薄膜热电偶温度传感器研究进展_赵源深
热电偶温度传感器及发展趋向分析
热电偶温度传感器及发展趋向分析1. 引言1.1 热电偶温度传感器及发展趋向分析热电偶温度传感器是一种常用的温度测量仪器，其原理是利用两种不同金属在接触处产生的热电势来测量温度变化。
热电偶温度传感器的应用领域非常广泛，包括工业生产、汽车制造、医疗设备等多个领域。
热电偶温度传感器的发展历程可以追溯到19世纪初，经过多年的发展和改进，现代热电偶温度传感器已经具有了更高的测量精度和稳定性。
随着科技的不断进步，热电偶温度传感器的技术也在不断改进，包括材料的改良、测量精度的提高等方面。
未来，热电偶温度传感器的发展趋势主要集中在提高测量精度、扩大应用领域和降低成本等方面。
随着人们对温度测量精度要求的不断提高，热电偶温度传感器将会在更多领域得到应用，并且在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
热电偶温度传感器在工业生产中起着至关重要的作用，其发展前景十分广阔，未来的应用范围也将会更加广泛。
通过不断的技术创新和研究，热电偶温度传感器将会继续发挥着重要的作用，推动着各个领域的发展。
2. 正文2.1 热电偶温度传感器原理热电偶温度传感器原理是基于热电效应原理的一种温度测量装置。
热电偶由两种不同金属导体组成，它们的接触端称为热点，另一端称为冷点。
当热电偶的热点和冷点处于不同温度时，两种不同金属导体之间会产生热电动势，即热电效应。
这个热电动势大小与金属对的种类、温差和金属接触方式等因素有关。
热电偶温度传感器原理的基本思想是通过测量热电动势来确定被测温度。
一般情况下，热电偶的热点置于被测物体表面，而冷点则连接到一个测量仪器上，测量仪器可以根据测得的热电动势计算出被测物体的温度。
热电偶温度传感器原理具有简单、快速响应、稳定可靠的特点，因此在工业生产中得到广泛应用。
热电偶温度传感器的测量精度受到热电偶的材料、长度和连接方式的影响，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的热电偶类型来确保测量的准确性。
随着科技的不断发展，热电偶温度传感器原理也在不断完善和提升，以满足更广泛的应用需求。
薄膜温度传感器的研制及应用
薄膜温度传感器的研制及应用摘要：本文重点介绍了薄膜温度传感器的研制及其应用。
首先概述了薄膜温度传感器的特性，然后就薄膜温度传感器研制方法分析了材料选择、测量原理、外形设计等，并讨论了性能和适用范围。
最后，重点介绍了薄膜温度传感器的应用，如飞机发动机的内部温度监控和工业自动控制等。
关键词：薄膜温度传感器；研制；应用正文：1. 介绍薄膜温度传感器是一种新型的温度检测器，它使用了薄膜材料作为基础温度传感器。
薄膜温度传感器具有结构紧凑、体积小、重量轻、信号传输快等优点，在温度检测中有重要的应用。
2. 研制方法2.1 材料选择一般情况下，薄膜材料的热敏元件是采用传统的绝缘型有机热敏材料，如高分子材料或金属热敏材料等，具有低成本、高精度和良好的耐热性。
2.2 测量原理薄膜温度传感器使用热敏元件对周围温度变化作出反应，从而实现温度检测。
一般采用热敏电阻原理，即根据不同温度下热敏元件内部电阻的变化，产生可测量的响应信号，并通过仪表显示温度大小。
2.3 外形设计薄膜温度传感器的外形设计首先考虑到空间的利用率和测量精度，确定热敏元件布局和外形。
一般而言，薄膜温度传感器外形设计要求具有良好的热性能，极大地缩短测量时间。
3. 性能和适用范围薄膜温度传感器具有低成本、高精度、良好的耐热性和热响应时间快等优点，广泛应用于温度检测领域。
薄膜温度传感器的测量范围一般介于-40℃到1000℃之间，对热电偶的精度要求为±3℃，对高精度应用精度要求高达± 0.2℃。
4. 应用薄膜温度传感器可广泛应用于各种温度检测、监测和自动控制领域。
例如，可用于飞机发动机的内部温度监控，在冶金行业中可有效控制各种元素的温度变化，在工业自动控制中可根据温度变化自动调节机械装置的运行，在医学研究中可用于生物样本的温度检测等。
应用薄膜温度传感器可以获得准确的温度测量结果，为行业的发展提供重要的支持。
首先，薄膜温度传感器在飞机发动机的内部温度监控中发挥着重要作用。
热电偶温度传感器及发展趋向分析
