CN109103324A - 一种热感生电压材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热感生电压材料及其应用，属于横向热电材料及器件技术领域。本发明选择(Ca/Sr)3Co4O9或者(Ca/Na)xCoO2（x=0.52‑0.8）薄膜作为热感生电压材料。本发明所述热场或热流体感生电压材料信号响应率高，不需要建立热平衡，故响应时间快，信号重复性和线性关系好；直接利用热源或热场加热导致的热感生电压薄膜的温度梯度转换为较大的热电电压信号，无时间项，抗干扰能力强，无需电源驱动，无需制冷和放大，可以用来制作一些灵敏快速的热感生电压探测元件；且温度和热电势方向垂直，可以独立调制维度和方向，易于制备成阵列，探测瞬态热场或热流，相比于目前的器件具有很大突破和优势，应用于脉冲或连续热信号探测、瞬态热场和热流体探测的工业、军事领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种热感生电压材料及其应用，属于横向热电材料及器件技术领域。
背景技术
目前，接触式热场和热流传感器是热阻式的，根据热阻层与温度关联的物理量(温度梯度、热容量、电阻、热电势等)， 主要分为热电阻型和热电型；热阻层对热量的吸收和热平衡会对热场造成一定破坏，带来测量误差和响应时间。热电阻型传感器是基于金属或半导体的电阻和温度的一一对应关系，通过测量金属或半导体探测元件的电阻来判断温度，这类探测器需要电源驱动，在恒定电流或恒定电压下获得电阻值而判断温度，响应速度慢，最快ms量级。热电型传感器，主要有线绕式、半导体式、超薄式（Gardon计），是由热场或热流体扫过或冲击热电材料元件（热阻层）加热，带来温度梯度而产生的热电势来标定温度或热流密度，不需要电源驱动，但需要水冷等制冷部件，热电势与温度梯度方向相同；通常，为了获得大的输出信号需要将众多热电偶串联起来形成热电堆，体积增大，信号大，能反映多个信号的平均特性，响应时间在0.1s~20ms量级；而实际上，在温度梯度方向上的有限空间里设计冷端、热端、电极并带制冷部件，器件复杂，难以制备成阵列。上述传感器都比较复杂，探测元件维度较大，热阻大，对热场有一定破坏，即使最薄的薄膜型0.5mm，也会带来测量偏差，响应速度慢，难以制造成阵列，难以捕捉真实的热场，特别是动态瞬时热信号。因此，寻找新原理（横向热电原理）、新的高响应率和快响应速度的热感生电压材料就显得非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高响应率和快响应速度的热感生电压材料，其电压信号响应率达到0.80mV/W/cm2，响应时间达到us量级；具体方案为：选择(Ca /Sr) 3Co4O9或(Ca/Na)xCoO2（x=0.52-0.8）薄膜作为热感生电压材料。
本发明所述(Ca /Sr) 3Co4O9或(Ca/Na)xCoO2 薄膜的制备方法为：利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5o~30o的α-Al2O3、SrTiO3 或LaAlO3单晶衬底上，生长厚度为50 ~ 500nm的(Ca /Sr) 3Co4O9，(Ca/Na)xCoO2薄膜。
本发明所述热感生电压材料用于制备热流探测元件的方法，具体为：在薄膜面内的倾斜方向上制备两个相隔一定距离的电极，电极之间的薄膜上依次镀吸收层和保护层，电极两端接出引线到同轴电缆，接到高频电信号采集系统上；当连续或脉冲热源辐射或传导到薄膜表面，或热流扫过薄膜表面，则在两电极之间能测到热源产生的电压信号；在薄膜表面的倾斜方向上获得响应时间小于50us，电压信号mV量级，由高频电信号采集系统采集到该电压信号。
本发明所述两个电极之间的距离大于2mm。
本发明的原理：层状结构(Ca /Sr)3Co4O9，(Ca/Na)xCoO2具有明显的结构和输运性质的各向异性，如热电势，电导率、热导率等，通过选择Ca或Sr，或者x=0.52-0.8范围内改变，获得具有不同输运性质和各向异性的材料，来调制信号响应率和响应速度，也可以通过改变薄膜倾斜角和厚度来调制信号响应率和响应速度；利用脉冲激光沉积技术在倾斜的SrTiO3单晶衬底上生长外延薄膜，基于原子层热电堆材料晶体薄膜的横向热电效应，热源辐射薄膜表面，会在厚度方向产生温度梯度，由于热电输运张量的各向异性，在薄膜面内的倾斜方向上产生一个mV量级的电压信号。
热感生电压公式可以表示为：
（1）
在（1）式中V为薄膜在衬底倾斜方向上的感生电压；l为薄膜接受热（光）辐射的有效长度，d为薄膜厚度；ΔS=（Sab-Sc），Sab、Sc分别为ab面和c轴的Seebeck系数；ΔT为薄膜在衬底倾斜方向形成的温度梯度；θ为单晶衬底法向与（001）轴之间的夹角，即倾斜角。
本发明所述热流探测元件在氙灯或高压汞灯照射下的电压信号响应率可以达到0.80mV/W/cm2以上，响应时间小于50us，在黑体、电吹风或太阳光照射下具有略低的响应率；室温下工作，器件简单，工作流程简便，工作动态范围宽，节约能源。基于横向热电效应，电压信号是由温差引起，不需要建立热平衡，没有时间项，抗干扰能力强，且薄膜元件热容量小，基本不破坏热场，能够真实探测瞬态热场或热流，且测量动态范围大；温度梯度和热电势方向垂直，探测元件的维度和方向可以独立调制，易于设计成阵列。
