CN214277970U - 一种近场热辐射独立探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种近场热辐射独立探测器，用于测量待测平板的近场热辐射，包括：玻璃平板(3)，其下表面形成有中空的分隔介质层(4)；分隔介质层(4)与待测平板直接接触，以使玻璃平板(3)和待测平板之间形成固定换热间距；金属丝电极(1)，形成于玻璃平板(3)的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端在螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件(2)相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，作为获取近场辐射换热系数的参数。本实用新型可以提高近场热辐射测量系统的集成度和样品测试重复性，有助于近场热辐射基础数据的获取以及近场热光伏系统的技术应用。

Description

一种近场热辐射独立探测器

技术领域

本实用新型涉及辐射换热测量技术领域，具体涉及一种近场热辐射独立探测器。

背景技术

热光伏技术是将高温热辐射体的能量通过半导体PN结直接转换成电能的技术，是一种先进的废热回收技术。然而，受到黑体辐射光谱范围和现有热光伏电池禁带宽度的限制，传统热光伏系统的电能输出功率和能量转换效率均远低于理论值。大量理论研究表明，近场热光伏系统(Near-Field Thermophotovoltaic system，NFTPVs)利用近场辐射共振增强效应可显著提升辐射器与热光伏电池之间的换热通量，以此增强系统的电能输出功率。然而，在实验上如何构建近场并实现近场热辐射信号的有效测量，是目前该领域的国际研究热点和难点，也是制约技术应用的核心问题。

国内外目前并无成熟的近场热辐射测量仪器，近场热辐射测量工作主要停留在实验研究阶段。近十年来，美国麻省理工学院、日本丰田中央研发实验室、美国佐治亚理工大学、美国盐湖城大学和浙江大学等课题组相继开展了固定间隙平行介质平板的近场热辐射的实验研究。虽然以上实验测量细节不同，但是所有实验系统均被一个固定的测量模式所束缚：实验系统的一端用恒定功率热源加热，另一端处于较低温度状态，当系统到达稳态时，测量冷端和热端的温度；为降低稳态系统的额外热传导，固定间隙分隔介质通常只能采用低导热系数颗粒、稀疏阵列等方法构建。这种稳态方法的实验设计导致NFTPVs仍未能得到实际应用，主要原因如下：(1) 温度传感器、辐射器/吸收器必须安装在系统中的加热铜板/衬底铜板上，对加热器/冷却器温度测量的接触热阻不可避免；(2)传感器之间的所有几何结构界面热阻及损耗在测量前必须小心估算，数据处理过程繁琐，而且热传导的比重相对近场热辐射仍然很大，造成近场辐射测量精度降低；(3) 温度传感器、加热铜板和平行校准辅助装置等的引入引起实验系统非常复杂，导致稀疏的分隔介质在实验过程中极易损坏，造成测量重复率低，这不利于NFTPVs的整体构建和后续集成化、器件化发展。

德国汉堡工业大学研究人员采用商用的瞬态平面热源探头作为热源和温度传感器，获取了探头温度随时间的动态变化曲线，通过迭代求解一维傅里叶热传导模型的反问题，获得了不同换热间距下的近场辐射传热系数。文中提出的瞬态测量实验系统相对稳态系统更加简易，可以在时间尺度区分近场辐射和层间接触热阻对测量结果的影响，为解决近场辐射探测精度问题提出了新思路。但一维热传导模型并未考虑在瞬态加热过程中平行平板结构温度空间分布及其随时间的动态变化，也未考虑背景辐射和传感器界面损耗等复合传热因素带来的影响；再者，纳米颗粒形式的换热间距导致分隔介质热传导相对近场比重大，且测量过程未能区分与近场辐射同时发生的分隔介质热传导能量，这不利于NFTPVs系统的实现；此外，商用探头固定过程每次引入的接触热阻不同，这也加大了数值反演的难度。