热电偶温度传感器及发展趋向分析1. 引言1.1 热电偶温度传感器的定义热电偶温度传感器是一种测量温度的传感器，利用热电效应原理来实现温度测量。
其基本原理是两种不同材料的导线连接在一起，形成一个闭合回路。
当两种材料的连接点处温度发生变化时，会在导线之间产生一个电动势，即热电势，通过测量热电势的大小可以得知连接点的温度。
热电偶温度传感器的工作原理简单可靠，具有快速响应、测量范围广、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于工业自动化控制、航空航天、石油化工等领域。
热电偶温度传感器的测量原理主要是基于热电效应，即两种不同金属或合金在一定温度范围内产生的热电势。
常见的热电偶材料包括K 型、T型、J型、E型等，每种材料都有其特定的温度测量范围和精度要求。
热电偶温度传感器通过测量热电势的大小来反映被测温度，通常与显示仪表或控制系统配合使用，实现对温度的准确监测和控制。
热电偶温度传感器在工业生产中发挥着重要作用，是实现精密温度测量的重要工具之一。
1.2 热电偶温度传感器的重要性热电偶温度传感器在现代工业生产和生活中起着至关重要的作用。
它可以实时监测环境温度的变化，为生产和操作提供准确的温度数据，保障生产效率和产品质量。
在工业控制系统中，热电偶温度传感器被广泛应用于石化、冶金、化工、电力等行业，用于监测和控制各种工艺参数。
在食品加工、医疗保健、环境监测等领域，热电偶温度传感器也发挥着不可替代的作用。
由于其快速响应、稳定性好、成本低等优点，热电偶温度传感器被广泛应用于各个领域，成为现代温度测量领域的主要选择之一。
研究和发展热电偶温度传感器具有重要意义，不仅可以提高生产效率，减少能源消耗，还可以保障产品质量，保障生产过程的安全稳定。
在日益重视环境保护和节能减排的背景下，热电偶温度传感器的重要性将愈发凸显，成为推动科技创新和工业发展的重要推动力量。
1.3 研究热电偶温度传感器的意义研究热电偶温度传感器的意义在于不断提升传感器的性能和精度，以满足不同领域对温度测量的需求。
薄膜热电偶研究进展
第57卷第12期 2020年12月做鈉电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol. 57 No. 12December 2020薄膜热电偶研究进展林振钰\张志杰\李岩峰2，刘佳琪1(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051;2.北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北廊坊065000)摘要：综述了薄膜热电偶的国内外研究进展与热点，对近年来薄膜热电偶在各领域的典型应用结 果进行了总结。
重点阐述了薄膜热电偶的敏感材料种类、制备工艺对其热电性能和高温稳定性的 影响，讨论了国内外研究中退火环境、氮气含量、材料掺杂水平等工艺参数及喷涂处理、丝网印 刷等新兴制备方法对薄膜热电偶热电性能的影响，对目前薄膜热电偶测试校准技术的研究现状进行了简单阐述。
最后，指出薄膜热电偶当前亟需研究的问题，并对该领域的未来发展方向进行了 展望，可为应用于恶劣环境的高温薄膜传感器的技术研究提供参考。
关键词：薄膜热电偶；塞贝克系数；温度测量；退火；动态测试；标定中图分类号：TP212.彳文献标识码：A文章编号：167卜4776 (2020) 12-0963-07备技术於坛♦Research Progress of Thin-Film ThermocouplesLin Zhenyu1 ,Zhang Zhijie1 ,Li Yanfeng2,Liu Jiaqi1(1. K ey Laboratory o f Instrum entation Science and D ynam ic M easurement o f M in istry o f E d u ca tio n，N orthU niversity o f C h in a，T aiyuan 03005\ y Chinas 2. School o f Electronics and Control E ngineering ^N orthChina Institute o f Aerospace E ngineering 