CN108801489B - 温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度传感器，包括温度传感器探头和数据采集元件，温度传感器探头包括感温碳纳米材料层、导热基体和封装外壳，其中感温碳纳米材料层设置于导热基体上，并封装于封装外壳内部，封装壳体和感温碳纳米材料之间为绝热层，导热基体的至少一部分裸露于封装外壳外部，感温碳纳米材料层中的至少两部分作为电极分别与电路采集元件电连接。本发明还提供了其制备方法：在导热基体的表面修饰感温碳纳米材料层，然后将感温碳纳米材料层的至少两部分与电路采集元件分别进行电连接，再将感温碳纳米材料层封装于封装外壳内部，并在所述感温碳纳米材料层与封装外壳之间填充绝热层，且导热基体的至少一部分裸露于封装外壳外部，形成温度传感器。

Description

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，尤其涉及一种温度传感器及其制备方法。

背景技术

温度传感器在人体体温计等各种温度检测装置中具有重要应用。温度检测一般分为非接触式的和接触式两种，非接触式如红外测温法测量速度快，但是其精度差，环境因素(蒸汽、尘土、烟雾)对准确度影响较大，并且价格昂贵，并且无法实现连续温度测量。

接触式的温度检测常用电阻温度计、温差电偶、半导体热敏电阻等，这些接触式温度检测是通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值表示被测对象的温度。目前接触式温度计达到热平衡所需时间较长(＞1min)，为了实现较为快速的测温需求(10s-1min)，需要在电阻采集板中集成传热平衡模型来预测被测试体温度。由于传热平衡模型无法准确描述被测对象的实际平衡情况，因此测试数据精度较差，并且对数据采集板要求较高。而且在被测对象温度随时间变化的场合，这些测温元件的滞后不能满足测温要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种温度传感器及其制备方法，制备方法灵活、简便，所制备的温度传感器快速响应温度变化，精度高等特点，可满足实际高精度、高响应速度的温度检测的要求。

在一方面，本发明提供了一种温度传感器，包括温度传感器探头和数据采集元件，所述温度传感器探头包括设置有感温碳纳米材料层的导热基体以及封装外壳，其中所述感温碳纳米材料层封装于所述封装外壳内部，封装外壳和感温碳纳米层之间填充有绝热层，所述导热基体的至少一部分裸露于所述封装外壳外部，所述感温碳纳米材料层中的至少两部分作为电极分别与所述电路采集元件电连接。

进一步地，感温碳纳米材料层涂覆于导热基体表面。

进一步地，导热基体为金属片和/或导热高分子、导热陶瓷。优选地，金属片为铝、铁、钢等金属片；导热高分子为导热橡胶、导热塑料及高分子复合材料等，优选地，导热陶瓷为氧化铍、氧化铝等。

进一步地，导热基体具有导电性时，导热基体和感温碳纳米材料层之间还包括绝缘层。

绝缘层可选择绝缘高分子，如聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等。绝缘层的厚度优选为5nm-100μm。

进一步地，当导热基体不具有导电性时，如导热橡胶、导热塑料及高分子复合材料，导热基体和感温碳纳米材料层之间则可以不包括绝缘层。

进一步地，感温碳纳米材料层的组成材料为一维碳纳米管、二维石墨烯和二维纳米石墨片层中的一种或上述几种材料的二维/三维堆砌聚集体结构。

进一步地，感温碳纳米材料层的组成材料还可以为可碳化高分子碳化后的结构，碳化后的结构由聚酰亚胺、聚丙烯腈、木质素和纤维素中的一种或几种碳化后得来。可碳化高分子可以是合成高分子，也可以是天然高分子。当感温碳纳米材料层为可碳化高分子碳化后的结构，且导热基体具有导电性时，可以不预先在导热基体表面进行绝缘层的修饰，控制导热基体表面的可碳化高分子被碳化的厚度，使得导热基体与可碳化高分子之间留有未碳化部分即可，未碳化部分即可充当绝缘层。

进一步地，聚酰亚胺由聚酰胺酸热处理后得到。

进一步地，采用激光照射(激光书写)法得到可碳化高分子的碳化结构，激光照射过程中所使用的激光光源的波长为10nm-1mm。优选为193-1064nm。激光光源及其波长可依据高分子基体对激光的吸收能力，而作出不同的选择。

