独、分离设置(不同组之间的上基板不相连；可按照每组电极分布进行切割实现)，以实现三维柔性。

10、上述方案中，所述热电粒子采用的高性能热电材料包括但不限于bi2te3基化合物、ag2s基化合物、ag2se基化合物、ag2te基化合物、snse基化合物、mgagsb基化合物及mg3sb2基化合物、铜gete基化合物、pbte基化合物、硫族化合物、方钴矿化合物、pedot:pss复合物、pani复合物、sige化合物和/或half-heusler化合物等。

11、进一步地，所述p型热电粒子采用p型bi2te3基化合物、cu2se或sige合金等，其化学计量式为bixsb2-xte3，其中x取值0.2～0.6。

12、进一步地，所述n热电粒子采用n型bi2te3基化合物、ag2se或half-heusler合金等，其中，n型bi2te3基化合物的化学计量式为bi2te3-ysey，其中0<y<1。

13、上述方案中，所述上基板和下基板分别采用柔性薄膜材料，具体采用聚酰亚胺薄膜基底，其形变自由度高，弯折能力强，且高导热、电绝缘的性质。

14、上述方案中，所述上基板电极、下基板电极可选用cu、ag、pt、cu基合金、ag基合金电极等；所述金属过渡层可选用ni金属或ni基合金等。

15、进一步地，所述可塑型温度传感器中进一步设置热沉材料，热沉材料设置在上基板表面以增加冷端散热，提高输出功率。

16、上述方案中，所述热沉材料可选用p(vdf-hfp)hp热沉材料等。

17、上述一种取能测温一体化可塑型温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

18、1)按照热电粒子分布要求以及p型热电粒子与n型热电粒子的π串联设计要求，在下基板的上表面刻蚀下基板电极，其中下基板电极包括与自取能-温度传感单元尺寸相配合的块状电极及连接相邻自取能-温度传感单元的线状电极

19、按照热电粒子的分组要求以及每组热电粒子的分布规律，将上基板电极刻蚀在每组上基板的下表面；

20、2)在热电粒子的上、下表面分别进行金属化表面处理(设置过渡层金属)；然后将其按设计的排布要求焊接至对应的下基板电极和下基板电极之间；

21、3)切割各自取能-温度传感单元之间的下基板薄膜，保留与下基板电极对应的部分；根据上基板电极分布情况切割上基板，实现相邻上基板的分离设置，即得所述取能测温一体化可塑型温度传感器。

22、上述方案中，所述刻蚀步骤采用激光刻蚀手段。

23、上述方案中，焊接步骤采用的焊接材料可选用snagcu或ausn等。

24、将上述方案所述取能测温一体化可塑型温度传感器应用于进行传感测温，具体包括如下步骤：

25、1)将自取能测温一体化可塑型温度传感器置于温控平台，连接mcu板，测试adc数值，将其输入移动端(手机或电脑等)；

26、2)根据不同设定温度条件下所得adc数值，建立温度参数与adc数值之间的标准曲线；将所得标准曲线输入移动端中构建温度转化程序；

27、3)根据所得温度转化程序及测得的adc数值，实现未知环境温度的测量。

28、上述方案中，所述mcu板包括：升压稳压的能量管理模块ltc3108、储能钽电容及蓝牙模块nrf52832(将adc信息传输至移动端)。

29、上述方案中，所述传感器件中每个自取能-温度传感单元单独引入的正极端点与mcu板对应的端口连接。

30、上述方案中，所述器件seebeck电压-温差曲线标定采用实测数据进行曲线标定并线性拟合，将拟合的直线编译成代码并以软件形式输出，从而在终端app(温度转化程序)中接收并显示实时seebeck电压以及拟合得到的实时热源温度数值，从而达到温度感知的作用。

31、根据上述方案制备的自取能可塑型温度传感器，具有很好的性能输出以及温度感知，其中特殊的电极设计保证了多区域测温及高效的电能输出，并展示了高度的三维柔性；温度感知主要利用热电器件的seebeck电压与温差的依赖关系来实现对热源温度的感知。所得温度传感器的温度响应快：在传感器双面接触热源的情况下响应快，响应速率约为2s，单面接触热源约为5～12s；取能密度高：归一化功率密度达5.26μw/(cm2*k2)测温精度达90％以上；热电基材料高低温温度依赖性好，测温范围广。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、1)器件的串联式基板和电极结构设计实现多区域测温。

34、2)下基板类表带式串联、上基板分离策略、器件微型化保证了高柔性、高功率密度、高可靠性，可有效贴合三维曲率热源。

35、3)seebeck电压-温差曲线标定并实现温度精准传感达到商用温度传感器的使用标准。

36、4)本发明所述自取能可塑型温度传感器具有温度响应快、取能密度高、测温精度高、测温范围广、使用寿命长等特点，在无源物联网、自供能可穿戴设备、电子皮肤等新型产业有很好的应用前景。