CN114636485A - 电池内部温度测量的柔性薄膜传感器、制备方法和电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池内部温度测量的柔性薄膜传感器及其制备方法和电池，所述柔性薄膜传感器包括金属敏感层与上下两层聚酰亚胺膜，所述金属敏感层位于两层聚酰亚胺膜之间，构成三叠层结构，其中所述金属敏感层用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度。本发明的柔性薄膜传感器能够直接感知电池内部温度，具有超薄结构、精度高、柔韧性好、环境适配性好以及成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是温度传感器领域，特别是涉及到用于电池内部温度测量的柔性薄膜传感器及其制备方法和电池。
背景技术
随着电池技术的不断发展，锂离子电池因其具有能量密度高、电压高、寿命长、成本低等特点被广泛应用，同时锂电池的安全性问题也越来越受到重视。电池工作时的温度是表征电池状态的重要指标，很多技术都致力于测量电池温度，如热电偶测温法、热电阻测温法、红外测温法等，可以实现温度测量并传输到终端。而为了保证温度测量的准确性、可靠性，采用柔性传感器贴附在电池上进行直接测温的方法在研究中备受关注。同时高灵敏的柔性温度传感器还可以用于电子皮肤、机器触觉与健康监测等领域。
电池内部温度的测量可以最直接地反映电池的工作状态，从而对电池(如锂电池)的性能、状态进行显示并对危险及时预警。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电池内部温度测量的柔性薄膜传感器及其制备方法和电池。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种用于电池内部温度测量的柔性薄膜传感器，包括金属敏感层与上下两层聚酰亚胺膜，所述金属敏感层位于两层聚酰亚胺膜之间，构成三叠层结构，其中所述金属敏感层用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度。
进一步地，所述金属敏感层包括蛇形结构的金属栅区。
进一步地，所述金属栅区中的单根金属栅的栅长为5-10mm，栅宽为20-120μm，栅与栅之间的间隙为20-120μm，所述金属栅区的总宽度为5-10mm。
进一步地，所述金属敏感层包括黏附在下层聚酰亚胺膜上的铬层以及附着在所述铬层上的温度敏感金属膜层。
进一步地，所述温度敏感金属膜层为金层或铂层。
进一步地，所述铬层的厚度为5nm-15nm，所述金层或铂层的厚度为70nm-130nm。
进一步地，下层聚酰亚胺薄膜的厚度为7-12μm，上层聚酰亚胺薄膜的厚度为3-6μm。
一种制备所述的柔性薄膜传感器的方法，包括：形成上下两层聚酰亚胺膜和位于两层聚酰亚胺膜之间的金属敏感层的三叠层结构，其中所述金属敏感层用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度。
进一步地，包括如下步骤：形成下层聚酰亚胺膜；在所述下层聚酰亚胺膜上蒸镀金属敏感层；通过光刻工艺在所述金属敏感层上方制作蛇形金属层图案；通过湿法刻蚀将所述蛇形金属层图案转移到所述金属敏感层上；在所述金属敏感层上形成上层聚酰亚胺膜。
一种电池，包括设置在所述电池内部的所述的柔性薄膜传感器。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：
本发明提出了一种用于电池内部温度测量的柔性薄膜传感器，其具有超薄结构，当其应用于电池时，电池内部环境温度发生变化，该温度变化直接作用于柔性薄膜传感器，使得柔性薄膜传感器的电阻发生变化，也即柔性薄膜传感器中的金属敏感层可以将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度，其中，由双层聚酰亚胺膜保护的金属敏感层能够在电池内部稳定工作，不会被电解液腐蚀，且柔性薄膜传感器为超薄结构，安装在电池内部(例如电极片上)，不影响电池原本的工作。
