CN113340356A - 一种阵列式温度压力协同传感器及应用方法 - Google Patents

一种阵列式温度压力协同传感器及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开一种阵列式温度压力协同传感器及应用方法，属于传感器的技术领域。该阵列式温度压力协同传感器包括由不同对温度压力同时敏感的探测材料组成的探测阵列，该探测阵列中每个敏感的探测材料具有不同的电阻‑温度‑压力变化关系。该应用方法是通过选择具有不同阻‑温‑压变化关系的不同稀土元素的稀土镍基氧化物，从而建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，从而实现对环境中温度、压力的同时准确探测。本发明能够通过不同阻‑温‑压变化关系的特性建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，同时获取高压、宽温域等复杂环境中的温度、压力信息，其可应用于深海探索、深地探索等场景中的温度压力探测。

Description

一种阵列式温度压力协同传感器及应用方法
技术领域
本发明属于传感器的技术领域，涉及一种阵列式温度压力协同传感器及应用方法。
背景技术
发展能够适用于高压环境的新型传感器从而实现对高压复杂应用场景下温度、压力的协同式快速探测与传感，对于人类对深海、深地等未知领域探索至关重要。传统的温度传感器包括热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和红外温度传感器等。热敏电阻的测温原理是依据温度与电阻率的对应关系进行测量，其原理简单，精确度高，目前已经有广泛的材料体系，包括正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)和临界温度热敏电阻(CTR)。温度传感器应用非常广泛，在电力、通讯、材料、军事和航空航天等方面有着重要的应用。压力传感器种类众多，主要有压电式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器和光学压力传感器等。压力传感器的应用领域包括电子皮肤[1]、水下探测[2]、结构监测[3]等不同领域。温度传感器与压力传感器分别有着各自的材料体系，对于温度传感器中的热敏电阻材料，不同的温度范围分别由不同的材料，如低温范围内主要有尖晶石型氧化物MnO、CuO、NiO、Fe2O3、CoO等，常温范围主要有尖晶石型氧化物Cu-Mn-O、Co-Mn-O、Mn-Co-Ni-O系列材料等、高温范围则有萤石型氧化物ZrO2、尖晶石型氧化物MgO、钙钛矿型氧化物NiO以及刚玉型氧化物Al2O3等。压力传感器中的压敏电阻，主要的材料体系有低压段的ZnO、BaTiO3、TiO2、WO3等、高压段有ZnO、SnO2等。初步可见温度传感器与压力传感器所使用的材料体系没有明显的交叠，故同时对温度与压力进行测量需要寻找新的测量方法或者新的材料。
同时进行温度与压力的测量，具有重要的应用价值，如特殊区域或部件的状态监测、模拟生物皮肤、极端条件下的探索等领域，具体的应用诸如深海、深地探测[2]、柔性器件[4]、轮胎监测[5]等方面。有多种尝试将温度与压力传感相结合，如将温度传感器件与压力传感器件集成[5,6]、光纤式温度压力传感器[2,7-10]、多晶硅温度压力传感器[4,11]、有机导电泡沫温度压力传感器[12]、无线无源LC传感器[13]。不同的方式具有不同的温度与压力的测试范围，以及相应的局限，如在LiNbO3上集成的表面声波器件，可以稳定工作的温度和压力范围为25-250℃和0-42KPa[6]；光分布式光纤传感器的工作条件范围在10-110℃和0-20MPa[9]；而光子晶体光纤传感器可以达到更高的工作温度，但同时会降低压力测试的范围，在28-800℃和0-10MPa可以保持稳定[10]；多晶硅薄膜传感器可以作为柔性器件，在36.5-40.5℃和0-5MPa范围内进行测量[4]。
基于此，对于温度、压力的单独测量技术目前发展已较为成熟，而对于二者相协同的传感技术仍需要进一步探索。虽然对压力和温度进行同时测量的已有若干技术方案，但现有主要集中于较小温度范围和较低压力区间，而对于低温、高压等更为宽广的温压范围内的协同测量与传感技术尚属空白。
参考文献：
[1]F.Xu,X.Li,Y.Shi,L.Li,W.Wang,L.He,R.Liu,Recent Developments forFlexible Pressure Sensors:A Review,Micromachines(Basel),9(2018).