综上所述，已开展的固定间隙平行平板结构近场辐射测量工作通常采用稳态测量模式，这种测量模式导致实验重复率低且测量精度有限。对于固定间隙平行平板结构近场辐射的瞬态测量研究尚处于初始阶段，虽然基于商用平面热源探头获取了一些近场辐射瞬态测量的实验数据，但是尚缺乏系统完善的理论模型和实验系统，发展测量精度高、重复率高和集成化的近场辐射测量技术具有重要的科学意义和应用价值。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本实用新型提供了一种近场热辐射独立探测器，用于至少部分解决传统固定间隙间近场热辐射测量时测试重复率低、测试系统复杂等技术问题。

(二)技术方案

本实用新型一方面提供了一种近场热辐射独立探测器，用于测量待测平板的近场热辐射，包括：玻璃平板3，其下表面形成有中空的分隔介质层4；分隔介质层4与待测平板直接接触，以使玻璃平板3和待测平板之间形成固定换热间距；金属丝电极1，形成于玻璃平板3的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端在螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件2相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，作为获取近场辐射换热系数的参数。

进一步地，分隔介质层4包括棱台状结构、柱状结构、环状结构。

进一步地，分隔介质层4为棱台状结构，其位于玻璃平板3下表面的边缘，底面为正方形。

进一步地，金属丝电极1的材料包括镍、铂。

进一步地，金属丝电极1的厚度为100nm～500nm，其电阻温度系数的范围为0.0035～0.0069。

进一步地，玻璃平板3的厚度范围为0.5mm～1mm，分隔介质层4的高度范围为150nm～2000nm。

进一步地，分隔介质层4的材料包括二氧化硅、SU-8光刻胶。

本实用新型另一方面提供了一种近场热辐射独立探测器的制备方法，包括：S1，在玻璃平板3的下表面沉积特定厚度的二氧化硅薄膜；S2，刻蚀二氧化硅薄膜，制备中空的分隔介质层4；分隔介质层4与待测平板直接接触，以使玻璃平板3和待测平板之间形成固定换热间距；S3，在玻璃平板3的上表面溅射金属丝电极1，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端于螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件2相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，作为获取近场辐射换热系数的参数。

进一步地，S3之后还包括：S4，对双螺旋结构金属丝电极1表面涂胶保护。

本实用新型还有一方面提供了一种近场辐射换热系数的测量方法，包括：S1，根据前述的近场热辐射独立探测器，将其置于待测平板上方，分隔介质层4与待测平板直接接触，以使玻璃平板3和待测平板之间形成固定换热间距；S2，通过其中两个引线件对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升；S3，计算近场辐射换热系数的参数：平板之间的热辐射通量表示为如下形式：

其中，T₁为上层平板中心有效热源处温度，T₂表示下层平板对应位置处的温度，ζ_j(ω，K)是两平行平板之间的能量传输系数；Θ(ω，T)是热平衡下在频率ω处普朗克谐振子平均能量；ω为辐射频率，K为平行与平板表面的横向波矢量，s为横电波，p为横磁波；

则辐射换热系数h^R如下：

(三)有益效果

本实用新型实施例提供的近场热辐射独立探测器，以双螺旋结构金属丝电极作为平面热源和温差传感器，直接探测石英玻璃平板的平均温升；双螺旋结构金属丝电极与棱台状结构分隔介质配合使用构成独立探测器，可以直接测量固定间隙平行平板结构近场辐射传热系数，能够很大程度上解决固定间隙平行介质平板之间近场热辐射实验测量时测试重复率低、测试系统复杂等困难问题，而且无需额外布置温度传感器和平面热源，测量探头具有可移动性。同时，双螺旋结构金属丝能够减小接触热阻，分隔介质层与双螺旋结构金属丝的选配设计在瞬态测量过程能够最大限度减小热传导对近场热辐射测量精度影响。

附图说明

图1示意性示出了根据本实用新型实施例近场热辐射独立探测器的结构示意图；

图2示意性示出了根据本实用新型实施例近场热辐射独立探测器中双螺旋结构金属丝电极的结构示意图；

图3示意性示出了根据本实用新型实施例近场热辐射独立探测器中棱台状结构分隔介质的结构示意图；

图4示意性示出了根据本实用新型实施例近场热辐射独立探测器的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本公开的实施例提供了一种近场热辐射独立探测器，用于测量待测平板的近场热辐射，请参见图1，包括：玻璃平板3，其下表面形成有中空的分隔介质层4；分隔介质层4与待测平板直接接触，以使玻璃平板3和待测平板之间形成固定换热间距；金属丝电极1，形成于玻璃平板3的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，双螺旋结构金属丝的一端在螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件2相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属丝的阻值，根据阻值得到平均温升，作为获取近场辐射换热系数的参数。