进一步地，激光照射时的功率为200mW-10W。优选为500mW-1W。

进一步地，绝热层可为空气、真空气氛，也可以为绝热的填充物，优选的绝热层的热传导系数为0.003-0.04W/m-K。

优选地，导热基体的厚度为50μm-2mm；感温碳纳米材料层的厚度为10nm-50μm。

进一步地，数据采集元件为电阻数据采集元件。

进一步地，电阻数据采集元件为恒定电流源或恒定电压源。

进一步地，根据碳纳米材料微纳尺寸和电子结构的调控，感温碳纳米材料层对温度的电阻响应，可以是负温度系数(NTC，随温度升高，电阻下降)，也可以是正温度系数(PTC，随温度升高，电阻上升)。

在另一方面，本发明还提供了一种上述温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

在所述导热基体的表面修饰所述感温碳纳米材料层，然后将感温碳纳米材料层的至少两部分与电路采集元件分别进行电连接，再将感温碳纳米材料层封装于封装外壳内部，并在感温碳纳米材料层与封装外壳之间填充绝热层，且导热基体的至少一部分裸露于所述封装外壳外部，形成温度传感器。

进一步地，绝热层可为空气、真空气氛，也可以为绝热的填充物，优选的绝热层的热传导系数为0.003-0.04W/m-K。

进一步地，导热基体的表面设置感温碳纳米材料层之前，还需经过预处理，预处理包括对基体的抛光、打磨、清洗或绝缘处理。

当导热基体具有导电性时，需要对导热基体的表面进行绝缘处理，当导热基体不具有导电性时，可不进行绝缘处理。

绝缘处理所使用的材料为绝缘高分子，如聚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等。

在导热基体的表面设置感温碳纳米材料层后，二者相互结合，结合指的是感温碳纳米材料层与导热基体以化学键结合或者感温碳纳米材料涂覆于导热基体表面，或渗透到导热基体内部。

进一步地，设置方法可以是通过将碳纳米材料的溶剂分散体系涂覆到导热基体上，碳纳米材料为一维碳纳米管、二维石墨烯和二维纳米石墨片层中的一种或上述几种材料的三维堆砌聚集体结构；也可以是通过预先涂覆可碳化高分子，通过激光照射部分可碳化高分子获得碳纳米材料的三维堆砌聚集体，可碳化高分子可以是合成高分子，也可以是天然高分子。

进一步地，碳纳米材料的溶剂分散体系中的溶剂可以是水，也可以是乙醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等有机溶剂。

进一步地，将碳纳米材料分散到溶剂中的办法可以是超声破碎，也可以是高速剪切。

进一步地，将碳纳米材料分散体系或可碳化高分子涂覆到基体上的方法可以是滴涂、旋涂、喷涂或浸涂。

进一步地，电连接使用银胶固化法或焊接法进行连接，可以是两电极法，也可以是四电极法。银胶固化法是使用导线将感温碳纳米材料层中的至少两处分别与电路采集元件的两处电连接，并在连接处点导电银胶，然后加热固化导电银胶，固化温度为50-200℃。焊接法是使用焊锡进行焊接。

进一步地，封装所用的封装外壳可以是金属、陶瓷、塑料等具有固定形状的外壳，封装外壳中可以填充多孔高分子泡沫作为绝热层，泡沫材料可以是聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚氨酯等；也可以不加以填充。可以在大气气氛下封装，也可在真空气氛下封装。封装后，导热基体和感温碳纳米材料层被固定，不受外力影响。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明的温度传感器基于碳纳米材料温敏特性，可快速响应温度，精度高、感温碳纳米材料层的尺寸可为几十纳米级别，根据碳材料的电子传输特性的不同，其在受到温度变化后，可由于电子在纳米片层中的运动能力或在边缘处和缺陷处的跃迁等机制引起材料电阻变化。

本发明的制备方法，材料及工艺成本低、对基体选择灵活、普适性强；设计灵活、制作简便，加工手段可自动化，工艺可控性好。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明温度检测传感器的剖面结构示意图；

