CN111964800A - 温度传感器及其制备方法及应用温度传感器的感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度传感器技术领域，更具体地，涉及温度传感器及其制备方法及应用温度传感器的感测装置，包括有衬底、热敏材料、电极以及微加热器，所述电极设于衬底上，所述微加热器设于衬底下，所述热敏材料设于电极上。提供温度传感器的制备方法，制作出具有自校准和表征功能、实现原位自加热的温度传感器。

Description

温度传感器及其制备方法及应用温度传感器的感测装置

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，更具体地，涉及温度传感器及其制备方法及应用温度传感器的感测装置。

背景技术

温度传感器在人体健康监测、制造工业和生物医药等多个领域具有广阔的应用前景。例如，人体体温是身体机能的一项重要指标，它往往反映了组织或器官是否处于正常水平。现实生活中，极小的温度变化(如0.1℃)往往预示着潜在的异常情况，所以，开发可监测极小程度温度变化的传感器对人体健康监测和实际生活具有重要意义。目前报道了基于多种热敏材料的温度传感器，如金属、无机陶瓷材料、导电聚合物、碳纳米管(CNTs)和石墨烯等，它们具有较高的热灵敏度，如CN109632121A公开的一种基于导电通孔的温度传感器封装结构及制备方法，该温度传感器通过在衬底上集成相关部件，形成测量精度高、响应速度快的温度传感器。但实际应用中，在进行校准时，现今的温度传感器需要使用体积庞大的外部加热箱或加热板，这不仅造成大功耗、高成本的问题，还增加了潜在的安全隐患，降低了生产效率。同时，在需要高温工作条件的器件中，加热器往往是在温度传感器制造完成后通过外加金属丝来实现，这增加了结构和工艺的复杂性，也导致温度传感器体积和功耗的增加。因此，如何在不损害性能的情况下将温度传感器与加热器微型化、优化器件结构、简化工艺流程，是当前仍未解决的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的温度传感器的加热器小型化的问题，提供温度传感器及其制备方法及应用温度传感器的感测装置，微加热器集成到温度传感器上，具有自校准和表征的功能，实现原位自加热。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种温度传感器，其中，包括有衬底、热敏材料、电极以及微加热器，电极设于衬底上，微加热器设于衬底下，热敏材料设于电极上。

本方案中，电极设于衬底上，微加热器设于衬底下，热敏材料设于电极上。待测温度的变化会导致热敏材料中载流子浓度发生变化，进而导致电流发生变化。待测温度升高时，载流子受到激活，浓度升高，电流增大，待测温度降低时，载流子激活程度减弱，浓度降低，电流减小，通过电流的变化对温度进行测量。加热器用于校准和表征温度传感器，微加热器在直流电源的激励下，由于焦耳效应供热，因而实现对热敏材料的加热，达到所需温度进而对温度传感器进行校准。

在一个实施方式中，微加热器包括蛇形加热丝和接触垫，蛇形加热丝与接触垫连接。微加热器的蛇形加热丝能增加微加热器的加热面积，有效的对设于微加热器上的电极进行加热。

在一个实施方式中，电极为叉指电极。

在一个实施方式中，热敏材料为石墨烯。在温度升高时，电荷载流子受到热激活，影响流经石墨烯的电流，从而产生电学信号，形成石墨烯对待测温度的响应。

在一个实施方式中，衬底由液晶聚合物或者表面生长有二氧化硅的硅片构成。液晶聚合物具备良好的柔性，在弯曲变形状态下，衬底上的温度传感器依然能稳定工作。

一种感测装置，温度传感器。

优选地，还包括有报警器，报警器与温度传感器连接。报警器与温度传感器连接，温度传感器感测到的温度超过阈值时，可以通过报警器进行报警。

一种温度传感器的制备方法，其中，包括有以下步骤：

S1：采用微波等离子体增强化学气相沉积方法制备分散液；

高温条件下，将混合气体通入反应室，在等离子体的辅助下，在金属基底上沉积得到三维多孔石墨烯，随后将三维多孔石墨烯分散在溶液中，经超声分散、离心后形成分散液，金属基底用于催化三维多孔石墨烯的形成；

