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CN116222812A - 基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents

基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法 Download PDF

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CN116222812A CN202211455467.6A CN202211455467A CN116222812A CN 116222812 A CN116222812 A CN 116222812A CN 202211455467 A CN202211455467 A CN 202211455467A CN 116222812 A CN116222812 A CN 116222812A
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刘玉
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Abstract

本发明涉及一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，包括：复合薄膜衬底，其被配置能够快速将热量传递到温度敏感单元；以及温度敏感单元，其布置在所述复合薄膜衬底之上。本发明还涉及一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法。该柔性温度传感器中的复合薄膜衬底是掺有石墨、AlN、SiC或金刚石等高导热填料的复合聚酰亚胺薄膜，具有良好的导热性，能够加速将热量传递到温度敏感单元，缩短了导热时间，进而提高了温度传感器的响应速度，降低了动态误差。

Description

基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及温度传感器技术领域，尤其涉及基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
如今，大型飞机、轮船的结构越来越复杂，需要精确监测的零件也逐渐增加，其中轴承由于摩擦频繁，需要进行快速、精确的监测来避免温度过高而造成危险。由于轴承表面主要为非平面，因此需要弯曲性好、响应速度快的温度传感器对复杂环境下的温度参数进行测量。但是一般温度传感器中的柔性聚合物薄膜衬底的导热能力较差，温度从衬底底部传至顶部的温度敏感单元的过程需要耗费的时间较长，导致温度传感器动态特性差，响应速度慢，其动态误差较大。
发明内容
为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提供基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法，该柔性温度传感器中的复合薄膜衬底具有良好的导热性，能够加速将热量传递到温度敏感单元，缩短了导热时间，进而提高了温度传感器的响应速度，降低了动态误差，而且该柔性温度传感器的柔性结构设计，可以贴合适应非平面表面结构，实现高精度快速的温度测量。
在本发明的第一方面，针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，包括：
复合薄膜衬底，其被配置能够快速将热量传递到温度敏感单元；以及
温度敏感单元，其布置在所述复合薄膜衬底之上。
在本发明的一个实施例中，还包括保护层，其覆盖所述温度敏感单元。
在本发明的一个实施例中，所述复合薄膜衬底由热导率大于0.310W m-1K-1的填料与聚酰亚胺混合制成的复合薄膜构成。
在本发明的一个实施例中，热导率大于0.310W m-1K-1的填料包括石墨、AlN、SiC或金刚石中的一种或多种，其中：
所述石墨作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-3％，AlN、SiC或金刚石作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-15％。
在本发明的一个实施例中，所述温度敏感单元包括过渡层和电阻丝；和/或
所述复合薄膜衬底的厚度为5-50μm；和/或
所述温度敏感单元的厚度为100-300nm，电阻为100-2000Ω。
在本发明的一个实施例中，所述电阻丝的线宽为50-200μm，折线个数在2条到20条之间；和/或
所述电阻丝的形状包括狗骨型、螺旋型、折叠型或迷宫型；和/或
所述电阻丝包括敏感栅和引脚，其中引脚作为电极；和/或
过渡层/电阻丝的组合包括Pt/Au、Cr/Pt、Cr/Au、Ti/Pt或Ti/Au。
在本发明的第二方面，针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法，包括：
在复合薄膜衬底的表面涂覆光刻胶，之后采用光刻技术对光刻胶进行曝光，形成预定的温度敏感单元图形，其中所述复合薄膜衬底由热导率大于0.310W m-1K-1的填料与聚酰亚胺混合制成的复合薄膜构成；
在温度敏感单元图形中沉积感温材料形成包括过渡层和电阻丝的温度敏感单元；以及
通过剥离工艺去除光刻胶，并在温度敏感单元上涂覆保护层。
在本发明的一个实施例中，还包括制备复合薄膜衬底：
将填料与聚酰胺酸溶液混合球磨，然后抽真空去除气泡得到复合材料溶液；以及
将复合材料溶液均匀倒在玻璃片上，并进行匀胶，然后加热固化得到复合薄膜衬底。
在本发明的一个实施例中，所述过渡层/电阻丝的组合包括Pt/Au、Cr/Pt、Cr/Au、Ti/Pt或Ti/Au；和/或
所述温度敏感单元图形包括折叠形状、螺旋形状、迷宫形状或狗骨形状；和/或
所述温度敏感单元的厚度为100-300nm，电阻为100-2000Ω。
在本发明的一个实施例中，所述复合薄膜衬底的厚度为5-50μm；和/或
热导率大于0.310W m-1K-1的填料包括石墨、AlN、SiC或金刚石中的一种或多种，其中：
所述石墨作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-3％，AlN、SiC或金刚石作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-15％。
本发明至少具有下列有益效果：本发明公开的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法，该柔性温度传感器中的复合薄膜衬底是掺有石墨、AlN、SiC或金刚石等高导热填料的复合聚酰亚胺薄膜，具有良好的导热性，能够加速将热量传递到温度敏感单元，缩短了导热时间，进而提高了温度传感器的响应速度，降低了动态误差；而且该柔性温度传感器的柔性结构设计，可以贴合适应非平面表面结构，实现高精度快速的温度测量。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的拆分示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的温度敏感单元中的电阻丝的形状；以及
图4示出了根据本发明一个实施例的贴装在曲面结构的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性。