9Lang f a n g065000 ♦China)Abstract：The research progress and hot spots of thin-film thermocouples at home and abroad are reviewed,and the typical application results of thin-film thermocouples in various fields in recent years are summarized.The effects of the types of sensitive materials and preparation processes of thin-film thermocouples on their thermoelectric property and high-temperature stability are emphasized.The effects of process parameters(such as annealing environment,nitrogen content and material doping level)and emerging preparation methods(such as spray treatment and screen printing)on the thermoelectric property of thin-film thermocouples in domestic and foreign research are discussed.The current research status of testing and calibration technology of thin-film thermocouples is briefly described.Finally,the problems that need to be studied urgently for thin-film thermocouples are pointed out,and the future development direction of the field is prospected,providing a reference for the technical research of high-temperature thin-film sensors used in harsh environments.Key words：thin-film thermocouple；Seebeck coefficient；temperature measurement；annealing；dynamic test；calibration收稿日期：2020-07-13基金项目：装备预研基金资助项目（614()61905()4)通信作者：张志杰，E-m ail: zhangzhijie@963微纳电子技术DOI：10. 13250/ki.wndz.2020. 12. 002 EEACC：7230M0引百近年来，随着现代科学技术的飞速发展，在核 电和航空工业领域中，涉及到大量高温、瞬态的测 温场合，对测温精度、稳定性均要求较高。
薄膜热电偶传感器综述
薄膜热电偶温度传感器综述摘要:随着低维材料技术的发展和对测温要求的提高，薄膜热电偶温度传感器应运而生，其快速响应特性为测量瞬变温度提供了可能。
着重介绍了薄膜临界厚度的确定、扩散现象的影响、制备工艺、静态标定方法、动态参数测定等关键技术，并对其未来发展做出了展望。
关键词:薄膜热电偶; 赛贝克效应; 尺寸效应; 扩散; 动态标定引言：在科学技术飞速发展的今天，各种材料低维化已经成为了材料科学发展的重要趋势之一，大量不同功能的薄膜材料已经在工业生产中得到了越来越多的应用，而薄膜热电偶温度传感器正是随着薄膜材料技术发展而出现的新型传感器。
与普通体块型热电偶相比，薄膜热电偶具有典型的二维特性，其热结点厚度为微纳米量级，因此，具有热容量小、响应迅速等［1］优点，能够准确测量瞬态温度变化。
目前，国内关于薄膜热电偶温度传感器的研究工作主要集中在制备工艺的研究和传感器的标定上面。