[2]X.Lei,X.Dong,C.Lu,T.Sun,K.T.V.Grattan,Underwater Pressure andTemperature Sensor Based on a Special Dual-Mode Optical Fiber,IEEE Access,8(2020)146463-146471.
[3]S.Sikarwar,Satyendra,S.Singh,B.C.Yadav,Review on pressure sensorsfor structural health monitoring,Photonic Sensors,7(2017)294-304.
[4]Z.W.C.H.Ahn,A WEARABLE PRESSURE AND TEMPERATURE SENSOR ARRAY USINGPOLYSILICON THIN FILM ON POLYIMIDE,201719th International Conference onSolid-State Sensors,Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS),IEEE,Kaohsiung,Taiwan 2017.
[5]王奇,集成温度压力传感器应用研究[D],中国科学院研究生院(电子学研究所),2006.
[6]Y.Zhang,Q.Tan,L.Zhang,W.Zhang,J.Xiong,A novel SAW temperature-humidity-pressure(THP)sensor based on LiNbO3 for environment monitoring,Journal of Physics D:Applied Physics,53(2020).
[7]K.T.V.Grattan,Sun,T,Optical-Fiber:Sensors Temperature and PressureSensors,MRS Bull.,27(2002)389–395
[8]D.C.Abeysinghe,Multiplexed sensor system for simultaneousmeasurement of pressure and temperature,Optical Engineering,43(2004).
[9]徐宁，戴明,分布式光纤温度压力传感器设计[J],中国光学,8(2015).
[10]江.刘天沐,崔洋,光子晶体光纤温度压力传感器[J],光子学报,49(2020).
[11]C.H.Ji,B.Z.Zhang,J.Zhang,X.H.Li,J.L.Liu,Design of Ultra LowTemperature Pressure and Temperature Sensor Structure,Applied Mechanics andMaterials,80-81(2011)693-697.
[12]L.P.M.H.I.Boudinov,Flexible Temperature-Pressure Organic Sensor,2019 34th Symposium on Microelectronics Technology and Devices(SBMicro),SaoPaulo,Brazil 2019.
[13]B.Lin,Q.Tan,G.Zhang,L.Zhang,Y.Wang,J.Xiong,Temperature andPressure Composite Measurement System Based on Wireless Passive LC Sensor,IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,70(2021)1-11.
发明内容
本发明解决的技术问题是目前的对压力和温度进行同时测量的技术方案主要集中于较小温度范围和较低压力区间，而对于低温、高压等更为宽广的温压范围内的协同测量与传感技术尚属空白。
为解决上述技术问题，本发明提出一种阵列式温度压力协同传感器，所述阵列式温度压力协同传感器包括由不同对温度压力同时敏感的探测材料组成的探测阵列，所述探测阵列中每个敏感的探测材料具有不同的电阻-温度-压力变化关系。
优选地，所述对温度压力同时敏感的探测材料为：稀土镍基氧化物或其它电阻率对温度、压力敏感的材料。
优选地，所述稀土镍基氧化物为ReNiO3，其中：Re为Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y中的至少一种。
优选地，所述其它电阻率对温度、压力敏感的材料包括VOx、ReFe2O4、(Re,Bi)NiO3、AFeO3、(La,Sr)(Nd,Ta)O3、NdGaO3、(Ca，Sr)2RuO4、中的至少一种；其中：Re为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、La中的至少一种，A为Ca、Sr、Ba中的至少一种。
一种权利要求所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，通过选择具有不同阻-温-压变化关系的不同稀土元素的稀土镍基氧化物，从而建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，从而实现对环境中温度、压力的同时准确探测。
优选地，所述每个敏感的探测材料的电阻-温度-压力变化关系需要先预先矫正并标定，其所对应映射记作fx(P,T)；x的范围为1-N，N为阵列探测器中探测单元的种类数；然后将所述探测阵列中的敏感的探测材料与环境接触，在环境中的温度、压力下读取每个敏感的探测材料的电阻值R1、R2、…RN，并构建方程组f1(P,T)＝R1、f2(P,T)＝R2、…fN(P,T)＝RN；最后求解前述方程组中的两个得到环境温度、压力；而其它方程组可用于拓宽阵列式温度压力协同传感器对温度、压力的测量范围，提供确认信息从而提高探测精度。