图2是本发明温度检测传感器的俯视结构示意图(未图示封装所用封装外壳)；

图3是本发明实施例1中制备的温度检测传感器的导热基体与感温碳纳米材料层的示意图；

图4是本发明实施例1中制备的温度检测传感器与商品化的热敏电阻体温计对人体温度的实时检测图；

图5是本发明实施例2中制备的温度检测传感器的电阻随时间变化图；

图6是本发明实施例3中制备的温度检测传感器电阻随时间变化图；

图7是本发明实施例4中加热腔中的温度变化图；

图8是本发明实施例4制备的温度检测传感器在图7所示的温度变化下的电阻变化图；

附图标记说明：

1-导热基体；2-感温碳纳米材料层；3-封装外壳；4-导线；5-电路采集元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的温度检测传感器包括温度传感器探头和电路采集元件，温度传感器探头包括导热基体1、感温碳纳米材料层2和封装外壳3，感温碳纳米材料层2涂覆于导热基体1的表面，且感温碳纳米材料层2封装于封装外壳3内部，封装外壳3内部填充有绝热层，绝热层可为空气、真空气氛，也可以为绝热的填充物，绝热层的热传导系数优选为0.003-0.04W/m-K。导热基体1的至少一部分裸露于封装外壳3外部，该裸露部分用于与待检测温度表面相接触。封装外壳3与导热基体1的连接方式可根据情况进行选择，具体地，参见图1，二者有两种连接方式。图1a中，封装外壳3未覆盖导热基体1的全部上表面，图1b中，封装外壳3覆盖了导热基体1的全部上表面。

感温碳纳米材料层2中的至少两部分作为电极分别与电路采集元件5电连接。参见图2，在本发明一具体实施例中，可在感温碳纳米材料层2中选择两点，然后利用导线4将其与外部的电路采集元件5电连接。电路采集元件5优选为电阻数据采集板。

实施例1

利用市售的单壁碳纳米管作为温敏材料。以铝片作为导热基体1，厚度为0.16mm。

首先在对铝片进行绝缘处理，在铝片上表面修饰一层高分子层，具体方法如下：

在铝片表面旋涂质量分数为10％的聚酰胺酸溶液，旋涂的程序设定为分别为1000转/分钟30s，3000转/分钟30s，将旋涂好的铝板在100℃下加热5min，150℃加热5min，除去部分溶剂，形成高分子层。然后在高分子层上表面复合由温敏材料组成的感温碳纳米材料层2，感温碳纳米材料层2为连续结构(正方形)，具体方法如下：

在160℃下，在高分子层上喷涂0.01wt％的碳纳米管的水溶液，利用掩模喷涂尺寸为5mm×5mm的碳纳米方形薄层。将上述器件在300℃下加热1小时，使聚酰胺酸充分交联为聚酰亚胺，形成绝缘层；后在去离子水中浸泡12小时除去碳纳米管中的表面活性剂。后在室温下自然晾干，得到如图3所示的器件，图3中，颜色较深的正方形即为感温碳纳米材料层2。在感温碳纳米材料层2上选择两点，利用导电银漆固定导线形成传感器的电极，于150℃下加热5min使导电银漆固化，然后将导线分别与电阻数据采集板连接，使用有机玻璃作为封装外壳，将封装外壳盖设于感温碳纳米材料层2的上方，使其位于外壳内，且保证导热基体1的一部分裸露于封装外壳外部，采用环氧进行封装，封装外壳内的空气作为绝热层，得到本发明的温度传感器。

对上述获得的温度检测传感器进行人体体温测试，测试位置为手腕处，将裸露于封装外壳外部的导热基体1与手腕接触，然后记录电阻数据采集板采集到的数据。如图4a，4b分别为商品化产品热敏电阻体温计和本实施例制备得到的传感器对温度检测的响应。从图中可以看出，本实施例获得的温度传感器电阻随温度的实时变化，平衡时间为2-3s。如图所示，与现有商品化的热敏电阻体温计相比，本工作制备的碳纳米管温度传感器响应仅为2-3s，从而实现了人体温度的实时快速的高精度测定。

实施例2

利用市售的纳米石墨片作为温敏材料。以铝片作为导热基体，厚度为0.16mm。

首先在对铝片进行绝缘处理，在铝片上表面修饰一层高分子层，具体方法如下：

在铝片表面旋涂质量分数为10％的聚酰胺酸溶液，旋涂的程序设定为分别为1000转/分钟30s，3000转/分钟30s，将旋涂好的铝板在100℃下加热5min，150℃加热5min，除去部分溶剂，形成高分子层。然后在高分子层上表面复合由温敏材料组成的感温碳纳米材料层，感温碳纳米材料层为连续结构(正方形)，具体方法如下：

在160℃下，在高分子层上喷涂0.01wt％的纳米石墨片的水溶液，其余操作按照实施例1进行，得到如图3所示的器件。在感温碳纳米材料层2上选择两点，按照实施例1的方法制备电极。使用对苯二甲酸乙二醇酯作为封装外壳，使用环氧封装，封装外壳中填充聚氨酯泡沫隔热(绝热层)，得到本发明的温度传感器。对上述获得的温度检测传感器进行测试。如图5为本实施例制备得到的传感器对温度的检测结果，测试时，在350s之内，温度从25℃上升到50℃，图5表明，在上述测试条件下，传感器电阻随温度上升而下降，电阻与温度具有良好的线性关系。