随着薄膜制备技术日趋多样化，热电偶薄膜的制备工艺也越来越复杂，工艺的优劣将直接关系到薄膜热电偶温度传感器的各项性能指标，因此，研究制备工艺在其研究中占据非常重要的地位。
到目前为止，由于缺乏相关理论基础和有效的实验途径，动态标定依然困扰薄膜热电偶发展，同时也是急需解决的关键问题。
近来，国内外相关研究人员从材料物理性能角度出发对薄膜热电偶展开研究，并取得了一定的研究成果，这些都推动了其进一步发展。
在此基础上，本文综述了薄膜热电偶温度传感器的国内外的发展现状，着重介绍了其发展的关键技术问题，以及对其未来发展的展望。
1 薄膜热电偶温度传感器的关键技术1．1 薄膜热电偶临界厚度的确定根据薄膜的尺寸效应理论，在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性具有不确定性。
当薄膜的厚度小于某一值时，薄膜连续性发生中断，从而引起电子输运现象发生变化，因此，薄膜热电偶的厚度不是越薄越好，而是存在一个临界厚度。
当薄膜厚度 d 大于临界厚度时，金属薄膜电阻率ρf与厚度之间存在一定关系，即ρf× d 值与d呈线性关系，可以根据这一关系来确定金属薄膜的临界厚度。
薄膜热电偶动态特性标定技术研究现状
式中６为热结点膜厚，ｍ；ｄ为热结点材料的导温系数，
ｍ２／ｓ。
由于薄膜热电偶热结点多为微米级，由式（１）可见，薄 膜热电偶的动态时间常数达微秒量级，且热结点膜层越薄， 导温系数越大，传感器动态响应越迅速，同时，也减小了由 于膜层热惯性引起的指示值与实测值的偏差。他们¨ｏ利 用自行研制的测锻模工作表面温度的薄膜热电偶提出动态 特性标定实验方案。方法为，激光光束经分光镜分为两柬： 一束被硅光电二极管接收；另一束投射到薄膜热电偶热结 点上，用照相机拍摄示波器上的硅光电管输出与薄膜热电 偶输出的波形。对照相机上拍摄得到的波形进行线性化近 似处理，将薄膜热电偶的动态特性视为一阶系统，根据一阶 系统对阶跃信号的响应理论计算动态响应时间。实验结果
（１）
源，其他能产生瞬时温升的热设备也可以作为薄膜热电偶 动态标定系统中的激励热源。西安公路交通大学的研究人 员¨刚就用加热回路作为薄膜热电偶动态标定实验中的热 源，进行了一定量的研究工作，实验结果表明：该法理论上 有依据，技术上易实现。 上述薄膜热电偶动态标定方案理论分析是可行的。但 在具体计算动态响应时间时，若把传感器的动态特性简单 视为一阶系统，将得到的波形线性化处理，由其波形估算 出，这种方法对丝式热电偶标定是适用的。薄膜热电偶热 结点多为微米级，其动态响应时间只有几十微秒，用此方法 得到的时间常数势必精度较差，所以，不能简单地把薄膜热 电偶的动态特性等价为一阶系统。不少研究人员提出对薄 膜热电偶动态特性建立数学模型，由模型计算动态响应时 间提高了动态标定精度。
ｔｈｅ姗ｏｃｏｕｐｌｅｓ ｄｙｎａｍｉｃ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
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Abstract： The thin film thermocouple temperature sensor is created with the development of low-dimensional materials technology and the increase of temperature measurement requirements． It is possible to measure transient temperature by using the thin film thermocouple temperature sensor as its rapid response characteristics． The domestic and foreign development present situation is summarized． The technical problem such as determining the critical thickness，the influence of diffusion，preparation technology is also introduced emphatically． Its development direction in the future is also presented． Key words： thin film thermocouple； Seebeck effect； size effect； diffusion； dynamic calibration