近场热辐射探测器包括：双螺旋结构金属丝电极、石英玻璃平板和棱台状结构分隔介质。其中，双螺旋金属丝电极位于上层介质平板上表面，既是一个用来加热上层介质平板的面热源，又是一个用来记录温度随时间变化的阻值温度传感器，双螺旋结构增大了热源与石英玻璃衬底的接触面积并且减小了接触热阻，同时具备较高的温度测量精度和灵敏度；在石英玻璃衬底直接刻蚀制备棱台状结构分隔介质，构成独立探测器的支撑柱，构建固定高度的换热间距。

这里双螺旋结构金属丝为两根金属丝，两根金属丝均呈螺旋形，且两螺旋交错排列，两根金属丝的一端于螺旋中心相连接，两根金属丝的另一端分别与引线件连接。双螺旋结构金属丝电极作为平面热源和温差传感器，直接探测石英玻璃平板的平均温升。双螺旋结构金属丝电极与棱台状结构分隔介质配合使用构成独立探测器，可以直接测量固定间隙平行平板结构近场辐射传热系数(这里待测平板未示出)。图2为双螺旋结构金属丝电极的结构示意图，金属丝电极1包括双螺旋金属丝和四个引线件。四个引线件的另一端有四个引线端。选用恒压直流电源与其中两个引线端接对双螺旋金属带进行恒定电压加热，其余两个引线端与热电阻测量模块连接，用于实时测量双螺旋结构金属丝的电阻变化。

还需要说明的是，玻璃平板3选用双面抛光的石英基片，够保证石英玻璃衬底具有较高的表面平整度，并在有限的尺寸内具有较小的弯曲程度。石英玻璃具备较低的热导率能够在有限时间内降低石英玻璃衬底边缘的温升速率，进一步降低棱台状结构分隔介质的导热，提高近场热辐射的探测精度。

在上述实施例的基础上，分隔介质层4包括棱台状结构、柱状结构、环状结构。

分隔介质层4起构建固定换热间距的作用，分隔介质层4的底面积需要尽可能地小，以减少上层介质平板通过分隔介质进入下层介质平板的导热能量。这里分隔介质层4可采用棱台状结构、柱状结构、环状结构等等，其具体结构可以是各种各样的，并不限制分隔介质层只能为前述三种结构。

在上述实施例的基础上，分隔介质层4为棱台状结构，其位于玻璃平板3下表面的边缘，底面为正方形。

分隔介质层4可以为棱台状结构分隔，位于介质平板的边缘。棱台状分隔介质为底面几何结构为边长2mm的正方形，请参见图3，该种棱台状分隔介质与双螺旋结构金属丝配合使用，能够在有限的测量时间内减小分隔介质导热，提高近场热辐射探测精度。

在上述实施例的基础上，金属丝电极1的材料包括镍、铂。

双螺旋金属丝和四个引线件为镍或铂金属，通过刻蚀或气相沉积工艺附着于上层介质平板上形成百纳米级厚的双螺旋结构，具备较高的温度电阻系数，对很小的温度变化有着较高的探测灵敏度。由于在微尺度下，双螺旋结构金属丝电极的电阻温度系数与宏观材料电阻温度系数有所不同，测量开始前不同批次双螺旋结构金属丝电极的电阻温度系数需要进行实验标定。