本发明的有益效果是：本发明利用层状结构的(Ca /Sr) 3Co4O9，(Ca/Na)xCoO2薄膜制备热场或热流探测元件，其优点是不需要任何电源驱动，不需要制冷和信号放大，器件简单，节约能源，工作流程简略；薄膜厚度在nm级别，热容量和热阻微小，不需要建立热平衡，对热场的影响甚微，能反映真实的热场和瞬态变化，具有快响应速度和较高的电压信号响应率，信号的重复性和线性关系很好；由于温度梯度和薄膜表面的热电势电压方向垂直，膜表面的有效长度易于调制和制作电极引线，探测元件的维度和方向可以独立调制，易于设计成阵列，在器件设计和应用上有很大突破和优势。
附图说明
图1是层状Co基氧化物的热感生电压示意图，d为膜厚。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
在图1中选取NaxCoO2薄膜，其中x=0.6作为热感生电压材料；首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5°的SrTiO 3单晶衬底上生长厚度为200 nm的(Ca/Na)0.6CoO2薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔3mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.54mV/W/cm2。
实施例2
在图1中选取Na0.7CoO2薄膜，作为热感生电压材料；首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为10°的α-Al2O3单晶衬底上生长厚度为100nm的Na0.7CoO2薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.72mV/W/cm2。
实施例3
在图1中选取Ca0.5CoO2薄膜，作为热感生电压材料；首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5°的LaAlO3单晶衬底上生长厚度为500 nm的Ca0.5CoO2薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.58mV/W/cm2。
实施例4
在图1中选取Ca0.55CoO2薄膜作为热感生电压材料；首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为25°的SrTiO 3单晶衬底上生长厚度为250nm的Ca0.55CoO2薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.92mV/W/cm2。
实施例5
在图1中选取Ca0.62CoO2薄膜作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为15°的SrTiO 3单晶衬底上生长厚度为300nm的Ca0.62CoO2薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.87mV/W/cm2。
实施例6
在图1中选取Ca3Co4O9薄膜作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为10°的SrTiO 3单晶衬底上生长厚度为80nm的Ca3Co4O9薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.88mV/W/cm2。
实施例7
在图1中选取Ca3Co4O9薄膜作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为15°的SrTiO 3单晶衬底上生长厚度为200nm的Ca3Co4O9薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为0.95mV/W/cm2。
实施例8
在图1中选取Sr3Co4O9薄膜作为热感生电压材料。首先利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为30°的SrTiO 3单晶衬底上生长厚度为400nm的Sr3Co4O9薄膜；然后在薄膜面内的倾斜方向上相隔4mm制备两个电极，电极两端接出引线到同轴电缆，按照图 1 连接高频示波器；用氙灯或高压汞灯照射薄膜表面，在薄膜面内的倾斜方向上获得电压信号mV，信号响应率为1.24mV/W/cm2。
表1.实施例1~8的信号响应率
。
Claims (4)
1.一种热感生电压材料，其特征在于：选择(Ca /Sr) 3Co4O9或者(Ca/Na)xCoO2薄膜作为热感生电压材料，其中，x=0.52-0.8。
2.根据权利要求1所述热感生电压材料，其特征在于，所述(Ca/Sr)3Co4O9或者(Ca/Na)xCoO2薄膜的制备方法为：利用脉冲激光沉积技术在倾斜角为5o~30o的α-Al2O3、SrTiO3 或LaAlO3的单晶衬底上生长厚度为50~500nm的(Ca /Sr) 3Co4O9或者(Ca/Na)xCoO2薄膜。
3.权利要求1或2所述热感生电压材料用于制备热流探测元件的方法，其特征在于：在薄膜面内的倾斜方向上制备两个电极，两个电极之间相隔一定距离，电极两端接出引线到同轴电缆，接到高频电信号采集系统上；当连续或脉冲热源辐射或传导到薄膜表面，或热流体扫过薄膜表面时，两电极之间信号采集系统能测到该电压信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：两个电极之间的距离大于2mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181228 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |