CN102494795B - 无源温度传感器及基于无源温度传感器的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无源温度传感器及基于无源温度传感器的测试系统，所述的无源温度传感器包括纳米线阵列构成的层状定向薄膜热电材料Bi0.5Te1.5Se3(4)，Ti阻挡层(11)，Cu电极(5)，Ni粘附层(10)，AlN基底极板(6)，高精度标准电阻(7)与热敏电阻(8)串联构成的分压式电阻测温网络，二极管(9)；阻挡层(11)用于防止电极与热电材料之间的扩散效应，粘附层(10)用于解决金属电极与半导体基底之间的连接问题，标准电阻(7)与热敏电阻(8)用于测温，二极管(9)用于防止在有源工作模式时电流流入热电材料。本发明利用无源温度传感器在被触发时产生的电信号作为探测信号和电源供给，从而不再需要对传感器自身供电。
Description
技术领域
本发明涉及热电传感器领域，特别涉及一种无源温度传感器及基于无源温度传感器组件的测试系统。
背景技术
目前，绝大对数传感器都需要电源供给，而全部的传感器系统都是有外部电源或内部电池的。这样在不适宜布线或人员无法到达的地方，就限制了传感器及传感器系统的应用。此外，若传感器系统安装后未被使用时间过长时，线路的老化会造成系统失效。若采用干电池供电时，也会存在因使用时间过长使电池能量耗尽的问题，无法给传感器系统正常工作供电，从而造系统失效。因此传感器系统有效性的一个关键制约因素就是系统的供电问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足之处，提供了一种新型自供电无源温度传感器设计，实现了传感器自身乃至整个系统的自主能源供给，同时，该传感器还可与其他耗电设备相连，为其提供电源供给。使用该传感器的系统在正常情况下不需内部或外部的电源供电，只有在当外界温度变化时，才由热电传感器发出电触发信号，同时当外界温度的变化达到阈值时，触发信号将作为整个系统的电源供给，系统开始在无源条件下工作，这样保证了传感器乃至整个系统的无源化。
本发明所采用的技术方案是：一种无源温度传感器，传感器包括用纳米线阵列构成的层状定向薄膜热电材料Bi0.5Te1.5Se3，Ti阻挡层，Cu电极，Ni粘附层，AlN基底，高精度标准电阻与热敏电阻串联构成的分压式电阻测温网络和二极管，其中：
AlN基底，Ni粘附层，Cu电极，Ti阻挡层构成上、下极板；该无源温度传感器利用掩膜板技术并结合磁控溅射技术，将AlN基底极板上的各层材料按照先Ni粘附层，然后Cu电极，最后Ti阻挡层的顺序依次溅射上去，溅射过程中利用掩膜板控制材料的轮廓。
纳米线阵列构成层状定向薄膜热电材料Bi0.5Te1.5Se3采用128对长*宽为1mm*1mm的Bi0.5Te1.5Se3薄膜构成，热电材料用真空蒸镀的方法蒸镀到上极板或下极板上形成纳米薄膜。
阻值为10KΩ的高精度标准电阻与热敏电阻串联构成的分压式电阻测温网络，分压式电阻测温网络是制作在下电极板上的，二极管防止在有源模式工作时，电流流入热电材料。
最后利用焊接技术将上、下极板及热电材料组装成无源温度传感器。
通过以上方式，将热电材料、电极、基底、热敏电阻、标准电阻以及二极管通过掩膜板技术及磁控溅射工艺制成温度传感器。解决了传统的热电偶温度传感器需要设置温度参考点的问题，避免了必须使用热电偶放大器的问题，并且在初次使用时不需要校准，同时实现了传感器自身的无源化；与传统的热电偶测温方式相比较，该传感器可与其他运算放大器相连，而不用必须选择热电偶放大器，通过选择高精度的热敏电阻及标准电阻，可将传感器的精度大幅提高。
其中，从材料角度讲，用纳米线阵列构成层状定向薄膜，具有特殊的结构形貌，与富碲的Bi2Te3+X相比有更高的热电转换效率，从材料的排列来看，将多对热电材料串联连接将产生更大的输出电压。
