CN105841836A - 一种新型瞬态温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型瞬态温度传感器，包括二维石墨烯和基底，二维石墨烯复合在基底的上表面，二维石墨烯的两端设置有导线，导线通过银胶与二维石墨烯连接。本发明对温度检测响应迅速准确，且只需要测量电压值就能得出对应的温度，操作方便，检测速度快、测试精度高。

Description

一种新型瞬态温度传感器

技术领域

本发明属于新型传感技术领域，尤其是涉及一种新型瞬态温度传感器。

背景技术

传感技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，在科研、工业、医疗等领域，温度传感都有着很重要的应用。温度值无法直接获取，通常利用其它物体对于温度敏感的某一特性来间接的获取温度值，这个过程即温度的传感过程。目前一种最常见的温度传感的工作原理是将热信号转换成电信号，通过可读的电信号强度来获取温度值。随着科学技术的发展，瞬态温度传感器越来越受到重视。瞬态温度涉及到热学中的燃烧、传热、激光加热等热现象，在工业和军事等众多领域中，机械部件的热变形和热力分析中，瞬态温度的传感和测量都是非常重要的一环，尤其是在军工领域，枪膛射出的火药的温度、枪管发射火药后的温度、自动武器导气式的气体温度、火箭和弹道的燃气温度，这些物理化学过程的共同特点是温度高、变化快，都牵涉到瞬态温度的问题，所以瞬态温度的测量和传感有着非常重要的地位。

目前温度传感器的核心部分是对温度敏感的材料，包括各类导体、半导体、电解质、高分子材料等，它们的共同特性在于能够随温度变化改变自身的某些特性，并可以显式的表现出来从而间接地获取温度值。对于这些温度敏感材料，其中一部分是通过电子方式检测温度变化，目前常见的传感元件有五类：(1)热敏电阻(2)阻性温度传感器(3)热电偶(4)硅温度传感器(5)红外温度传感器。按照温度传感器测温方式来分类，这些热传感器可以分为接触式传感和非接触式传感两类，热电偶、热敏电阻就是较为典型的接触式温度传感器，敏感元件需要与待测物体表面接触，而红外温度传感则属于典型的非接触式传感。按照温度传感的传感速度来分类，又可以分为静态温度传感器和动态温度传感器，生活中我们常用的体温计就是静态温度传感器，它的特点在于传感时间较长、传感速度慢。

研究表明，石墨烯薄片的电子迁移率可以达到200000cm²/(V·s)，在240K的条件下则可以达到120000cm²/(V·s)，远高于常规材料。同时石墨烯具有非常好的导热性，本身是很好的导热体，研究发现，石墨烯的热导率可达500W/mK，室温下约是铜的十倍，远高于碳的其他的同素异形体，良好的热学和电学特性使得石墨烯材料在静态和瞬态温度传感器领域有很好的应用前景。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种新型瞬态温度传感器，通过二维石墨烯和基底的共同作用，达到对温度检测响应迅速准确，且只需要测量电压值就能得出对应的温度，操作方便，检测速度快、测试精度高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种新型瞬态温度传感器，包括二维石墨烯和基底，所述二维石墨烯复合在基底的上表面，二维石墨烯的两端设置有导线，导线通过银胶与二维石墨烯连接。

进一步的，本发明的新型瞬态温度传感器，基底包括二氧化硅薄膜和硅基底，所述二氧化硅薄膜沉积在硅基底的上表面。

进一步的，本发明的新型瞬态温度传感器，所述瞬态温度传感器的长度为5～8cm，宽度为2～5cm。

进一步的，本发明的新型瞬态温度传感器，所述二维石墨烯的长度为3～5cm，宽度为1～2cm。

本发明还提出了一种测量瞬态温度的方法，利用平衡电桥标定新型瞬态温度传感器的温阻特性，在实际测量瞬态温度时，将一个标准电阻和上述任一的新型瞬态温度传感器串联在直流稳压电源两端，且标准电阻的阻值远大于新型瞬态温度传感器的阻值，用示波器获取新型瞬态温度传感器两端的电压，由此得出对应的实际温度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的新型瞬态温度传感器对温度检测响应迅速准确，应用广泛；

2、本发明的新型瞬态温度传感器只需要测量电压值就能得出对应的温度，方法简单，成本低，操作方便；

3、本发明的新型瞬态温度传感器对温度的检测速度快、测试精度高。

附图说明

图1是本发明的新型瞬态温度传感器的结构图；

图2是本发明的新型瞬态温度传感器的温阻特性测试电路图；

图3是本发明的新型瞬态温度传感器的电阻随温度变化特性曲线图；

图4是本发明的新型瞬态温度传感器的电阻变化率随温度变化特性曲线图；

图5是本发明的新型瞬态温度传感器经脉冲激光加热的示意图；

图6是本发明的新型瞬态温度传感器的电阻测量电路图；

图7是本发明的新型瞬态温度传感器在激光加热下的温度示意图。

附图标号含义：1：导线，2：银胶，3：二维石墨烯，4：二氧化硅薄膜，5：硅基底；6：脉冲激光器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

