CN107076622A - 温度测量设备、设备制造方法以及包括该设备的碰撞点测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及温度测量设备、用于制造该设备的方法、以及包括该设备的用于测量碰撞点的系统。根据一个方面，本发明涉及温度测量设备，该温度测量设备包括由磁性金属材料制成的薄膜片，使得在使用中并且在存在施加的磁场的情况下，在薄膜片的一个区域中的温度变化在所述一个区域中产生电压，所产生的电压能够通过对应于所述一个区域的电压读取装置来读取。根据另一方面，本发明涉及用于制造该设备的方法。根据又一方面，本发明涉及包括该设备的用于测量辐射或粒子的碰撞点的系统。

Description

温度测量设备、设备制造方法以及包括该设备的碰撞点测量 系统
技术领域
本发明涉及温度测量设备以及制造温度测量设备的方法。
背景技术
在现有技术中，已知许多基于不同物理现象的允许温度测量的设备。这些系统中的绝大多数旨在测量环境温度。
在美国专利申请US2014/105242中示出了温度和湿度测量系统。该系统包括纳米粒子(碳纳米管)和非导电聚合物层。
在美国专利No.4,603,372中公开了包含导电膜、多个电极以及聚合物膜的集成电路。该系统用于测量环境的温度和湿度。
所有这些温度测量设备都具有复杂的配置(电极、纳米粒子、导电膜和/或聚合物膜等)，并且温度分辨率不足以及稳定性差和分辨率低。
另一方面，还存在已知的用于确定粒子和/或辐射的碰撞点的位置的系统。
因此，美国专利No.US4898471公开了一种在具有特定图案的表面上的粒子检测系统。该系统基于光束的施加以及基于对被表面反射的信号的测量。
美国专利申请US2012/293192公开了一种光子和粒子检测系统，该系统基于对当光子或粒子撞击系统时由光子或粒子产生的电荷的检测。
[Mayer等，核科学研讨会，1996，会议记录，1996IEEE]公开了一种具有亚毫米分辨率的用于测量辐射的系统，在该系统中还可确定辐射的位置，该系统基于CdZnTe检测器的使用。
最后，[Lameres等，IEEE传感器2010会议]公开了一种辐射检测系统，该系统基于由入射的辐射在系统中产生的电荷的累积，该系统同样使得能够指示该辐射碰撞的位置。
通常，这样的检测系统和现有技术中已知的其他系统需要复杂的电路，这使得它们是昂贵的并且具有高的故障敏感性，并且它们提供的分辨率在最好情况下达到约十分之几度。
发明内容
因此，需要至少解决上述问题中的一些问题的新的温度测量设备和制造这样的温度测量设备的方法。本发明的目的是满足所述需要。
根据第一方面，上述目的通过提供一种包括磁性金属材料的薄膜片的温度测量设备来实现，所述薄膜片由多个区域形成并且所述多个区域中的每个区域包括电压读取装置；使得在操作中并且在存在施加的磁场的情况下，所述多个区域中的一个区域中的温度变化在所述一个区域中产生电压(即，在所述一个区域中引起电势的变化)，所述电压能够通过对应于所述一个区域的电压读取装置来读取。
以该方式，获得简单且高效的温度测量设备(即，不需要复杂的电路)。此外，因为薄膜片被划分成多个区域，所述多个区域中的每个区域均包括用于当所述区域中发生温度变化时获得电压测量值的读取装置，所以温度测量设备能够检测在非常局部的点处的小的温度变化。
另一方面，不需要任何特殊的膜沉积(这适于要测量温度的表面)，并且可以使用任意类型的铁磁金属材料。
此外，上述温度测量设备是可以使用传统技术并以降低的成本来制造的简单设备。本发明的设备对象的另一优点是可以针对温度测量获得空间分辨率。
为了在薄膜片中获得多个区域，如下文将描述的，必须通过光刻处理、掩模等将薄膜片进行划分。
基本上，设备的操作的技术描述基于以下前提。
可以通过一对动力学方程来描述电子导体中的电荷传递和热传递的基本系数，在所述动力学方程中电流和热流与它们的对应共轭力即电场E和热梯度▽T是线性相关的。由于电流J和热U可以互相作用，所以定义了如下传输矩阵：其中，在对角线之外的元素通过昂萨格-开尔文(Onsager-Kelvin)倒易关系而相关联。该传输矩阵以热电为基础，通过珀尔帖(Peltier)系数提供了U与J之间的关系。