1967 年，美国肯尼科特公司的 Ledgemont［19］实验室就 开始对薄膜热电偶的尺寸效应进行研究，他们通过对不同 膜厚的 Cu / CuNi 薄膜热电偶的赛贝克系数进行对比，发现 当薄膜热电极的厚度小于 120 μm 时，其热电动势系数急剧 减小，电阻率急剧增大。反之，不仅其热电动势系数与普通 体快型热电偶相当，而且热电动势响应时间也会大大减小， 小于 1 μs。这表明要研究薄膜热电偶的热电动势系数和响 应时间，首先需要确定薄膜的临界厚度。 2． 2 扩散现象对薄膜热电偶性能的影响
摘 要： 随着低维材料技术的发展和对测温要求的提高，薄膜热电偶温度传感器应运而生，其快速响应特
性为测量瞬变温度提供了可能。综述了薄膜热电偶温度传感器国内外发展现状，着重介绍了薄膜临界厚
度的确定、扩散现象的影响、制备工艺等关键技术，并对其未来发展做出了展望。
关键词： 薄膜热电偶； 赛贝克效应； 尺寸效应； 扩散； 动态标定
2009 年，韩国光州科学技术院的 Korotcenkov G 和 Cho B K［10］研究了薄膜厚度对 SnO2 基气敏薄膜传感器性能影 响，其关于功能薄膜尺寸效应的研究思想为薄膜热电偶温 度传感器在这方面的研究提供了重要借鉴。实验结论表 明： 薄膜厚度决定传感器的重要特性，因此，确定尺寸效应 也是薄膜热电偶温度传感器的重要研究方面，确定热电偶 薄膜厚度方向上的尺寸主要参考因素是其响应速率和灵敏 度的要求。 1． 2 国内发展现状
性能角度出发对薄膜热电偶展开研究，并取得了一定的研 究成果，这些都推动了其进一步发展。在此基础上，本文综 述了薄膜热电偶温度传感器的国内外的发展现状，着重介 绍了其发展的关键技术问题，以及对其未来发展的展望。 1 国内外发展现状 1． 1 国外发展现状
薄膜热电偶温度传感器的概念最早是由德国人 Hackemann P［2］提出的，他将其成功用于测量枪膛在子弹射出 后膛壁的温度变化，此时薄膜厚度达到了 2 μm。随后，美 国人 Bendersky D［3］在 Hackemann P 的基础上研制出了热 结点厚度为 1μm 的薄膜热电偶，从而进一步减小了测温响 应时间。在 20 世纪 60 年代，为了测定内燃机壁面的瞬变 温度，日本人小栗达、原正键等人发明出了夹板式薄膜热电 偶温度传感器，而与此同时，英国人 Marshall［4］则提出将热 电极以薄膜的形式直接沉积在被测表面的方法，这两种方 法都比较好地解决了这一问题。美国通用电气公司［5］采用
21 世纪以来，国内研究人员在薄膜热电偶传感器的制 备工艺、动态标定以及理论建模等领域都开展了大量工作。 大连理工大学精密与特种加工重点实验室［13，14］ 运用磁控 溅射法，制备出 NiCr / NiSi 薄膜热电偶温度传感器，并采用 激光脉冲法对其进行了动态标定。在借鉴前人激光脉冲标 定法的基础上，中北大学［15］研究人员设计出一套动静态一
目前，国内关于薄膜热电偶温度传感器的研究工作主 要集中在制备工艺的研究和传感器的标定上面。随着薄膜 制备技术日趋多样化，热电偶薄膜的制备工艺也越来越复 杂，工艺的优劣将直接关系到薄膜热电偶温度传感器的各 项性能指标，因此，研究制备工艺在其研究中占据非常重要 的地位。到目前为止，由于缺乏相关理论基础和有效的实 验途径，动态标定依然困扰薄膜热电偶发展，同时也是急需 解决的关键问题。近来，国内外相关研究人员从材料物理
薄膜热电偶温度传感器的工作核心是由 2 个热电极薄 膜相互搭接而成的热结点，不同于体块型热电偶，由于薄膜 材料之间普遍存在相互扩散的现象，而这种金属薄膜之间 的相互扩散势必会对薄膜的各项性能产生影响，因此，研究 薄膜热电偶电极材料之间的扩散现象对于研制薄膜热电偶 传感器具有重要意义。