优选地，通过对用作敏感的探测材料的稀土镍基氧化物阵列中的稀土元素和其它电阻率对温度、压力敏感的材料设计，实现对探测温度、压力范围的调控进行调控设计，以及对探测灵敏度进行调控设计。
优选地，所述稀土镍基氧化物在金属绝缘体相变温度以下的绝缘体相具有负温度系数热敏电阻特性和负压系数压力电阻敏感特性，在临界压力或温度触发下，所述稀土镍基氧化物发生金属绝缘体相变。
优选地，所述金属绝缘体相变是在温度或压力超过临界值时发生，材料电阻率发生突变式降低；随后继续增加温度导致电阻率缓慢上升，继续增加压力导致电阻率缓慢下降。
优选地，在实际探测中，上述稀土镍基氧化物的金属绝缘体相变特性，应用于对环境中温度、压力范围的初步预判或估算；而上述稀土镍基氧化物绝缘体相应用与对环境中温度、压力范围的精准测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器应用于对深海、深地、油气、结构材料监控与设计等高压、高/低温应用场景，并实现对温度、压力的协同式快速探测与传感。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在300K-700K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在100K-400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在100K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在300-500K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50-150K、0-5GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50-150K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50K-300K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50-150K、0-15GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在200K-400K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在300K-500K、0-8GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
优选地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50K到400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
(1)本发明经过广泛而深入的研究，通过改进工艺，获得了一种稀土镍基氧化物阵列式温-压协同探测传感器及应用方法。
(2)本发明通过具有不同稀土元素的稀土镍基氧化物和其它对温度、压力敏感的材料具有不同阻-温-压变化关系的特性建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，从而实现对环境中温度、压力的同时探测。。
(3)本发明通过对稀土镍基氧化物和其它对温度、压力敏感的材料中的元素成分和含量进行调节，实现对探测温度、压力范围的调控进行调控设计以及对探测灵敏度进行调控设计。
(4)与传统的温度、压力单一测量与传感技术相比，本发明可以协同方式实现对温度、压力的同时快速测量与传感，并适用于高压、宽温区范围。
(5)本发明在深海探索、深地探索等方面具有重大的应用价值与良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的阵列式温度压力协同传感器的工作原理流程图；
图2为本发明的阵列式温度压力协同传感器之一串联式片式温度压力传感器，其中灰色层为导体层，白色层为ReNiO3功能层；通过垂直于片方向施加电流，分别测量两个ReNiO3功能层的电压从而得出对应的电阻率，可以通过ReNiO3的电阻率-温度-压力关系得到对应的温度与压力；
图3为本发明的阵列式温度压力协同传感器之一串联式软连接片式温度压力传感器，其中灰色层为ReNiO3功能层。通过垂直于片方向施加电流，分别测量几个ReNiO3功能层的电压从而得出对应的电阻率，可以通过ReNiO3的电阻率-温度-压力关系得到对应的温度与压力；
图4为本发明的阵列式温度压力协同传感器之一并联式片式温度压力传感器，其中灰色为导电镀层，黑色为绝缘体框架，白色为ReNiO3功能层；通过垂直于片方向施加电压，分别测量ReNiO3阵列中的ReNiO3功能层的电流从而得出对应的电阻率，通过ReNiO3的电阻率-温度-压力关系得到对应的温度与压力；
图5为本发明的阵列式温度压力协同传感器之一并联式软连接片式温度压力传感器，其中灰色层为ReNiO3功能层；通过施加相同的电压，分别测量ReNiO3阵列中的ReNiO3功能层的电流从而得出对应的电阻率，通过ReNiO3的电阻率-温度-压力关系得到对应的温度与压力；
图6为本发明的阵列式温度压力协同传感器之一薄膜式温度压力传感器，其中黑色为绝缘体衬底，白色为ReNiO3功能层，灰色为电极，串联或并联模式可以通过微纳加工进行设计；通过统一施加相同的电压或电流，分别测量ReNiO3薄膜阵列的电阻率，通过ReNiO3薄膜的电阻率-温度-压力关系得到对应的温度与压力；
图7为本发明的阵列式温度压力协同传感器中两种ReNiO3的电阻率-温度-压力关系，左为YNiO3，右为LuNiO3。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提出一种阵列式温度压力协同传感器，所述阵列式温度压力协同传感器包括由不同对温度压力同时敏感的探测材料组成的探测阵列，所述探测阵列中每个敏感的探测材料具有不同的电阻-温度-压力变化关系。
特别地，所述对温度压力同时敏感的探测材料为：稀土镍基氧化物或其它电阻率对温度、压力敏感的材料。
特别地，所述稀土镍基氧化物为ReNiO3，其中：Re为Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y中的至少一种。
特别地，所述其它电阻率对温度、压力敏感的材料包括VOx、ReFe2O4、(Re,Bi)NiO3、AFeO3、(La,Sr)(Nd,Ta)O3、NdGaO3、(Ca，Sr)2RuO4、中的至少一种；其中：Re为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、La中的至少一种，A为Ca、Sr、Ba中的至少一种。
一种权利要求所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，通过选择具有不同阻-温-压变化关系的不同稀土元素的稀土镍基氧化物，从而建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，从而实现对环境中温度、压力的同时准确探测。
特别地，所述每个敏感的探测材料的电阻-温度-压力变化关系需要先预先矫正并标定，其所对应映射记作fx(P,T)；x的范围为1-N，N为阵列探测器中探测单元的种类数；然后将所述探测阵列中的敏感的探测材料与环境接触，在环境中的温度、压力下读取每个敏感的探测材料的电阻值R1、R2、…RN，并构建方程组f1(P,T)＝R1、f2(P,T)＝R2、…fN(P,T)＝RN；最后求解前述方程组中的两个得到环境温度、压力；而其它方程组可用于拓宽阵列式温度压力协同传感器对温度、压力的测量范围，提供确认信息从而提高探测精度。
特别地，通过对用作敏感的探测材料的稀土镍基氧化物阵列中的稀土元素和其它电阻率对温度、压力敏感的材料设计，实现对探测温度、压力范围的调控进行调控设计，以及对探测灵敏度进行调控设计。
特别地，所述稀土镍基氧化物在金属绝缘体相变温度以下的绝缘体相具有负温度系数热敏电阻特性和负压系数压力电阻敏感特性，在临界压力或温度触发下，所述稀土镍基氧化物发生金属绝缘体相变。
特别地，所述金属绝缘体相变是在温度或压力超过临界值时发生，材料电阻率发生突变式降低；随后继续增加温度导致电阻率缓慢上升，继续增加压力导致电阻率缓慢下降。
特别地，在实际探测中，上述稀土镍基氧化物的金属绝缘体相变特性，应用于对环境中温度、压力范围的初步预判或估算；而上述稀土镍基氧化物绝缘体相应用与对环境中温度、压力范围的精准测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器应用于对深海、深地、油气、结构材料监控与设计等高压、高/低温应用场景，并实现对温度、压力的协同式快速探测与传感。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在300K-700K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在100K-400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在100K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在300-500K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50-150K、0-5GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50-150K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50K-300K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50-150K、0-15GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在200K-400K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在300K-500K、0-8GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
特别地，所述的阵列式温度压力协同传感器在50K到400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例1：
采用串联式片式温度压力传感器(如图2所示)，采用YNiO3和LuNiO3组装传感器。ReNiO3功能层的尺寸为1×1×0.1(单位cm)，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，可以在300K-700K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。如测量得到应YNiO3层和LuNiO3层的电压分别为2.16μV和1.73μV，即对应YNiO3层电阻率为0.0216Ωcm，LuNiO3层电阻率为0.0173Ωcm，则可以根据两种材料的电阻率-温度-压力特性(如图7所示)，对以下由两个方程所构成的方程组f1(P,T)＝R1、f2(P,T)＝R2进行求解，选取预期精度δP为1K，δT为1GPa，可以通过(|P1-P2|,|T1-T2|)≤(δP，δT)进行数值计算，得出对应的温度为500K，压力为6GPa。这种传感器的设计结构简单，可以适用于多种场合，如特种结构部件的监控，低温熔盐环境的探测等。
实施例2：