S2：制备电极：

通过光刻和蒸镀工艺在衬底上制备叉指电极；

S3：制备微加热器：

通过光刻、溅射工艺，在衬底的下部制备微加热器；

S4：热敏材料集成到衬底：

将分散液滴至叉指电极上，连接电极之间的间隙，形成热敏材料，电极之间形成通路，干燥后得到温度传感器。

在一个实施方式中，步骤S1中，金属基底为Ni基底，溶液为乙醇，超声分散时间为10min～30min，离心转数为3000rpm～4000rpm、时长为10min～30min；

步骤S1的具体步骤为：

在反应室中，通入氢气和以氩气为载气的混合气体C₂H₄O₂，混合气体在400～500℃以及等离子体环境下，被Ni基底催化沉积得到三维多孔石墨烯，将所得三维多孔石墨烯分散在乙醇中，经过10～30min超声分散、3000～4000rpm超声分散、10～30min离心处理，得到分散液。

在一个实施方式中，步骤S2中，在衬底上旋涂光刻胶，光刻出叉指电极图案，蒸镀厚度为5nm～20nm的镉作为过渡层；

继续蒸镀100nm～300nm的Au或Pt，制备Au或Pt叉指电极；

每一电极的宽度和电极之间的间隙宽度均在20～50μm之间；步骤S3中，在衬底的另一面旋涂光刻胶，光刻出微加热器图案，蒸镀或溅射5nm～20nm的镉作为过渡层；继续蒸镀厚度为150nm～450nm的Au或Pt，制备Au或Pt微加热器；

微加热器的蛇形加热丝之间的宽度尺寸为20μm～50μm，接触垫面积为0.5mm²～2mm²。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、自校准和表征。传统的温度传感器采用外加热板或热箱进行校准和表征，带来大功耗问题，且增加了安全风险。本发明将微加热器集成到温度传感器上，通过控制微加热器的电阻及电压，实现原位自加热，达到所需温度。

2、器件集成化和微型化。在微纳尺度下，将电极、加热器等集成在一起，在减小器件体积的同时，简化了工艺流程，实现了器件微型化，并可同时制备多个温度传感器，得到阵列。自加热以及微型化使得该传感器实现了低功耗，即使当微加热器提供100℃温度时，其功耗仍小于1.5W。

2、分辨率高。本发明提供的温度传感器，即使温度仅升高0.1℃，也能得到显著的响应，其具有很高的灵敏度，能够应用于高精度检测领域。

3、本发明提供的温度传感器的衬底具备良好的柔性，使得传感器在弯曲变形状态下依然能稳定工作。此外，该传感器能够灵敏地感知人体皮肤温度变化，可应用于可穿戴电子器件。

附图说明

图1为本发明实施例温度传感器结构示意图；

图2为本发明实施例温度传感器的制备流程；

图3为本发明实施例三维多孔石墨烯的显微形貌图；

图4中a为本发明实施例微加热器电流大小和所供温度大小与微加热器两端电压的对应关系图；b为本发明实施例微加热器电阻与温度的关系图；

图5为本发明实施例经过不同还原时间得到的三维多孔石墨烯的热指数与还原时间的关系图；

图6为本发明实施例三维多孔石墨烯温度传感器在两个月内对55℃的响应变化图；

图7为本发明实施例三维多孔石墨烯温度传感器在弯曲状态下的照片；

图8为本发明实施例三维多孔石墨烯温度传感器在人手指接触和移开时的响应曲线图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，而不是指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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一：

如图1和图2所示，本发明提供一种温度传感器，包括有衬底1、热敏材料4、电极2以及微加热器，电极2为叉指电极，所述电极2设于衬底1上，所述微加热器设于衬底1下，所述热敏材料4设于电极2上。电极2设于衬底1上，微加热器设置在衬底1之下，热敏材料4设于电极2上。微加热器包括蛇形加热丝5和接触垫3，所述蛇形加热丝5与接触垫3连接，微加热器在直流电源的激励下，由于焦耳效应供热，因而实现对热敏材料4的加热，达到所需温度进而对温度传感器进行校准。

