快速响应型薄膜温度传感器的制备及性能测试

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温度传感器作为测温仪器的核心部分,已被广泛应用于工业、航空、医疗等领域。近年来,随着智能手环、智能手表等可穿戴设备的出现,人们对实时监测自身与户外温度的需求不断增加。为满足此需求,温度传感器需要具有高响应速度、高精确度、兼容可穿戴设备等特性。基于此特性,柔性可穿戴薄膜温度传感器的相关研究开始不断增多。但大部分研究结果表明其在精度、迟滞、重复性、抗弯折等方面的性能还需要进一步的探索与优化。而随着材料科学与加工工艺不停地发展,传感器可以通过微加工工艺进行缩小化。这使得利用现有的微加工工艺将传统温度传感器进行微型化以集成于可穿戴设备中的方案变成了可能。基于以上背景,本文提出了一种可以用于快速测量人体自身与人体室外环境的微型温度传感器的课题。具体地,论文的主要研究内容如下:(1)制备了三种体积小于3.1×1.5×0.5 mm~3的具有不同蛇形图案的微型铂薄膜温度传感器,蛇形图案线宽最低为20μm。本论文对制备的铂薄膜温度传感器进行了静态特性测试,测试结果表明:在-15~75℃的测温范围内,本论文制备的三种温度传感器最大误差为0.2℃左右,平均误差为0.13℃左右,电阻温度系数均为0.00235/℃左右,然后理论分析了传感器电阻温度系数较低的原因。传感器在测试系统中经历升降温测试后,测得温度传感器迟滞误差为0.4%-0.5%左右,随着升降温循环次数增加,传感器的电阻温度拟合直线公式开始发生变化,传感器的重复性不佳。最后对制备的铂薄膜温度传感器进行了在空气环境下700℃保温1小时的退火过程,通过对铂薄膜截面进行SEM-EDS分析表明:高温加剧了粘附层钛金属向铂薄膜的扩散,最终导致制备的温度传感器温敏性能发生下降。(2)提出了针对本论文所制备的铂薄膜温度传感器的时间常数测试方案。同时结合此方案使用COMSOL有限元软件对制备的铂薄膜温度传感器的时间常数进行仿真估计,结果表明仿真得到的时间常数低于100 ms。接着本论文搭建了具有高速采集特性的温度传感器时间常数测试平台。搭建完成后,本论文从测试介质、介质热场影响、传感器转移速度三方面对测试平台进行了分析与优化。最后对制备的铂薄膜温度传感器进行了优化后的时间常数测试,实验结果表明:制备三种的铂薄膜温度传感器均体现出较快的响应速度,所得时间常数最低为230 ms左右。
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