在上述实施例的基础上，金属丝电极1的厚度为100nm～500nm，其电阻温度系数的范围为(0～100摄氏度)为0.0035～0.0069。

金属丝电极通过磁控溅射镀膜工艺附着于石英玻璃衬底3上形成百纳米级厚的双螺旋结构，具备较高的电阻温度系数，对很小的温度变化有着较高的探测灵敏度。金属丝电极1的厚度不能过厚，否则会因电阻值过小引起金属丝电极熔断；金属丝电极1的厚度也不能过薄，否则会因电阻值过大引起金属丝温升微小，降低实验探测精度。电阻温度系数因加工批次和实验条件的不同在该范围内有所区别，但在0～100摄氏度范围内具有良好的线性度，使得能够准确测量金属丝电极温升。

在上述实施例的基础上，玻璃平板3的厚度范围为0.5mm～1mm，分隔介质层4的高度范围为150nm～2000nm。

玻璃平板3的厚度在该范围内具备一定的抗压强度且远小于玻璃平板面积，并能够有效降低边界热辐射损失，分隔介质层4的高度不能过高，是因为在室温条件下高度不能过高近场辐射效应不够显著；也不能过低，以免因玻璃平板弯曲和平行度问题造成上下平板接触。

在上述实施例的基础上，分隔介质层4的材料包括二氧化硅、SU-8 光刻胶等高抗压强度低导热率材料。

分隔介质层4的材料选用低导热系数和高抗压强度的二氧化硅材料，较低的导热系数能够降低棱台状分隔介质的热传导，较高的抗压强度可以减小棱台状分隔介质的底面积，进一步削弱上层介质平板通过分隔介质进入下层介质平板的导热能量。

本公开的另一实施例提供了一种近场热辐射独立探测器的制备方法，请参见图4，包括：S1，在玻璃平板3的下表面沉积特定厚度的二氧化硅薄膜；S2，刻蚀二氧化硅薄膜，制备中空的分隔介质层4；分隔介质层4 与待测平板直接接触，以使玻璃平板3和待测平板之间形成固定换热间距； S3，在玻璃平板3的上表面溅射金属丝电极1，包括平面双螺旋结构金属带，双螺旋结构金属带的一端于螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件2相连接，其中两个引线件用于对双螺旋结构金属带加热，另外两个引线件用于实时测量双螺旋结构金属带的阻值，根据阻值得到平均温升，作为获取近场辐射换热系数的参数。

这里步骤S1具体包括：通过化学的气相沉积法在双面抛光石英玻璃下表面制备特定厚度的二氧化硅薄膜，薄膜厚度决定近场辐射换热间距。步骤S2：通过湿法刻蚀工艺在双面抛光石英玻璃下表面的二氧化硅薄膜，制备棱台状结构分隔介质，构成独立探测器的支撑柱；步骤S3：通过掩模曝光结合磁控溅射方式在石英玻璃上表面制备双螺旋结构金属丝电极，作为平面热源和温差传感器。

在上述实施例的基础上，S3之后还包括：S4，对双螺旋结构金属丝电极表面涂胶保护。

独立探测器的整体结构制备完成后，还包括对双螺旋金属丝表面涂胶保护，进行划片和清洗，并用台阶仪对棱台状结构分隔介质高度进行表征确认。

本公开还有一实施例提供了一种近场辐射换热系数的测量方法，包括： S1，根据前述的近场热辐射独立探测器，将其置于待测平板上方，分隔介质层4与待测平板直接接触，以使玻璃平板3和待测平板之间形成固定换热间距；S2，通过其中两个引线件对双螺旋结构金属带加热，另外两个引线件实时测量双螺旋结构金属带的阻值，根据阻值得到平均温升；S3，计算近场辐射换热系数的参数：平板之间的热辐射通量表示为如下形式：

其中，T₁为上层平板中心有效热源处温度，T₂表示下层平板对应位置处的温度，ζ_j(ω，K)是两平行平板之间的能量传输系数；Θ(ω，T)是热平衡下在频率ω处普朗克谐振子平均能量；ω为辐射频率，K为平行与平板表面的横向波矢量，s为横电波，p为横磁波；

则辐射换热系数h^R如下：

本实施方式中需要对近场热辐射独立探测器的测量模型进行建立和分析。具体实施步骤如下：利用COMSOLMultiphysics软件，通过标准建模过程对本项目提出的近场辐射瞬态测量系统进行三维几何建模，创建耦合的电流热源和固体传热物理场模型，过设定材料属性和物理场边界条件。