待测温度的变化会导致热敏材料4中载流子浓度发生变化，进而导致电流发生变化。待测温度升高时，载流子受到激活，浓度升高，电流增大，待测温度降低时，载流子激活程度减弱，浓度降低，电流减小，通过电流的变化对温度进行测量。加热器用于校准和表征温度传感器，微加热器在直流电源的激励下，由于焦耳效应供热，因而实现对热敏材料4的加热，达到所需温度进而对温度传感器进行校准。

本实施例中，热敏材料4为石墨烯，石墨烯具有缺陷位点、三维多孔结构和功能基团。当温度升高时，石墨烯表面产生热吸附，电荷载流子受到激活，浓度升高，且迁移率提高，当温度降低时，表面热量脱吸附，电荷载流子浓度下降，且迁移率下降。电荷流动的变化可通过石墨烯的电流等参数反映，从而形成石墨烯对待测温度的响应。石墨烯包括原始石墨烯、还原0.5小时的石墨烯和还原2小时的石墨烯中的至少一种，也可以是几种石墨烯的混合物，优选为还原2小时的石墨烯。石墨烯具有结构缺陷和功能基团，能够降低石墨烯的载流子浓度，使感测温度时能达到较高的灵敏度。同时，石墨烯还可具有三维多孔结构，显著增大的表面积有利于热量吸附、转移以及电荷传输过程。待测温度为高于室温的一定温度范围，优选为26℃-103℃。

石墨烯可经过一定时间的加热还原部分含氧基团被去除具有更好的抵抗去氧能力以及耐热能力，有利于所述温度传感器保持稳定的工作状态，加热时间为1～5小时，加热温度为70℃-130℃。

石墨烯具有负的电阻温度系数(NTC)，呈现出类似于半导体的性质。本征石墨烯禁带宽度为零，而化学气相沉积法得到的石墨烯具有残余含氧基团，这导致石墨烯的禁带宽度被打开，因而表现出NTC。

三维多孔结构由化学气相沉积法实现，将碳源气体通入高温反应室，在基底的催化作用下，沉积得到三维多孔石墨烯。一般情况下，由于石墨烯片层的堆叠，二维石墨烯的比表面积与理论上的值相差甚远。通过化学气相沉积法得到的三维多孔状石墨烯，表面区域得到显著增加，因而，有利于热吸附过程以及电荷传输过程。

化学气相沉积法采用微波等离子体进行增强，等离子体源优选为氢气。所述反应室优选为石英管。所述碳源可为甲烷、乙醇等有机物，优选为甲酸甲酯(C₂H₄O₂)，并以氩气作为载气。所述基底呈泡沫状，可为铜、镍等金属，优选为镍(Ni)。所述温度在400℃～500℃，优选为450℃。碳源气体在所述温度以及微波等离子体的作用下，裂解出碳原子，随后，金属基底催化碳原子沉积成为石墨烯。采用所述化学气相沉积法得到的石墨烯不仅具有三维多孔结构，还具有大量缺陷位点和含氧基团，它们使所述石墨烯的载流子浓度降低，那么，感测温度升高时，载流子受到激活，检测电路的电流显著增大，这有利于得到较高的灵敏度以及较快的恢复速度。

衬底1由液晶聚合物或者表面生长有二氧化硅的硅片构成，液晶聚合物具有多孔结构以及良好的柔性，使温度传感器具备较好的柔性，温度传感器制成柔性器件，在弯曲变形状态下依然能稳定工作。常规形变行为(如拉伸和弯曲)不会导致温度传感器受损。在形变状态下，传感器对同一温度的响应未出现明显变化。

本实施例中，温度传感器具有微型特性，还可在以同一个衬底1为基础来制作多个传感器，在同一个衬底1上形成传感器阵列。

如图4所示，在微加热器两端加上直流电压，金属由于焦耳效应发热。随着所加电压的变化，电路中的电流大小以及加热达到的温度也发生变化。电流大小和所得温度大小与微加热器两端电压的对应关系如图4中a所示。当微加热器两端电压为33.875V时，可提供103℃的温度。图4中b为微加热器电阻与温度的关系，其特性与Au相近。因此，通过调节微加热器的电阻和电压，可将衬底1调节至所需温度。