磁性金属材料群的具有上/下磁自旋矩(术语“自旋”被理解为基本粒子或原子核的固有转矩)特性的电子的不同态密度和费米速度对于相反自旋方向而言产生不同的导电率。当自旋弛豫时间大于矩的弛豫时间时，必须在迁移方程中考虑自旋相关部分。因此，存在基于昂萨格(Onsager)倒易的取决于自旋的塞贝克(Seebeck)系数和珀尔帖(Peltier)系数。另一方面，在磁性导体中，自旋轨道相互作用引入各向异性热电电压，作为温度梯度与材料的磁化强度M之间的角度Θ的函数。这些是各向异性磁阻(anisotropicmagnetoresistance,AMR)和平面霍尔效应(planar Halleffect,PHE)的热对应部分(thermal counterparts)(昂萨格倒易)。在平面能斯特效应(planar Nernst effect,PNE)中，横向电压通过下式与磁化强度M和角度Θ相关：
其中，M和具有在xy平面中的分量。然而，磁性金属材料中的将由于异常能斯特效应(anomalous Nerst effect,ANE)而产生电势差Vxy：
其中，Sxx是线性塞贝克系数，是磁化强度的单位矢量，以及ξ是能斯特系数。因此，在存在磁场的情况下，在磁性金属材料的薄片上产生平面能斯特效应和异常能斯特效应。
如在ANE方程中可见，其中温度差与其磁化强度成比例的系统产生与磁化强度和温度差二者垂直的电压(参见图2)
因此，对区域中的电压(即，由于区域中的温度变化而引起的区域中的电势变化)的测量还使得可以确定其中发生温度变化的位置(更准确地，薄膜片的区域)。
因为塞贝克系数在铁磁金属中处于微伏特每开尔文的量级，并且能斯特系数通常在0.1与0.5之间变化，所以可以求解微开尔文量级的温度变化，从而产生一微伏特分数量级的电压(tension)，其中温度变化可以用对应的读取装置来读取。
此时，重要的是注意，所施加的磁场可以平行于薄膜的平面或者至少尽可能平行于设备的取向，并且可以具有大于1900A/m的值。
根据一些示例，在设备中包括的薄膜片的厚度可以在10nm至100nm的范围内。
另一方面，薄膜片的磁性金属材料可以选自：
·半金属磁性材料；
·钙钛矿氧化物材料；
·坡莫合金型合金；
·镍铬合金；
·室温下的金属铁磁性元素。
半金属磁性材料可以选自La2/3Sr1/3MnO3、La2/3Ca1/3MnO3、Fe3O4，而铁磁性金属元素可以选自Fe、Ni。
根据其他示例，用于读取电压的读取装置可以在每个区域中包括金属材料的沉积物(例如，金属触点)。这些沉积物使得能够测量由在薄膜片中产生的温度变化在薄膜片中(更准确地是在薄膜片的发生该温度变化的区域中，其中温度变化引起电压的产生)产生的电压，即薄膜片中的局部温度变化在这些沉积物(它们可以具有例如金属触点的形状)中产生待测量的电压。沉积物可以在薄膜片上形成规则的阵列。
因此，这些电压读取装置可以针对每个区域具有例如多个金属触点(至少两个)的配置，在金属触点处可以连接导线(例如，由铜制成)，金属触点通过导线的其他端可以连接至例如毫微伏特计或类似设备以确定区域中的电压变化。
根据一些示例，沉积物可以是选自铂、金、钯、银、铜、铝的材料。另外，沉积物可以是点状沉积物(punctual deposition)，并且同一区域的沉积物之间的间隔可以在微米至毫米的范围内。
根据其他示例，温度测量设备还可以包括在其上设置磁性金属材料的薄膜片的衬底。
根据另外的示例，还提供了一种用于测量粒子的碰撞点的系统，该系统可以包括：上述温度测量设备；以及动能吸收材料片，其被配置成将动能转换成温度变化(即，该动能吸收材料片在温度测量设备中产生局部温度变化)。