一种基于无源温度传感器的测试系统，该测试系统的电源供给由热电式无源温度传感器件产生的电能提供。测温时，首先测出传感器内部高精度标准标准电阻两端的电压值U1，由公式I＝U1/R，可以得出流过电阻分压网络的电流值；之后，再测出热敏电阻两端的电压值U2，通过RT＝U2/I，得出热敏电阻的阻值，从而得出当前的温度值。在热电材料不能提供电源时，该传感器还可有源工作，其供电电压加在A、B两端。另外，该器件在冷热端形成温差时还可以对外供电，供电电压由AB输出(B为参考地)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明独创的使用纳米线阵列构成的层状定向薄膜热电材料制造温度传感器，并得到了良好的效果。
2、本发明解决了现有传感器自身的供电问题，降低了传感器对电源的要求。
3、本发明与传统热电偶温度传感器相比，该温度传感器不需要设置温度参考点。
4、本发明中上述传感器在用于火灾报警等特殊场合时，可以为后端测试报警设备供电，实现整体系统的无源化运行。
附图说明
图1是本发明一种基于无源温度传感器提供电源的测试系统原理框图；
图2是本发明无源温度传感器上电极板俯视示意图；
图3是本发明无源温度传感器下电极板俯视示意图；
图4是本发明无源温度传感器中上、下电极板及热电材料组装示意图；
图5是本发明无源温度传感器内部各层材料的排布示意图；
图6是无源温度传感器组件无源工作模式；
图7是无源温度传感器组件有源工作模式；
其中，1为热电材料；2为分压式电阻测温网络；3为测量电路；4为纳米线阵列构成的层状定向薄膜Bi0.5Te1.5Se3；5为Cu电极；6为AlN基底极板；7为标准电阻；8为热敏电阻；9为二极管；10为Ni粘附层，11为Ti阻挡层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1所示的是一种无源温度传感器系统原理框图。当外界温度变化时，热电材料将温度场的变化转换为电能，所产生的电能将为电阻式分压网络及后续的设备供电，后端测量电路通过测量热敏电阻的阻值从而得出当前的温度值。
图2所示的是无源温度传感器的上电极板俯视图，极板采用4cm*5cm(长*宽)的AlN基底作为极板6，采用掩膜板技术并结合磁控溅射工艺在基底上按照，先Ni粘附层11，然后Cu电极5，最后Ti阻挡层10的顺序依次将材料溅射上去，溅射过程中利用掩膜板控制材料的边沿轮廓。
图3所示的是无源温度传感器的下电极板俯视图，极板采用4cm*5cm(长*宽)的AlN基底作为极板6；采用掩膜板技术并结合磁控溅射工艺在基底上按照，先Ni粘附层11，然后Cu电极5，最后Ti阻挡层10的顺序依次将材料溅射上去，溅射过程中利用掩膜板控制材料的边沿轮廓；用真空蒸镀工艺将热电材料4蒸镀到Ti阻挡层上，形成纳米薄膜；同时在极板上焊接高精度标准电阻7与热敏电阻8串联而成的分压式电阻测温网络，并焊接二极管9。
图4所示的是无源温度传感器上、下极板组装示意图，上、下极板的连接时使用银焊接技术。
图5所示的是无源温度传感器内部各层材料的排布示意图，其中包括纳米线阵列构成的层状定向薄膜热电材料Bi0.3Te1.5Se34，Ti阻挡层10，Cu电极5，Ni粘附层11，AlN基底6。
图6所示的是无源温度传感器组件无源模式工作时的测量电路图，包括无源温度传感器组件、微处理器(STC12LE2052AD)，显示器(LCD1602)，以及相应的复位电路与稳压电路。无源温度传感器或传感器组件的A引脚接到后续电路供电电源的正极、B引脚接公共地，目的是将无源温度传感器或无源温度传感器组件产生的电能传递给后续电路，即为电阻测温网络及后端测量电路提供电源；C1、C2为去耦电容，目的是滤除电源中的交流分量，同时选用3.3V稳压管1N4728稳定供电电压，通过DR1和发光二极管监测系统是否上电；智能微处理器采用STC公司生产的12C2052AD低功耗单片机作为主控芯片，在内部分存储有相应的处理程序；微处理器使用11.0592M晶振、电容C11和电容C12为其提供时钟信号；C13、R11、R12以及按键开关共同构成复位电路；传感器的信号输出B引脚接到微处理器具有模数转换功能的P1.0；P1.1-P1.7、P3.3-P3.5以及P3.7作为显示信号线与LCD1602连接。