首先以铜箔作为催化基模板，使用化学气相沉积法制备二维石墨烯样品。

在样品两端引入导线并点上银胶，然后干燥十分钟，使丙酮挥发。等待银胶凝固后在接点处点上硅胶固定接点，放入加热风箱干燥8小时，使硅胶凝固，成品即瞬态温度传感器，其传感元件结构如图1所示，表面的二维石墨烯即温度敏感材料。

测试温敏材料温阻特性实验电路如图2所示，这是一个平衡电桥电路，R₁和R₃接入恒定电阻且R₁＝R₃，将R₂接入可变电阻箱，将二维石墨烯样品(阻值为R_g)放置在磁力搅拌器上进行加热，共读取16个样本点，使样本温度从300K上升到593K，每隔20K取一次样，在每一个所选取的样本点的温度上，使样本的温度保持恒定5min，调节R₂的阻值，使检流计G的读数为零，读取R₃的阻值，即为二维石墨烯样品的阻值，结果如图3所示。

通过对图3实验结果的分析，可以得到近似的温阻特性表达式：

R(T)-10.846＝-0.00659T (1)

定义其中ΔT＝T-T₀，R为T＝300K时样本的初始电阻，则电阻变化率随温度变化的特性如图4所示，可以计算出实验所用的石墨烯温度传感元件的系数β≈7.44×10^-4，从而可以通过传感器的阻值推算出传感器所对应的实际温度。

实施例1

如图5所示，所测样品置于SiO₂衬底上，底部则是一层Si基底。脉冲激光从上方直接聚焦在石墨烯样本上。由于二维石墨烯的透明度很高，且石墨烯本身的光学性质决定了其光透过率很高，单层石墨烯的光透过率理论值可以达到97％以上，所以样本只吸收很少的激光能量，大部分激光会穿过样本并被SiO₂薄膜和Si基底吸收。吸收激光能量后，硅片的温度会在极短的时间内发生迅速的变化，温度快速上升，从而引发衬底表面石墨烯的温度变化，石墨烯的阻值也随之变化。由于石墨烯电阻变化是一个动态的过程，为了测量石墨烯电阻的变化量，所以采用分压电路作为测试电路，如图6是测量二维石墨烯的电阻的测试电路示意图，其中R₀为固定阻值的电阻，与石墨烯串联在电路中，且R₀＞＞R_g，电压源为1～12V连续可调的直流电源。石墨烯两端的电压值使用存储示波器来获取，由分压电路的分压特性可以得到：

$U_g=\frac{R_g}{R_0+R_g}\·U\stackrel{\·}{=}\frac{R_g}{R_g}U={\mathrm{kR}}_g---\left(2\right)$

其中，

如图7所示，在激光开始作用后的3.9μs时间段内，曲线迅速下降，并在T＝3.9μs时达到最低值，形成了一个尖锐的波谷，这反映了样本两端电压值在3.9μs的时间内产生了迅速变化。石墨烯两端初始电压绝对值为0.5V，在波谷位置电压降到了0.215V，下降幅度约为57％。由式(2)可知，石墨烯两端电压和石墨烯电阻成正比，电压值的下降表明，在温度上升过程中样本的阻值出现了下降，表现出负温度系数的电阻特性，这与图3实验分析结果一致。

由式(2)可得，

$\left|\frac{\mathrm{\Δ}R/R}{\mathrm{\Δ}T}\right|=\left|\frac{\mathrm{\Δ}U/U}{\mathrm{\Δ}T}\right|---\left(3\right)$

其中R和U分别为T＝300K时样本的初始电阻和两端的初始电压。

由定义我们可以得到波谷位置对应的ΔT的值：

$\mathrm{\Δ}T=\left|\frac{\mathrm{\Δ}U/U}{\mathrm{\β}}\right|---\left(4\right)$

将β＝7.44×10^-4、ΔU/U＝57％代入上式，得：ΔT＝766K，由此可以得到二氧化硅表面的峰值温度T＝1066K。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型瞬态温度传感器，其特征在于，包括二维石墨烯和基底，所述二维石墨烯复合在基底的上表面，二维石墨烯的两端设置有导线，导线通过银胶与二维石墨烯连接。

2.根据权利要求1所述的新型瞬态温度传感器，其特征在于，基底包括二氧化硅薄膜和硅基底，所述二氧化硅薄膜沉积在硅基底的上表面。

3.根据权利要求1所述的新型瞬态温度传感器，其特征在于，所述瞬态温度传感器的长度为5～8cm，宽度为2～5cm。

4.根据权利要求1所述的新型瞬态温度传感器，其特征在于，所述二维石墨烯的长度为3～5cm，宽度为1～2cm。

5.一种测量瞬态温度的方法，其特征在于，利用平衡电桥标定新型瞬态温度传感器的温阻特性，在实际测量瞬态温度时，将一个标准电阻和一个权利要求1～4任意一项所述的新型瞬态温度传感器串联在直流稳压电源两端，且标准电阻的阻值远大于新型瞬态温度传感器的阻值，用示波器获取新型瞬态温度传感器两端的电压，由此得出对应的实际温度。