基本地，当粒子碰撞到动能吸收材料片上时，该动能吸收材料片将粒子的能量转换成温度变化，该温度变化在薄膜片的与动能吸收材料片中的粒子碰撞点相接触的对应区域中产生电压，其中通过对应的电压读取装置(存在于区域中的那些电压读取装置)可以读取或获得由于粒子的碰撞而产生的电压值。另外，还可以确定粒子在薄膜片上的碰撞点(即，薄膜片中已经受到粒子碰撞的区域)，这是因为该区域提供了非零电压值，而薄膜片的剩余区域具有零电压值。因此，可以获得使得能够以简单且廉价的方式来确定粒子撞击或碰撞的位置的系统。
根据另外的示例，本发明提供了一种测量辐射束的碰撞点的系统，包括：上述温度测量设备；以及辐射吸收材料片，其被配置成将辐射束的能量转换成热(即，该辐射吸收材料片在温度测量设备中引起局部温度变化)。
以与上述系统相同的方式，当辐射束碰撞到辐射吸收材料片上时，辐射吸收材料片将辐射束的能量转换成温度变化(例如，转换成热)，该温度变化在薄膜片的与辐射吸收材料片中的受到辐射束碰撞的点相接触的对应区域中产生电压。通过对应区域的电压读取装置(存在于区域中的那些电压读取装置)，可以确定由于辐射束碰撞而产生的电压值。此外，还可以确定辐射束在片上的碰撞点(即，片中已经受到辐射束碰撞的区域)，这是因为该区域提供了不为于零的电压值，而薄膜片的剩余区域具有零电压值。因此，可以获得使得能够简单且廉价地确定辐射束碰撞的位置的系统。
此时，重要的是注意，可以例如通过激光来产生辐射束。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造温度测量设备的方法，该方法包括：
·提供包括前体阳离子和聚合物的水溶液；
·通过沉积处理将水溶液沉积在衬底上；
·使衬底经受加热处理；以及
·在衬底中生成多个金属沉积物(4)。
根据一些示例，沉积处理可以是物理真空沉积处理，该物理真空沉积处理可以选自：
·旋转涂布；
·溅射；
·原子层沉积；
·脉冲激光沉积(PLD)。
另外，在衬底中生成多个金属沉积物的步骤包括：
o在衬底上沉积金属；
o向衬底施加掩模；以及
o应用光刻处理以在衬底上获得多个点状金属沉积物。
如上所述，金属点沉积物可以是金属触点。
在水溶液中包括的前体阳离子可以选自La、Sr、Ca、Mn、Fe、Cr、Ni；并且其浓度可以在毫摩尔范围内。
另一方面，聚合物可以选自水溶性PEI(聚乙烯亚胺)聚合物或壳聚糖聚合物；并且其浓度可以在毫摩尔范围内。
根据一些示例，在其上沉积水溶液的衬底可以是磁性金属材料，磁性金属材料可以选自：
·半金属磁性材料；
·钙钛矿氧化物材料；
·坡莫合金型合金；
·镍铬合金；
·室温下的金属铁磁性元素。
磁性半金属材料可以选自La2/3Sr1/3MnO3、La2/3Ca1/3MnO3、Fe3O4，而铁磁性金属元素可以选自Fe、Ni。
根据另外的示例，使衬底经受加热处理的步骤可以包括：使衬底经受温度被设置在600℃至900℃的范围内的加热处理。
根据再另外的示例，沉积物可以是选自铂、金、钯、银、铜、铝的材料。
本发明的实施方式的其他优点和特征对于本领域技术人员而言根据说明书将变得明显，或者可以从本发明的实践中获知。
附图说明
参照附图通过非限制性示例来描述本发明的特定实施方式，在附图中：
图1示出根据本说明书的温度测量设备的示例。
图2示出通过热梯度产生的作为磁场H的量值的函数的电压差的变化的图形表示。
图3示出通过温度梯度产生的电压V的通过改变施加的磁场H而发生的变化的图形表示。
具体实施方式
如图1中可见，根据一些示例，温度测量设备(1)可以包括磁性金属材料的薄膜片(2)。该薄膜片(2)可以由多个区域(3)形成，这些区域中的每个区域在区域中包括电压读取装置(4)。因此，当设备(1)在操作中并且在存在施加的磁场的情况下时，在多个区域(3)中的一个区域中的温度变化产生电压(即，温度变化在所述一个区域中引起电势变化)，该电压能够通过对应区域的电压读取装置来读取。
薄膜片(2)的磁性金属材料可以选自：
·半金属磁性材料；
·钙钛矿氧化物材料；
·坡莫合金型合金；
·镍铬合金；
·室温下的金属铁磁性元素。
磁性半金属材料可以选自La2/3Sr1/3MnO3、La2/3Ca1/3MnO3、Fe3O4，而铁磁性金属元素可以选自Fe、Ni。
另一方面，片(2)的厚度可以在10nm至100nm的范围内。
根据一些示例，所施加的磁场可以平行于设备的取向并且可以具有大于1900A/m的值。
对应区域的电压读取装置(4)可以具有多个电触点(例如，两个)的配置，所述多个电触点中的每个电触点可以连接至导线(例如，铜线)的端部。导线的另一端可以连接至毫微伏特计等(未示出)以测量区域中的电压变化。
基本地，图1还示出了当温度测量设备(1)形成用于确定辐射束或粒子的碰撞点的系统的一部分时温度测量设备(1)的操作，在所述系统中引入片(5)，片(5)将粒子的动能转换成温度变化(在该情况下，片(5)可以是动能吸收材料片)或者将辐射束的能量转换成热(在该情况下，片(5)可以是辐射吸收材料片)，从而产生梯度或温度变化(6)。该温度梯度(6)在存在磁场(7)的情况下产生电压(8)，电压(8)被测量并且使得能够确定辐射或粒子的碰撞点。
在一些示例中，沉积具有5mm×5mm的边尺寸的铁磁金属氧化物La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)的35nm厚的层。通过脉冲激光沉积(PLD)将该层沉积在0.5mm厚的单晶SrTiO3(STO)衬底上。
在LSMO膜的一端，通过蒸发来沉积4mm长、100微米宽和10nm厚的Pt线。为了确定或测量响应于热梯度的产生而产生的电压，如上所述，通过铜线将铂线的端部连接至毫微伏特计以确定电压变化。
顶部具有LSMO层的STO被布置在内部具有陶瓷电阻的铜块上，陶瓷电阻用于改变温度并且因此在LSMO膜的底部与顶部之间产生热梯度。另外，系统经受10-5托的基础压力，以避免可引起寄生梯度的不受控的热梯度，该寄生梯度会影响测量值。
向铜块中的电阻器施加电流，以增加基部的温度从而产生穿过LSMO膜的热梯度。当非常小的功率被耗散(几个mW)时，固定至铜基的GaAs二极管不能检测温度的任何变化。然而，如图3中可见，在执行磁场扫描的情况下，出现了由于异常能斯特效应(ANE)而产生的铂带端部之间的横向电压。如根据ANE方程预期的，在改变磁场时该电压改变符号。一旦达到LSMO系统的饱和磁化强度，则电压随着磁场而稳定。另外，电压随着穿过LSMO层的热梯度线性地增加。对于所示出的示例，估计的温度变化在35nm LSMO层的顶部与底部之间是2微开尔文。
虽然在此仅描述了一些特定实施方式和示例，但是本领域技术人员将认识到不但其他替选实施方式和/或用途是可能的，而且明显的修改和等效元素是可能的。另外，本公开包含已经描述的特定实施方式的所有可能组合。与附图有关的并且置于权利要求的括号中的附图标记仅意在增加对权利要求的理解，而并不应被理解为限制权利要求的保护范围。本公开的范围不应限于特定实施方式，而是应当仅通过对所附权利要求的适当阅读来确定。

Claims (25)

1.一种温度测量设备(1)，其特征在于包括：
·磁性金属薄膜片(2)，所述磁性金属薄膜片由多个区域(3)形成，并且所述多个区域中的每个区域包括电压读取装置(4)，所述电压读取装置在所述每个区域中包括金属材料沉积物；
使得在操作中并且在存在施加的磁场(7)的情况下，所述多个区域中的一个区域中的温度变化(6)在所述一个区域中产生电压(8)，所述电压能够通过对应于所述一个区域的电压读取装置(4)来读取。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述片(2)的厚度在10nm至100nm的范围内。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的设备，其特征在于，所述片(2)的磁性金属材料选自：
·半金属磁性材料；
·钙钛矿氧化物材料；
·坡莫合金型合金；
·镍铬合金；
·室温下的金属铁磁性元素。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述半金属磁性材料选自La2/3Sr1/3MnO3、La2/3Ca1/3MnO3、Fe3O4。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述金属铁磁性元素选自Fe、Ni。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述沉积物(4)由选自铂、金、钯、银、铜、铝的材料制成。
7.根据权利要求1或6中任一项所述的设备，其特征在于，所述沉积物(4)是点状沉积物。
8.根据权利要求6和7中任一项所述的设备，其特征在于，同一区域的沉积物之间的间隔在微米至毫米的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括在其上沉淀所述磁性金属薄膜片(2)的衬底。
10.一种用于测量粒子的碰撞点的系统，其特征在于包括：
·根据权利要求1至9中任一项所述的温度测量设备(1)；以及
·由动能吸收材料制成的片(5)，所述片(5)被配置成将粒子的动能转换成温度变化。
11.一种用于测量辐射束的碰撞点的系统，其特征在于包括：
·根据权利要求1至9中任一项所述的温度测量设备(1)；以及
·由辐射吸收材料制成的片(5)，所述片(5)被配置成将辐射束能量转换成热。
12.一种用于制造温度测量设备(1)的方法，其特征在于包括：
·提供包括前体阳离子和聚合物的水溶液；
·通过沉积处理在衬底上沉积所述水溶液；
·使所述衬底经受加热处理；以及
·在所述衬底中生成多个金属沉积物(4)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述沉积处理是物理真空沉积处理。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述物理真空沉积处理选自：
·旋转涂布；
·溅射；
·原子层沉积；
·脉冲激光沉积(PLD)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底中生成多个金属沉积物(4)包括：
o在所述衬底上沉积金属；
o向所述衬底施加掩模；以及
o应用光刻处理以在所述衬底上获得多个点状金属沉积物。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述前体阳离子选自La、Sr、Ca、Mn、Fe、Cr、Ni。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合物选自PEI水溶性聚合物或壳聚糖。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述前体阳离子的浓度在毫摩尔范围内。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合物的浓度在毫摩尔范围内。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底由磁性金属材料制成。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述磁性金属材料选自：
·半金属磁性材料；
·钙钛矿氧化物材料；
·坡莫合金型合金；
·镍铬合金；
·室温下的金属铁磁性元素。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述半金属磁性材料选自La2/3Sr1/3MnO3、La2/3Ca1/3MnO3、Fe3O4。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述金属铁磁性元素选自Fe、Ni。
24.根据权利要求12至23中任一项所述的方法，其特征在于，使所述衬底经受加热处理包括：使所述衬底经受温度被设置在600℃至900℃的范围内的加热处理。
25.根据权利要求12至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述沉积物(4)由选自铂、金、钯、银、铜、铝的材料制成。
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