优选的，根据平行平板的表面形貌和接触压力，采用CMY热接触模型定义接触热阻。根据材料的发射率定义系统边界辐射率，获取背景辐射能量。在近场条件下，为了同时分析热传导、背景辐射和近场辐射对温度分布规律的影响，需要对初步建立的模型进行再次修正。优选的，我们把平行平板之间真空换热间隔看作一种等效介质，并定义真空层与介质平板的传热系数h^R。在特定实验温度下真空层的等效传热系数可根据如下过程计算。

根据涨落耗散理论，相距为d的两半无限大平行平板之间的热辐射通量可以表示为如下形式：

在上式中T₁为上层平板中心有效热源处温度，T₂表示下层平板对应位置处的温度，ζ_j(ω，K)是两平行平板之间的能量传输系数，其最大值是1，可以写成如下形式：

其中，K是平行于介质平板表面的横向波矢量，γ为垂直于表面的z 方向的纵向波矢量，j＝s，p，r_s和r_p分别代表介质平板对s偏振和p偏振入射光的菲涅尔反射系数。

Θ(ω，T)是热平衡下在频率ω处普朗克谐振子平均能量，可表示如下：

所以，辐射换热系数h^R如下：

经过以上步骤获取不同电极电压下的电极温升随时间的数值模拟结果。通过修正平板与真空等效介质的传热系数、上下平板之间的接触热阻以及导热硅脂的接触热阻，实现不同电极电压下电极温升-时间的数值模拟结果与实验结果进行拟合，获取近场辐射换热系数。

优选的，金属电极与锁相放大器接线，给锁相放大器约0.001mV的交流电压，通过调节精密电阻箱，调平金属电极和电阻箱的电压，粗略获取金属电极初始阻值。

优选的，为减小空气导热对测量结果的影响，测量开始前独立探测器和被测样品需置于真空罩，保持真空腔内真空度小于10-4Pa，记录环境温度。

金属电极再次与直流电源接线。优选的，为去除直流导线阻值变化和真空度带来的阻值影响，给电极施加30mV的直流电压，通过微调再次调平直流情况下金属电极和电阻箱的电压，记录1：电极初始阻值R₀。

优选的，把双螺旋结构金属丝电极和直流稳压电源串联接入电阻数据采集系统；调整直流稳压电源输出稳定电压，实时采集电极电阻变化，通过电阻温度系数获取双螺旋结构金属丝电极温升随时间变化。进一步对电极温升-时间关系的数值模拟结果与实验结果进行拟合，获取平行平板之间近场辐射换热系数。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种近场热辐射独立探测器，用于测量待测平板的近场热辐射，其特征在于，包括：

玻璃平板(3)，其下表面形成有中空的分隔介质层(4)；所述分隔介质层(4)与待测平板直接接触，以使所述玻璃平板(3)和待测平板之间形成固定换热间距；

金属丝电极(1)，形成于所述玻璃平板(3)的上表面，包括平面双螺旋结构金属丝，所述双螺旋结构金属丝的一端在螺旋中心相连接，另一端分别与四个引线件(2)相连接，其中两个引线件用于对所述双螺旋结构金属丝加热，另外两个引线件用于实时测量所述双螺旋结构金属丝的阻值，根据所述阻值得到平均温升，作为获取近场辐射换热系数的参数。

2.根据权利要求1所述的近场热辐射独立探测器，其特征在于，所述分隔介质层(4)包括棱台状结构、柱状结构、环状结构。

3.根据权利要求2所述的近场热辐射独立探测器，其特征在于，所述分隔介质层(4)为棱台状结构，其位于所述玻璃平板(3)下表面的边缘，底面为正方形。

4.根据权利要求1所述的近场热辐射独立探测器，其特征在于，所述金属丝电极(1)的厚度为100～500nm，其电阻温度系数的范围为0.0035～0.0069。

5.根据权利要求1所述的近场热辐射独立探测器，其特征在于，所述玻璃平板(3)的厚度范围为0.5mm～1mm，分隔介质层(4)的高度范围为150nm～2000nm。

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