采用串联式软连接片式温度压力传感器(如图3所示)，采用PrNiO3、NdNiO3、SmNiO3、EuNiO3组装传感器，ReNiO3功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量ReNiO3功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在100K-400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。采用软连接的方式可以有效地降低器件整体的应力，以防止功能层意外的部分因为过大的应力而失效。这种传感器可以用在深海探测，液化气体监控等方面。
实施例3：
采用并联式片式温度压力传感器(如图4所示)，采用PrNiO3、NdNiO3、SmNiO3、EuNiO3、GdNiO3、DyNiO3作为功能层组装传感器，ReNiO3功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个ReNiO3功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在100K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。采用整体的并联式片式设计，可以将器件嵌入结构材料之中，从而对特种建筑或者特种设备的运行温度和压力进行监控。
实施例5：
采用并联式软连接片式温度压力传感器(如图5所示)，采用PrNiO3、NdNiO3、SmNiO3、EuNiO3、GdNiO3、DyNiO3作为功能层组装传感器，功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个ReNiO3功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在100K到400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例6：
采用并联式薄膜式温度压力传感器(如图6所示)，采用PrNiO3、NdNiO3、SmNiO3、EuNiO3、GdNiO3、DyNiO3、HoNiO3、ErNiO3、TmNiO3作为功能层，在直径10mm的LaAlO3、SrTiO3、(La,Sr)(Nd,Ta)O3、NdGaO3等单晶基片上使用掩膜版进行物理气相沉积，通过微纳加工组装器件，分别采用串联式和并联式的设计，如实施例1或实施例3测量ReNiO3功能层的电阻率，结合不同衬底与厚度的电阻率-温度-压力关系，按照实施例1的方法进行计算，可以在100K到500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。薄膜式的器件设计可以使器件小型化，从而应用于对降低质量有着迫切需求的领域，如航空航天、极地探索等方面。
实施例7：
采用串联式片式温度压力传感器(如图2所示)，采用BiNiO3和Bi0.9La0.1NiO3组装传感器，(Re，Bi)NiO3功能层的尺寸为1×1×0.1(单位：mm)，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量ReNiO3功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算。可以在300-500K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。采用(Re，Bi)NiO3系列材料可以在较小的温度压力范围内进行更加精确的测量。
实施例8：
采用串联式片式温度压力传感器(如图2所示)，采用Ca1.85Sr0.15RuO4和Ca1.9Sr0.1RuO4组装传感器，(Ca，Sr)2RuO4功能层的尺寸为0.5×0.5×0.1(单位：mm)，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量(Ca，Sr)2RuO4功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算。可以在50-150K、0-5GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例9：
采用串联式片式温度压力传感器(如图2所示)，采用VO、VO2、V6O13和V2O3组装传感器，VOx功能层的尺寸为0.5×0.5×0.1(单位：mm)，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量VOx功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算。可以在50-150K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例10：
采用串联式片式温度压力传感器(如图2所示)，采用CaFeO3、SrFeO3、BaFeO3组装传感器，AFeO3功能的尺寸为0.5×0.5×0.1(单位：mm)，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量AFeO3功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算。可以在50K-300K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例11：
采用串联式软连接片式温度压力传感器(如图3所示)，采用VO、VO2、V6O13和V2O3组装传感器，VOx功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量VOx功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在50-150K、0-15GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例12：