一种感测装置，包括有温度传感器，还包括有报警器，报警器与温度传感器连接。报警器与温度传感器连接，温度传感器感测到的温度超过阈值时，可以通过报警器进行报警。

一种温度传感器的制备方法，包括有以下步骤：

S1：采用微波等离子体增强化学气相沉积方法制备分散液；

400℃～500℃条件下，将混合气体通入反应室，在等离子体的辅助下，在金属基底上沉积得到三维多孔石墨烯，随后将三维多孔石墨烯分散在溶液中，经超声分散、离心后形成分散液，所述金属基底用于催化三维多孔石墨烯的形成；

在反应室中，通入氢气和以氩气为载气的混合气体C₂H₄O₂，混合气体在高温以及等离子体环境下，被Ni基底催化沉积得到三维多孔石墨烯，将所得三维多孔石墨烯分散在乙醇中，经过10min～30min超声分散，再经过3000rpm～4000rpm、10min～30min的离心处理，得到分散液。图3所示，得到的分散液中，三维多孔石墨烯呈现出花状形貌。

S2：制备电极2：

通过光刻和蒸镀工艺在衬底1上制备叉指电极；

具体步骤为：在衬底1上旋涂光刻胶，光刻出叉指电极图案，蒸镀厚度为5nm～20nm的铬作为过渡层；继续蒸镀100nm～300nm的Au或Pt，制备Au或Pt叉指电极；

S3：制备微加热器：

通过光刻、溅射工艺，在衬底1的下部制备微加热器；

具体步骤为：在衬底1相对叉指电极的另一面旋涂光刻胶，光刻出微加热器图案，蒸镀或溅射5nm～20nm的铬作为过渡层；继续蒸镀厚度为150nm～450nm的Au或Pt，制备Au或Pt微加热器；微加热器的蛇形加热丝5之间的宽度尺寸为20μm～50μm，接触垫3面积为0.5mm²～2mm²。

S4：热敏材料4集成到衬底1：

将分散液滴至所述叉指电极上，连接电极2之间的间隙，形成热敏材料4，电极2之间形成通路，干燥后得到温度传感器。

实施例二：

本实施例与实施例一相似，不同之处在于，本实施例中，温度传感器的制备方法，包括有以下步骤：

S1：反应室为石英管反应室，石英管反应室中通入以氢气和氩气为载气的C₂H₄O₂混合气体，混合气体在400℃～500℃以及等离子体环境下，被Ni基底催化沉积得到三维多孔石墨烯，将所得三维多孔石墨烯分散在乙醇中，经过10min～30min超声分散、转速3000～3500rpm及时长为10～30min的离心后，得到分散液；

步骤S1中，作为等离子体源的气体与作为碳源的气体流速的比例为18～25:1，优选等离子体源为190sccm和碳源为10sccm。反应所需高温在400℃～500℃，优选为450℃。

S2：在衬底1上旋涂光刻胶，光刻出叉指电极图案，蒸镀或溅射5nm～20nm的铬(Cr)作为过渡层，优选为10nm；

继续蒸镀100nm-300nm的Au或Pt，制备Au或Pt叉指电极，优选为180nm，叉指电极的每一电极2宽度和电极2间的空隙宽度在20μm～50μm之间，电极2宽度优选为30μm，电极2间的空隙宽度优选为20μm；

S3：在衬底1相对叉指电极的另一面旋涂光刻胶，光刻出微加热器图案，蒸镀或溅射5nm-20nm的铬(Cr)作为过渡层，优选为10nm；

继续蒸镀150nm-450nm的Au或Pt，制备Au或Pt微加热器，优选为300nm，中部的金属丝宽度尺寸在20μm～50μm之间，优选为30μm，两端的接触垫3面积在0.5mm²～2mm²之间，优选为1mm²；