实施例3

利用聚酰亚胺作为温敏材料，组成连续结构的感温碳纳米材料层。以铝片作为导热基体。本实施温度传感器的制备方法如下：

首先在厚0.16mm铝片上旋涂1.5g前驱体溶液，其为聚酰胺酸的N,N’-二甲基乙酰胺溶液，形成聚酰胺酸-铝片复合基体。对旋涂后的聚酰胺酸-铝片复合基体进行热处理，具体是在100℃下除水0.5h，然后在150℃下除溶剂1.5h，最后在300℃下进行热处理，使得聚酰胺酸酰胺化为聚酰亚胺，形成聚酰亚胺-铝片复合基体。将聚酰亚胺-铝片复合基体置于激光切割机中，进行激光扫描碳化，所使用的激光光源为CO₂激光，激光功率控制在1W，激光扫描速度为15mm/s，在5mm×5mm的正方形区域中，每隔0.125mm进行激光照射，激光照射区域沿一个方向延伸，形成碳纳米线，由于激光照射区域具有一定的宽度，相邻的两碳纳米线相互接触，因此照射完成后，形成连续结构的感温碳纳米材料层。在感温碳纳米材料层上选择两点，按照实施例1的方法制备电极，使用聚氯乙烯作为封装外壳，使用环氧封装，封装外壳内的空气作为绝热层，得到本发明的温度传感器。

对上述获得的温度检测传感器进行测试。如图6为本实施例制备得到的传感器对温度的检测结果，测试时，在1200s之内，温度从25℃上升到100℃，图6表明，在上述测试条件下，传感器电阻随温度上升而下降，有良好的线性关系。

实施例4

按照实施例1的方法制备温度传感器，将温度传感器置于加热腔中，图7-8为在加热腔中本实施例制备得到的传感器对温度检测的响应测试结果。图7为加热腔内温度实时变化曲线，图8是本实施例获得的温度传感器电阻随温度的实时变化曲线，结果表明，本实施例制备的温度传感器为明显的基于NTC特性的温度传感器。

实施例5

按照实施例2的方法制备温度传感器，区别在于：以钢片作为导热基体，封装外壳内填充隔热的聚氨酯泡沫作为绝热层。对本实施例制备得到的传感器对温度检测，传感器电阻随温度上升而下降，温度与电阻有良好的线性关系。

实施例6

按照实施例3的方法制备温度传感器，区别在于：以钢片作为导热基体，封装外壳内填充隔热的聚氨酯泡沫作为绝热层。对本实施例制备得到的传感器对温度检测，传感器电阻随温度上升而下降，温度与电阻有良好的线性关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种温度传感器，其特征在于：包括温度传感器探头和数据采集元件，所述温度传感器探头包括涂覆有感温碳纳米材料层的导热基体以及封装外壳，其中所述感温碳纳米材料层封装于所述封装外壳内部，所述封装外壳和感温碳纳米材料层之间填充有绝热层，所述导热基体的至少一部分裸露于所述封装外壳外部，所述感温碳纳米材料层中的至少两部分作为电极分别与所述数据采集元件电连接。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述导热基体具有导电性时，所述导热基体和感温碳纳米材料层之间还包括绝缘层。

3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于：所述导热基体为具有导电性的金属片。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述导热基体不具有导电性，所述导热基体为高分子或导热陶瓷。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述感温碳纳米材料层为一维碳纳米管、二维石墨烯和二维纳米石墨片层中的一种或上述几种材料的二维或三维堆砌聚集体结构。

6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述感温碳纳米材料层为碳化后的高分子层，所述碳化后的高分子层由聚酰亚胺、聚丙烯腈、木质素和纤维素中的一种或几种碳化后得来。

7.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：所述数据采集元件为电阻数据采集元件。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述导热基体的表面修饰所述感温碳纳米材料层，然后将所述感温碳纳米材料层的至少两部分与数据采集元件分别进行电连接，再将所述感温碳纳米材料层封装于所述封装外壳内部，并在所述感温碳纳米材料层与封装外壳之间填充绝热层，且所述导热基体的至少一部分裸露于所述封装外壳外部，形成所述温度传感器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述导热基体的表面修饰所述感温碳纳米材料层之前还包括在所述导热基体的表面修饰绝缘层的步骤。

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