工作在无源测温模式时，该测试系统的电源供给由热电材料产生的电能提供，测温时首先测出传感器内部高精度标准标准电阻CB两端的电压值U1，由公式I＝U1/R，可以得出流过电阻分压网络的电流值；之后，再测出热敏电阻AC两端的电压值U2，通过RT＝U2/I，得出热敏电阻的阻值，从而得出当前的温度值。另外，该器件的无源模式还可对外供电，在冷、热端形成温差后，即可在AB之间形成输出电压。其中B为参考地。
图7所示的是无源温度传感器组件有源工作模式的测量电路图，包括无源温度传感器组件、微处理器(12LE2052AD)，显示器(LCD1602)，以及相应的复位电路与稳压电路。微处理器(STC12LE2052AD)，显示器(LCD1602)，以及相应的复位电路与稳压电路。无源温度传感器或传感器组件的A引脚接到电源VCC、B引脚接公共地，目的是利用外接电源为传感器内部的测温单元供电；C1、C2、C3为去耦电容，目的是滤除电源中的交流分量，通过DR1和发光二极管监测系统是否上电；智能微处理器采用STC公司生产的12LE2052AD低功耗单片机作为主控芯片，在内部分存储有相应的处理程序；微处理器使用11.0592M晶振、电容C11和电容C12为其提供时钟信号；C13、R11、R12以及按键开关共同构成复位电路；传感器的信号输出B引脚接到微处理器具有模数转换功能的P1.0；P1.1-P1.7、P3.3-P3.5以及P3.7作为显示信号线与LCD1602连接。当热电材料提供的能量不足时，传感器可采用有源工作模式，将3V的供电电压加在A、B两端，测量C点的电压值就可推算出热敏电阻上的电压值，从而得到热敏电阻的阻值，即得到当前的温度值。
该无源温度传感器实现了传感器自身乃至整个系统的自主能源供给，同时，该传感器还可与其他耗电设备相连，为其提供电源供给。使用该传感器的系统在正常情况下不需内部或外部的电源供电，只有在当外界温度变化时，才由热电传感器发出电触发信号，同时当外界温度的变化达到阈值时，触发信号将作为整个系统的电源供给，系统开始在无源条件下工作，这样保证了传感器乃至整个系统的无源化。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (1)
1.一种无源温度传感器，其特征在于：该传感器包括纳米线阵列构成的层状定向薄膜热电材料Bi0.5Te1.5Se3（4），Ti阻挡层（11），Cu电极（5），Ni粘附层（10），AlN基底（6），高精度标准电阻（7）与热敏电阻（8）串联构成的分压式电阻测温网络，其中：
上、下极板均包括AlN基底（6）、Ni粘附层（10）、Cu电极（5）和Ti阻挡层（11）;该传感器利用掩膜板技术并结合磁控溅射技术，将AlN基底（6）上的各层材料按照先Ni粘附层（10），然后Cu电极（5），最后Ti阻挡层（11）的顺序依次溅射上去，溅射过程中利用掩膜板保证材料的形状；
所述的纳米线阵列构成的层状定向薄膜热电材料Bi0.5Te1.5Se3（4）采用128对长*宽为1mm*1mm的纳米级Bi0.5Te1.5Se3薄膜构成；该传感器利用热电材料用真空蒸镀的方法蒸镀到上极板或下极板上形成纳米薄膜；
阻值为10KΩ的高精度标准电阻（7）与热敏电阻（8）串联构成的分压式电阻测温网络，分压式电阻测温网络是制作在下电极板上的，二极管（9）防止在有源模式工作时，电流流入热电材料；下极板上的Cu电极（5）接二极管（9）的正极，二极管（9）的负极为A端，A端接热敏电阻（8）的一端，热敏电阻（8）的另一端接高精度标准电阻（7）的一端，高精度标准电阻（7）的另一端接参考地B；
最后利用焊接技术将上、下极板及热电材料组装成无源温度传感器。
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