在优选的技术方案中，金属敏感层包括蛇形结构的金属栅区，蛇形的金属栅结构作为金属敏感层能够增大初始电阻，使得柔性薄膜传感器在温度变化时具有较高的阻值变化，易于测量电路的分辨检测，保证了测量的准确性。
总的来说，本发明的柔性薄膜传感器能够直接敏感电池内部温度并转化为电信号，具有超薄结构、精度高、柔韧性好、环境适配性好以及成本低等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中柔性薄膜传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中柔性薄膜传感器的金属敏感层蛇形栅区的结构示意图；
图3是图1的A-A剖视图；
图4是本发明实例3中的电池的示意图；
图5是本发明实例4中的电池的示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，用于电池内部温度测量的柔性薄膜传感器包括下层聚酰亚胺膜1、金属敏感层2和上层聚酰亚胺膜3，金属敏感层2位于下层聚酰亚胺膜1和上层聚酰亚胺膜3之间，构成三叠层结构，其中，上下两层聚酰亚胺膜包裹金属敏感层2，可以保护柔性薄膜传感器，从而防止当其置于电池内部用于电池内部温度测量时被电解液腐蚀，金属敏感层2具有温度敏感功能，用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度。例如，如图1所示，金属敏感层2可以通过电极4引出导线连接测量电路，由测量电路检测将电阻变化转化为电压变化，再由通信模块发送到外部终端，从而能够实时检测电池内部温度。
进一步参考图2和3，金属敏感层包括蛇形结构的金属栅区，其中，根据柔性薄膜传感器的测量电路的测量要求来选择金属栅区的尺寸，较优的是金属栅区中的单根金属栅的栅长t1为5-10mm，栅宽t2为20-120μm，栅与栅之间的间隙t3为20-120μm，金属栅区的总宽度t4为5-10mm。金属栅区域阻值可以通过不同的结构参数设置而修改，使得柔性薄膜传感器易于与测量电路适配。
在优选的实施例中，金属敏感层包括黏附在下层聚酰亚胺膜上的铬(Cr)层以及附着在铬层上的温度敏感金属膜层。其中，温度敏感金属膜层优选为金(Au)层或铂(Pt)层，也即，金或铂的电阻与温度具有很好的线性度和稳定性，作为温度敏感材料，铬作为金属辅助层，增强了金属敏感层对聚酰亚胺基底的黏附性，提高了可靠性。
在进一步优选的实施例中，铬层的厚度为5nm-15nm，金层或铂层的厚度为70nm-130nm。
在进一步优选的实施例中，下层聚酰亚胺薄膜的厚度为7-12μm，上层聚酰亚胺薄膜的厚度为3-6μm。
在另一实施例中，还提供一种制备上述的柔性薄膜传感器的方法，包括：形成上下两层聚酰亚胺膜和位于两层聚酰亚胺膜之间的金属敏感层的三叠层结构，其中金属敏感层用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过两个电极引出，从而感知电池内部的温度。
在优选的实施例中，柔性薄膜传感器可以由液态聚酰亚胺通过旋涂、蒸镀、光刻、刻蚀等工艺制备而成，具体来说，包括如下步骤：
形成下层聚酰亚胺膜；例如，将液态聚酰亚胺旋涂在玻璃晶圆上，并对其进行烘烤除去水分，坚固薄膜，以形成下层聚酰亚胺膜；
在下层聚酰亚胺膜上蒸镀金属敏感层；例如，在下层聚酰亚胺膜上采用蒸发镀膜的方式蒸镀一层铬和一层金或铂，以形成金属敏感层；
通过光刻工艺在金属敏感层上方制作蛇形金属层图案；例如，在金属膜的上方旋涂一层光刻胶，进行光刻工艺使光刻胶膜图形为所要制作的蛇形金属层图案；
通过湿法刻蚀将蛇形金属层图案转移到金属敏感层上；例如，采用湿法刻蚀，将光刻图形转移到金属敏感层上，之后去除多余的光刻胶；
在金属敏感层上形成上层聚酰亚胺膜；例如在金属敏感层上方旋涂一层液态聚酰亚胺并烘烤除去水分，坚固薄膜，形成作为保护层的上层聚酰亚胺膜。进一步地，可以在热水中浸泡器件后可将柔性薄膜传感器从玻璃晶圆上释放，以完成柔性薄膜传感器的制作。
在又一实施例中，还提供一种电池，其包括设置在电池内部的上述的柔性薄膜传感器。其中，柔性薄膜传感器贴附在电池内部位于极片之间，贴附位置可以是正电极片或负电极片上，可用一个柔性薄膜传感器单独测量电池内部温度(如图4所示)，也可以用多个柔性薄膜传感器进行测量电池内部温度(如图5所示)。