在薄膜热电偶 的 热 结 点 处，两 层 金 属 薄 膜 之 间 所 形 成 的界面通常既不是完全混乱，也不完全有序，而是一种相当 复杂的结构。在界面中会产生各种各样的缺陷，如空位、替 位或填隙杂质等，而这些缺陷会通过扩散向金属薄膜的内 部转移。金属薄膜相互扩散现象通常可分为可互溶的单晶 薄膜扩散和多晶薄膜间的扩散两种类型，金属薄膜之间的 扩散类型不同所导致的费米能级的变化也不同，进而引起
中图分类号： TP 212． 1
文献标识码： A
Hale Waihona Puke 文章编号： 1000—9787（ 2012） 02—0001—03
Research progress of thin film thermocouple temperature sensor*
ZHAO Yuan-shen，YANG Li-hong
（ School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
收稿日期： 2011—07—02 * 基金项目： 上海市教委重点学科建设项目（ J50503） ； 上海市研究生创新基金资助项目（ JWCXSL1102）
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传感器与微系统
第 31 卷
溅射镀膜技术制备了响应时间为 140 μs 的 Au-Pd 薄膜热电 偶传感器，并将其应用在测量激光束热流量的分布。
当前制备功能薄膜的技术很多，主要是物理气相沉积 （ PVD） 和化学气相沉积（ CVD） 两大类方法［22］。不同的薄 膜制备技术各有其特点，其中，属于物理气相法的溅射镀膜 技术，由于具有高速、低温、低损伤等优点，同时还可以很好 地解决热电极材料在热结点处的交叉复合等问题，所以，非 常适合用来制备热电偶薄膜。同时，薄膜在制备过程中不 可避免会产生各种各样的缺陷，这些缺陷会影响薄膜热电 偶的电学性能，而热处理则可以有效地消除缺陷，改善薄膜 的内部组织，提高其性能，所以，薄膜的热处理工艺也是薄 膜热电偶制备工艺重要的研究领域。
近年来，国外在薄膜热电偶温度传感器的研究上面又 有了新的进展。2006 年，圣保罗大学的 Cattani M 和 Salvadori M C 等人［6］通过对 Pt / Au 薄膜热电偶进行研究，提出 了薄膜热电偶的量子尺寸效应。当薄膜厚度 d 小于平均自 由程 l 时，薄膜热电偶的热电动势与其厚度的倒数 1 / d 呈现 非线性化 关 系。2008 年，日 本 茨 城 大 学 的 Shinozuka J 等 人［7］采用嵌入式薄膜热电偶传感器测量切削刀具工作时的 高温变化，他们通过将内置在刀具中的薄膜热电偶温度传 感器在 FDA 温度模拟系统中进行仿真实验，得出的结论表 明薄膜热电偶的赛贝克系数（ 热电动势系数） 与薄膜热电偶 回路的电阻呈指数关系。威斯康辛大学麦迪逊分校机械工 程系的 Choi H 和 Li Xiaochun［8，9］为了研究激光微加工系统 的工作机理，他们利用热结点为 2 μm × 2 μm 快速响应薄膜 温度传感器，有效地对系统工作温度进行监测。
0引言 在科学技术飞速发展的今天，各种材料低维化已经成
为了材料科学发展的重要趋势之一，大量不同功能的薄膜 材料已经在工业生产中得到了越来越多的应用，而薄膜热 电偶温度传感器正是随着薄膜材料技术发展而出现的新型 传感器。与普通体块型热电偶相比，薄膜热电偶具有典型 的二维特性，其热结点厚度为微纳米量级，因此，具有热容 量小、响应迅速等［1］优点，能够准确测量瞬态温度变化。
体化标定系统，他们用 CO2 激光器作为静态标定激励源，钕 玻璃脉冲激光器作为动态标定激励源，这样的设计消除了 由于表面热辐射系数差异和位置移动而形成的系统误差。 为了有效解决薄膜热电偶动态标定过程中数据处理的难 题，南京师范大学［16，17］ 采 用 动 态 建 模 和 动 态 补 偿 的 方 法 对 传感器进行动态校准，并在此基础上引入小波变换来对实 验数据进行去噪预处理，从而推动了薄膜热电偶温度传感 器动态标定的理论发展。2010 年，中国飞机强度研究所［18］ 利用溅射薄膜热电偶对非金属结构表面瞬态温度进行测量 的应用研究，并探讨了薄膜热电偶在瞬态加热条件下与粘 贴的常规热电偶在测量结果上的区别，从而为薄膜热电偶 应用与热流密度即高温应变的测量提供了理论基础。 2 薄膜热电偶温度传感器的关键技术 2． 1 薄膜热电偶临界厚度的确定