利用新穎的熱電現(xiàn)象構(gòu)建一種能夠?qū)崟r(shí)可視化熱流的超薄傳感器

電子或機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生過多的熱量是性能低下的標(biāo)志或原因。許多情況下，監(jiān)測(cè)熱量流動(dòng)的嵌入式傳感器可以幫助工程師改進(jìn)設(shè)備的散熱行為或設(shè)計(jì)，以提高效率。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，東京大學(xué)研究人員首次利用一種新穎的熱電現(xiàn)象構(gòu)建了一種能夠?qū)崟r(shí)可視化熱流的超薄傳感器。該傳感器可以構(gòu)建在其它類型傳感器無法觸及的設(shè)備內(nèi)部深處，并且，它們可以利用快速、廉價(jià)的成熟方法制造。

根據(jù)能量守恒定律，能量永遠(yuǎn)不會(huì)被創(chuàng)造或毀滅，只會(huì)根據(jù)所涉及實(shí)體之間的相互作用而從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。所有的能量最終都會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量。對(duì)人們來說，很多情況下這可能是一件有用的事情，例如，我們可以在冬天給家里供暖。當(dāng)然，也會(huì)成為不利的因素，例如，當(dāng)我們想冷卻某些東西時(shí)，或者影響電池供電應(yīng)用的效能等。無論如何，我們?cè)侥芨玫毓芾碓O(shè)備的熱行為，就能更好地圍繞這種不可避免的影響進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高相關(guān)設(shè)備的效率。不過，說起來容易做起來難，根據(jù)應(yīng)用的不同，充分了解那些復(fù)雜、微型或危險(xiǎn)設(shè)備內(nèi)部的熱量傳遞非常困難，甚至不可能做到。

為此，東京大學(xué)物理系的Tomoya Higo副教授和Satoru Nakatsuji教授及其研究團(tuán)隊(duì)（包括企業(yè)合作伙伴）開始著手尋找解決方案。Higo說：“通過材料傳導(dǎo)的熱量被稱為其熱通量。尋找新的測(cè)量方法不僅有助于提高設(shè)備效率，還有助于提高安全性，例如熱管理不佳的電池可能不夠安全，這甚至還與人體健康相關(guān)，因?yàn)楦鞣N健康問題或生活方式問題可能都與體溫相關(guān)。不過，開發(fā)一種同時(shí)滿足許多條件（如堅(jiān)固性、成本效益、易于制造等）的熱通量測(cè)量傳感器并不容易。典型的熱二極管器件相對(duì)較大，且只能給出特定區(qū)域的溫度值，無法提供整個(gè)表面的熱通量圖像?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)探索了一種由某些特殊磁性材料和電極組成的熱通量傳感器，及其面對(duì)復(fù)雜熱傳遞模式時(shí)的表現(xiàn)。這種基于鐵和鎵的磁性材料表現(xiàn)出了一種被稱為異常能斯特效應(yīng)（ANE）的現(xiàn)象，即熱能異常轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的現(xiàn)象。不過，這并不是唯一能將熱量轉(zhuǎn)化為電能的磁效應(yīng)。還有塞貝克效應(yīng)，實(shí)際上塞貝克效應(yīng)可以產(chǎn)生更多的電能，但它需要大量的材料，而且這些材料很脆，很難加工處理。另一方面，ANE效應(yīng)使研究團(tuán)隊(duì)可以在非常薄且具有延展性的塑料片材上設(shè)計(jì)他們的傳感器件。

近期，該研究成果已經(jīng)以“Roll-to-Roll Printing of Anomalous Nernst Thermopile for Direct Sensing of Perpendicular Heat Flux”為題發(fā)表于Advanced Materials期刊。

Higo表示：“通過尋找合適的磁性和電極材料，然后以特殊的重復(fù)模式應(yīng)用它們，我們構(gòu)建了一種柔性、堅(jiān)固、廉價(jià)且易于生產(chǎn)的微型電子電路，重要的是它們?cè)趯?shí)時(shí)輸出熱通量數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)優(yōu)異。我們的方案包括軋制一層透明、堅(jiān)固、輕質(zhì)的PET塑料薄膜作為基層，然后在其上濺射薄而均勻的磁性材料和電極材料層。然后，我們?cè)谒玫降谋∧ぶ形g刻所需要的圖案，類似于電子電路的制造方式。”

薄膜制造，卷對(duì)卷濺射沉積制造技術(shù)已經(jīng)成熟，可以針對(duì)商業(yè)應(yīng)用大批量生產(chǎn)可蝕刻薄膜

研究團(tuán)隊(duì)以一種特殊的方式設(shè)計(jì)了電路，以增強(qiáng)ANE，同時(shí)抑制塞貝克效應(yīng)（因?yàn)檫@會(huì)干擾ANE的數(shù)據(jù)收集潛力）。在此之前，所有開發(fā)能夠輕松擴(kuò)大規(guī)模并商業(yè)化的類似傳感器都沒有成功，這使得這項(xiàng)研究成果成為同類傳感器中的第一個(gè)。

通過特殊的圖紋蝕刻，可以抑制塞貝克效應(yīng)，避免干擾ANE的數(shù)據(jù)收集

Nakatsuji說：“我預(yù)計(jì)這項(xiàng)成果有望應(yīng)用到發(fā)電或數(shù)據(jù)中心等下游應(yīng)用，因?yàn)闊崃繒?huì)阻礙這些應(yīng)用的效率。隨著自動(dòng)化的日益普及，我們還有望在自動(dòng)化制造環(huán)境中看到這種傳感器，從而提高我們預(yù)測(cè)機(jī)器故障以及某些安全問題的能力。隨著進(jìn)一步的開發(fā)，它還可以用于內(nèi)部醫(yī)學(xué)應(yīng)用，幫助醫(yī)生生成人體特定區(qū)域或器官的內(nèi)部熱圖像，以幫助成像和診斷?！?/p>

審核編輯：劉清