S4：采用滴涂法将得到的分散液滴至叉指电极上，连接电极2之间的间隙，形成热敏材料4，电极2之间形成通路，干燥后得到温度传感器。

S5：所得温度传感器在微加热器提供103℃条件下，还原石墨烯，还原时间为0.5h。

实施例三：

本实施例与实施例2相似，不同之处在于，本实施例中，步骤S5中还原石墨烯的还原时间为2h。

实施例1、实施例2、实施例3分别为还原0h、0.5h和2h的石墨烯。如图5所示，实施例1所得原始石墨烯(即还原0h)的热指数B最大，达到3193K。随着还原时间的增加，温度指数略有降低。同时，经计算得到的电阻温度系数也呈现相似趋势，原始石墨烯最大，为3.55％K^-1。

如图6所示，每十天对实施例3所得传感器的热敏性进行检测，两个月内，该石墨烯对55℃的响应值未发生明显变化，表明其具有良好的稳定性。

如图7所示，将实施例3所得传感器进行弯曲，未出现断裂现象，该传感器在变形情况下依然能维持正常工作状态。

如图8所示，将手指接触实施例3所得传感器，电流立即增大，将手指移开，电流立即减小，表明该传感器可对人体皮肤进行实时温度检测。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度传感器，其特征在于，包括有衬底、热敏材料、电极以及微加热器，所述电极设于衬底上，所述微加热器设于衬底下，所述热敏材料设于电极上。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述微加热器包括蛇形加热丝和接触垫，所述蛇形加热丝与接触垫连接。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述电极为叉指电极。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述热敏材料为石墨烯。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述衬底由液晶聚合物或者表面生长有二氧化硅的硅片构成。

6.一种感测装置，其特征在于，包括有权利要求1至5任一项所述温度传感器。

7.根据权利要求6所述的感测装置，其特征在于，还包括有报警器，所述报警器与温度传感器连接。

8.一种温度传感器的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：

S1：采用微波等离子体增强化学气相沉积方法制备分散液；

400℃～500℃下，将混合气体通入反应室，在等离子体的辅助下，在金属基底上沉积得到三维多孔石墨烯，随后将三维多孔石墨烯分散在溶液中，经超声分散、离心后形成分散液，所述金属基底用于催化三维多孔石墨烯的形成；

S2：制备电极：

通过光刻和蒸镀工艺在衬底上制备叉指电极；

S3：制备微加热器：

通过光刻、溅射工艺，在衬底的下部制备微加热器；

S4：热敏材料集成到衬底：

将分散液滴至所述叉指电极上，连接电极之间的间隙，形成热敏材料，电极之间形成通路，干燥后得到温度传感器。

9.根据权利要求8所述的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，金属基底为Ni基底，溶液为乙醇，超声分散时间为10min～30min，离心转数为3000rpm～4000rpm、时长为10min～30min；

步骤S1的具体步骤为：

在反应室中，通入氢气和以氩气为载气的混合气体C₂H₄O₂，混合气体在400℃～500℃以及等离子体环境下，被Ni基底催化沉积得到三维多孔石墨烯，将所得三维多孔石墨烯分散在乙醇中，经过10min～30min超声分散，再经过3000rpm～4000rpm、10min～30min的离心处理，得到分散液。

10.根据权利要求8所述的温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，在衬底上旋涂光刻胶，光刻出叉指电极图案，蒸镀厚度为5nm～20nm的镉作为过渡层；

继续蒸镀100nm～300nm的Au或Pt，制备Au或Pt叉指电极；

叉指电极的每一电极的宽度和电极之间的间隙宽度均在20μm～50μm之间；

所述步骤S3中，在衬底的另一面旋涂光刻胶，光刻出微加热器图案，蒸镀或溅射5nm～20nm的镉作为过渡层；继续蒸镀厚度为150nm～450nm的Au或Pt，制备Au或Pt微加热器；

微加热器的蛇形加热丝之间的宽度尺寸为20μm～50μm，接触垫面积为0.5mm²～2mm²。

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