采用串联式软连接片式温度压力传感器(如图3所示)，采用CaFeO3、SrFeO3、BaFeO3组装传感器，AFeO3功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量AFeO3功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在50K-300K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例13：
采用串联式软连接片式温度压力传感器(如图3所示)，采用Ca1.85Sr0.15RuO4、Ca1.9Sr0.1RuO4、Ca1.95Sr0.05RuO4和Ca2RuO4组装传感器，(Ca，Sr)2RuO4功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量(Ca，Sr)2RuO4功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在50K-300K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例14：
采用串联式软连接片式温度压力传感器(如图3所示)，采用YFe2O4、TmFe2O4、YbFe2O4、LuFe2O4组装传感器，ReFe2O4功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Cu片，垂直于片方向施加1mA电流，通过测量ReFe2O4功能层的电压计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在200K-400K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例15：
采用并联式片式温度压力传感器(如图4所示)，采用VO2、YFe2O4、TmFe2O4、LuFe2O4作为功能层组装传感器，VO2和ReFe2O4功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在200K-400K、0-6GPa范围内进行温度与压力的协同测量。通过采用ReFe2O4材料可以使器件在还原性气氛中长时间正常运转，从而可以在特殊的环境如燃料储存的监控等。
实施例16：
采用并联式片式温度压力传感器(如图4所示)，采用采用VO、V8O15、VO2、V6O13和V2O3组装传感器，VOx功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个VOx功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例17：
采用并联式片式温度压力传感器(如图4所示)，采用采用BiNiO3、Bi0.95La0.05NiO3、Bi0.9La0.1NiO3、Bi0.85La0.15NiO3、和Bi0.8La0.2NiO3组装传感器，(Re，Bi)NiO3功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个(Re，Bi)NiO3功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在300K-500K、0-8GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例18：
采用并联式片式温度压力传感器(如图4所示)，采用采用Ca1.8Sr0.2RuO4、Ca1.85Sr0.15RuO4、Ca1.9Sr0.1RuO4、Ca1.95Sr0.05RuO4和Ca2RuO4组装传感器，(Ca，Sr)2RuO4功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个(Ca，Sr)2RuO4功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例19：
采用并联式软连接片式温度压力传感器(如图5所示)，采用CaFeO3、SrFeO3、BaFeO3、YFe2O4、TmFe2O4、LuFe2O4作为功能层组装传感器，功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在100K到400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。采用软连接的方式可以有效地降低器件整体的应力，以防止功能层意外的部分因为过大的应力而失效。同时采用过氧化物(CaFeO3、SrFeO3、BaFeO3的Fe的平均化合价高于+3)和前氧化物(YFe2O4、TmFe2O4、LuFe2O4的Fe的平均化合价低于+3)两类亚稳态材料，可以适应复杂的环境条件，可分别将两组材料置于不同的环境从而同时测量多种复杂环境中的温度与压力。
实施例20：
采用并联式软连接片式温度压力传感器(如图5所示)，采用Ca1.8Sr0.2RuO4、Ca1.85Sr0.15RuO4、Ca1.9Sr0.1RuO4、Ca1.95Sr0.05RuO4和Ca2RuO4组装传感器，(Ca，Sr)2RuO4功能层组装传感器，功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个(Ca，Sr)2RuO4功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在30K-500K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例21：