另外，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的示意图。图2示出了根据本发明一个实施例的一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的拆分示意图。
如图1和图2所示，一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器100包括复合薄膜衬底101、温度敏感单元102和保护层103。其中温度敏感单元102包括过渡层1021和电阻丝1022。温度敏感单元102布置在复合薄膜衬底101之上，保护层103覆盖温度敏感单元102。复合薄膜衬底101被配置能够快速将热量传递到温度敏感单元102。
在本发明的一个实施例中，复合薄膜衬底101的厚度为5-50μm。复合薄膜衬底101可由石墨(Graphite,GR)、AlN、SiC或金刚石等一种或多种热导率大于0.310W m-1K-1的填料分别与聚酰亚胺混合制成的复合薄膜构成，其中石墨作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-3％，AlN、SiC或金刚石作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-15％。
在本发明的一个实施例中，温度敏感单元102的厚度为100-300nm，电阻为100-2000Ω。在本发明的一个实施例中，电阻丝1022的线宽为50-200μm，折线个数为2条到20条不等。
温度敏感单元102可以为铂热电阻，也可以是金、铜或者镍等金属制成的热电阻。过渡层/电阻丝的组合包括但不限于Pt/Au、Cr/Pt、Cr/Au、Ti/Pt、Ti/Au等。温度敏感单元102通过材料的电阻对温度的依赖特性来确定温度，给电阻丝两端加一恒定微电流，当电阻丝所处环境温度改变时，测量电阻丝两端电压的变化从而得到电阻的值，就可以获得相对应的周围环境的温度。
本领域的技术人员应该理解，上述实施例中所选用的复合薄膜衬底和温度敏感单元的材料及尺寸仅仅是示例性的，而非限制性的，因此可以根据实际的需求选择复合薄膜衬底和温度敏感单元的材料及尺寸。
温度敏感单元102可以通过在复合薄膜衬底101上沉积一层薄薄的感温材料而得到的，沉积方法包括蒸发、溅射、离子镀膜、喷墨打印和丝网印刷等。
图3示出了根据本发明一个实施例的温度敏感单元中的电阻丝的形状。
如图3所示，温度敏感单元中的电阻丝的形状可以是狗骨型(a)、螺旋型(b)、折叠型(c)或迷宫型(d)。电阻丝包括敏感栅301和引脚302，其中引脚302作为电极。引脚302的横截面积一般比敏感栅301大得多，因此其电阻与敏感栅301的电阻相比小得可以忽略不计，从而作为电极部分。
本领域的技术人员应该理解，上述实施例中电阻丝的形状仅仅是示例性的，而非限制性的，因此可以根据实际的需求选择电阻丝的形状。
一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法包括：
步骤1，在复合薄膜衬底的表面涂覆光刻胶，之后采用光刻技术对光刻胶进行曝光，形成预定的温度敏感单元图形。在本发明的一个实施例中，复合薄膜衬底的厚度为5-50μm。复合薄膜衬底由热导率大于0.310W m-1K-1的填料与聚酰亚胺混合制成的复合薄膜构成。热导率大于0.310W m-1K-1的填料包括、AlN、SiC或金刚石，可以选择其中的一种或多种作为填料，其中石墨作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-3％，AlN、SiC或金刚石作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-15％。
温度敏感单元图形包括但不限于折叠形状、螺旋形状、迷宫形状或狗骨形状等。在本发明的一个实施例中，复合薄膜衬底101的厚度为5-50μm。
步骤2，在温度敏感单元图形中沉积感温材料形成包括过渡层和电阻丝的温度敏感单元。首先在温度敏感单元图形中沉积第一感温材料形成过渡层，然后再沉积第二感温材料形成电阻丝。在本发明的一个实施例中，过渡层/电阻丝的组合包括但不限于Pt/Au、Cr/Pt、Cr/Au、Ti/Pt、Ti/Au等。在本发明的一个实施例中，温度敏感单元的厚度为100-300nm，电阻为100-2000Ω。在本发明的一个实施例中，电阻丝的线宽为50-200μm，折线个数为2条到20条不等。
步骤3，通过剥离工艺去除光刻胶，并在温度敏感单元上涂覆保护层。保护层的材料为绝缘材料。
一种复合薄膜衬底制备方法如下：
将填料与聚酰胺酸溶液混合球磨，然后抽真空去除气泡得到复合材料溶液。填料的热导率大于0.310W m-1K-1，填料包括石墨、AlN、SiC或金刚石中的一种或多种。
将复合材料溶液均匀倒在玻璃片上，并进行匀胶，然后加热固化得到复合薄膜衬底。在加热固化的过程中，聚酰胺酸变为聚酰亚胺。
取石墨、AlN、SiC或金刚石0.3g，与10g聚酰胺酸(Polyamic-acid，PAA)溶液混合倒入球磨罐中，放入滚珠，球磨2小时。将球磨罐放入真空箱中，开启真空泵抽真空5分钟，随后关闭真空泵静置1h，除尽气泡。取清洗干净的玻璃片放在匀胶机上，将混合后的溶液均匀倒在玻璃片上，转速1500rpm保持续30s，最后放进高温烘箱里300℃保持60min固化，随后自然冷却到室温。然后放进高温烘箱里进行全固化。
图4示出了根据本发明一个实施例的贴装在曲面结构的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的示意图。
如图4所示，将上述基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器401贴装在飞机、轮船等轴承或轴的曲面400上，来测量轴承的温度。
基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的使用方法如下：
步骤1，对基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器进行标定得到电阻-温度曲线，并拟合计算出电阻-温度关系表达式，输入到软件中。
步骤2，将基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器贴装轴承或轴的曲面上。
步骤3，利用数据采集器或万用表等仪器实时测量基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的电阻，并输入到软件中，软件根据温度-电阻关系表达式，将温度显示出来。
本发明至少具有下列有益效果：本发明公开的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器及其制备方法，该柔性温度传感器中的复合薄膜衬底是掺有石墨、AlN、SiC或金刚石等高导热填料的复合聚酰亚胺薄膜，具有良好的导热性，能够加速将热量传递到温度敏感单元，缩短了导热时间，进而提高了温度传感器的响应速度，降低了动态误差；而且该柔性温度传感器的柔性结构设计，可以贴合适应非平面表面结构，实现高精度快速的温度测量。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并借此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (10)

1.一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，其特征在于，包括：
复合薄膜衬底，其被配置能够快速将热量传递到温度敏感单元；以及
温度敏感单元，其布置在所述复合薄膜衬底之上。
2.根据权利要求1所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，其特征在于，还包括保护层，其覆盖所述温度敏感单元。
3.根据权利要求1所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，其特征在于，所述复合薄膜衬底由热导率大于0.310W m-1K-1的填料与聚酰亚胺混合制成的复合薄膜构成。
4.根据权利要求3所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，其特征在于，热导率大于0.310W m-1K-1的填料包括石墨、AlN、SiC或金刚石中的一种或多种，其中：
所述石墨作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-3％，AlN、SiC或金刚石作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-15％。
5.根据权利要求4所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，其特征在于，所述温度敏感单元包括过渡层和电阻丝；和/或
所述复合薄膜衬底的厚度为5-50μm；和/或
所述温度敏感单元的厚度为100-300nm，电阻为100-2000Ω。
6.根据权利要求5所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器，其特征在于，所述电阻丝的线宽为50-200μm，折线个数在2条到20条之间；和/或
所述电阻丝的形状包括狗骨型、螺旋型、折叠型或迷宫型；和/或
所述电阻丝包括敏感栅和引脚，其中引脚作为电极；和/或
过渡层/电阻丝的组合包括Pt/Au、Cr/Pt、Cr/Au、Ti/Pt或Ti/Au。
7.一种基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在复合薄膜衬底的表面涂覆光刻胶，之后采用光刻技术对光刻胶进行曝光，形成预定的温度敏感单元图形，其中所述复合薄膜衬底由热导率大于0.310W m-1K-1的填料与聚酰亚胺混合制成的复合薄膜构成；
在温度敏感单元图形中沉积感温材料形成包括过渡层和电阻丝的温度敏感单元；以及
通过剥离工艺去除光刻胶，并在温度敏感单元上涂覆保护层。
8.根据权利要求7所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，还包括制备复合薄膜衬底：
将填料与聚酰胺酸溶液混合球磨，然后抽真空去除气泡得到复合材料溶液；以及
将复合材料溶液均匀倒在玻璃片上，并进行匀胶，然后加热固化得到复合薄膜衬底。
9.根据权利要求7所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述过渡层/电阻丝的组合包括Pt/Au、Cr/Pt、Cr/Au、Ti/Pt或Ti/Au；和/或
所述温度敏感单元图形包括折叠形状、螺旋形状、迷宫形状或狗骨形状；和/或
所述温度敏感单元的厚度为100-300nm，电阻为100-2000Ω。
10.根据权利要求8所述的基于复合薄膜衬底的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述复合薄膜衬底的厚度为5-50μm；和/或
热导率大于0.310W m-1K-1的填料包括石墨、AlN、SiC或金刚石中的一种或多种，其中：
所述石墨作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-3％，AlN、SiC或金刚石作为填料时与聚酰亚胺的质量比控制在1-15％。
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