在优选的实施例中，电池是指锂电池，进一步优选为软包形锂电池。
以下通过几个实例，对本发明进一步阐述。
实例1
柔性薄膜传感器的结构如图1所示，其中，选用液态聚酰亚胺溶液作为基底(即下层聚酰亚胺膜1)和保护膜(即上层聚酰亚胺膜3)的制造材料，在硅片上制备样品，通过蒸镀、光刻与刻蚀工艺得到具有蛇形结构的金属敏感层2，通过金属敏感层2的电极4引出电信号。
所制备的柔性薄膜传感器中，下层聚酰亚胺膜1厚12μm，金属敏感层2中铬(Cr)层厚10nm，铂(Pt)层厚120nm，上层聚酰亚胺膜3厚5μm。
实例2
与实例1的区别在于，在玻璃晶圆上制备样品，所制备的柔性薄膜传感器中，下层聚酰亚胺膜1厚10μm，金属敏感层2中铬(Cr)层厚10nm，金(Au)层厚100nm，上层聚酰亚胺膜3厚5μm。
实例3
将实例1的柔性薄膜传感器置于锂电池内进行锂电池的实时温度测量。如图4所示，图中锂电池为软包形锂电池，其包括正极耳5、负极耳6、内浸电解液7、锂电池外部包装膜8、正极片9、隔膜10、负极片11以及一片柔性薄膜传感器12，其中，柔性薄膜传感器12置于负极片11上，以对锂电池内部温度进行测量。
实例4
如图5所示，与实例2的区别在于，采用实例2中的柔性薄膜传感器，且置于负极片11上的柔性薄膜传感器12是5片。通过多片柔性薄膜传感器形成阵列对锂电池内部温度进行测量能够更好地反映锂电池内部的整体温度。
以上实例中，一方面蛇形金属栅结构的金属敏感层能够增大初始电阻，使得柔性薄膜传感器在温度变化时具有较高的阻值变化，易于测量电路的分辨检测，另一方面由双层聚酰亚胺膜保护的金属敏感层能够在锂电池内部稳定工作，不会被电解液腐蚀，且金(Au)和铂(Pt)的电阻与温度具有很好的线性度和稳定性，是一种良好的温度敏感材料，也即，从柔性薄膜传感器的结构和材料两个方面保证锂电池内部温度的稳定实时测量，且不影响电池本身的工作，具有稳定性好、热适配性好、灵敏度高、测温准确等优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于电池内部温度测量的柔性薄膜传感器，其特征在于，包括金属敏感层与上下两层聚酰亚胺膜，所述金属敏感层位于两层聚酰亚胺膜之间，构成三叠层结构，其中所述金属敏感层用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度。
2.如权利要求1所述的柔性薄膜传感器，其特征在于，所述金属敏感层包括蛇形结构的金属栅区。
3.如权利要求1至2任一项所述的柔性薄膜传感器，其特征在于，所述金属栅区中的单根金属栅的栅长为5-10mm，栅宽为20-120μm，栅与栅之间的间隙为20-120μm，所述金属栅区的总宽度为5-10mm。
4.如权利要求1至3任一项所述的柔性薄膜传感器，其特征在于，所述金属敏感层包括黏附在下层聚酰亚胺膜上的铬层以及附着在所述铬层上的温度敏感金属膜层。
5.如权利要求4所述的柔性薄膜传感器，其特征在于，所述温度敏感金属膜层为金层或铂层。
6.如权利要求5所述的柔性薄膜传感器，其特征在于，所述铬层的厚度为5nm-15nm，所述金层或铂层的厚度为70nm-130nm。
7.如权利要求1至6任一项所述的柔性薄膜传感器，其特征在于，下层聚酰亚胺薄膜的厚度为7-12μm，上层聚酰亚胺薄膜的厚度为3-6μm。
8.一种制备如权利要求1至7任一项所述的柔性薄膜传感器的方法，其特征在于，包括：形成上下两层聚酰亚胺膜和位于两层聚酰亚胺膜之间的金属敏感层的三叠层结构，其中所述金属敏感层用于将电池内部的温度变化转化为电阻的变化，并通过电极引出，从而感知电池内部的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
形成下层聚酰亚胺膜；
在所述下层聚酰亚胺膜上蒸镀金属敏感层；
通过光刻工艺在所述金属敏感层上方制作蛇形金属层图案；
通过湿法刻蚀将所述蛇形金属层图案转移到所述金属敏感层上；
在所述金属敏感层上形成上层聚酰亚胺膜。
10.一种电池，其特征在于，包括设置在所述电池内部的如权利要求1至7任一项所述的柔性薄膜传感器。
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