采用并联式软连接片式温度压力传感器(如图5所示)，采用BiNiO3、Bi0.95La0.05NiO3、Bi0.9La0.1NiO3、Bi0.85La0.15NiO3、和Bi0.8La0.2NiO3组装传感器，(Re，Bi)NiO3功能层组装传感器，功能层的尺寸直径为1cm，厚度为0.1cm，金属电极使用Pt箔，垂直于片方向施加1mV电场，通过测量通过每个(Re，Bi)NiO3功能层的电流计算电阻率，按照实施例1的方法进行计算，可以在300K-500K、0-8GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
实施例22：
采用并联式薄膜式温度压力传感器(如图6所示)，采用CaFeO3、SrFeO3、BaFeO3、Ca0.5Sr0.5FeO3、Sr0.5Ba0.5FeO3、作为功能层，在直径10mm的LaAlO3、SrTiO3、(La,Sr)(Nd,Ta)O3、NdGaO3等单晶基片上使用掩膜版进行物理气相沉积，通过微纳加工组装器件，分别采用串联式和并联式的设计，如实施例1或实施例3测量AFeO3功能层的电阻率，结合不同衬底与厚度的电阻率-温度-压力关系，按照实施例1的方法进行计算，可以在50K到400K、0-10GPa范围内进行温度与压力的协同测量。
综上可见，本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
(1)本发明经过广泛而深入的研究，通过改进工艺，获得了一种稀土镍基氧化物阵列式温-压协同探测传感器及应用方法。
(2)本发明通过具有不同稀土元素的稀土镍基氧化物和其它对温度、压力敏感的材料具有不同阻-温-压变化关系的特性建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，从而实现对环境中温度、压力的同时探测。。
(3)本发明通过对稀土镍基氧化物和其它对温度、压力敏感的材料中的元素成分和含量进行调节，实现对探测温度、压力范围的调控进行调控设计以及对探测灵敏度进行调控设计。
(4)与传统的温度、压力单一测量与传感技术相比，本发明可以协同方式实现对温度、压力的同时快速测量与传感，并适用于高压、宽温区范围。
(5)本发明在深海探索、深地探索等方面具有重大的应用价值与良好的应用前景。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阵列式温度压力协同传感器，其特征在于，所述阵列式温度压力协同传感器包括由不同对温度压力同时敏感的探测材料组成的探测阵列，所述探测阵列中每个敏感的探测材料具有不同的电阻-温度-压力变化关系。
2.根据权利要求1所述的阵列式温度压力协同传感器，其特征在于，所述对温度压力同时敏感的探测材料为：稀土镍基氧化物或其它电阻率对温度、压力敏感的材料。
3.根据权利要求2所述的阵列式温度压力协同传感器，其特征在于，所述稀土镍基氧化物为ReNiO3，其中：Re为Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的阵列式温度压力协同传感器，其特征在于，所述其它电阻率对温度、压力敏感的材料包括VOx、ReFe2O4、(Re,Bi)NiO3、AFeO3、(La,Sr)(Nd,Ta)O3、NdGaO3、(Ca，Sr)2RuO4、中的至少一种；其中：Re为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、La中的至少一种，A为Ca、Sr、Ba中的至少一种。
5.一种权利要求1-4任一所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，其特征在于，所述应用方法是通过选择具有不同阻-温-压变化关系的不同稀土元素的稀土镍基氧化物，从而建立以拟探测环境中温度、压力为未知数的方程组并求解，从而实现对环境中温度、压力的同时准确探测。
6.根据权利要求5所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，其特征在于，所述每个敏感的探测材料的电阻-温度-压力变化关系需要先预先矫正并标定，其所对应映射记作fx(P,T)；x的范围为1-N，N为阵列探测器中探测单元的种类数；然后将所述探测阵列中的敏感的探测材料与环境接触，在环境中的温度、压力下读取每个敏感的探测材料的电阻值R1、R2、…RN，并构建方程组f1(P,T)＝R1、f2(P,T)＝R2、…fN(P,T)＝RN；最后求解前述方程组中的两个得到环境温度、压力；而其它方程组可用于拓宽阵列式温度压力协同传感器对温度、压力的测量范围，提供确认信息从而提高探测精度。
7.根据权利要求6所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，其特征在于，通过对用作敏感的探测材料的稀土镍基氧化物阵列中的稀土元素和其它电阻率对温度、压力敏感的材料设计，实现对探测温度、压力范围的调控进行调控设计，以及对探测灵敏度进行调控设计。
8.根据权利要求6所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，其特征在于，所述稀土镍基氧化物在金属绝缘体相变温度以下的绝缘体相具有负温度系数热敏电阻特性和负压系数压力电阻敏感特性，在临界压力或温度触发下，所述稀土镍基氧化物发生金属绝缘体相变。
9.根据权利要求8所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，其特征在于，所述金属绝缘体相变是在温度或压力超过临界值时发生，材料电阻率发生突变式降低；随后继续增加温度导致电阻率缓慢上升，继续增加压力导致电阻率缓慢下降。
10.根据权利要求8或9所述的阵列式温度压力协同传感器的应用方法，其特征在于，在实际探测中，上述稀土镍基氧化物的金属绝缘体相变特性，应用于对环境中温度、压力范围的初步预判或估算；而上述稀土镍基氧化物绝缘体相应用与对环境中温度、压力范围的精准测量。
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