基于热电效应的自供电温度传感器及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于热电效应的自供电温度传感器及制备方法和应用，旨在提供一种基于高性能碲化铋基薄膜热电材料的、灵敏度高、灵活性强的温度传感器及制备方法，以及在监测温室大棚土壤温度方面的应用。该温度传感器包括热电模块，所述热电模块包括基底板，基底板上有成散射状分布的N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜，N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜间隔设置，N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜通过薄膜电极串联起来集成多对P

【技术实现步骤摘要】
基于热电效应的自供电温度传感器及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于自供电温度传感器
，更具体的说，是涉及一种基于热电效应的自供电温度传感器及其制备方法，以及其在监测农业温室大棚土壤温度方面的应用。

技术介绍

[0002]随着智慧农业的快速发展，能够提供可持续的、稳定的自供电传感技术备受人类广泛关注。在温室大棚中土壤温度过高或者过低都会影响农作物的正常生长，若是不能及时监控大棚土壤温度，可能导致农作物枯萎或者产量过低，给农民带来巨大的损失，因此温室大棚土壤温度的有效监控是判断农作物正常生长的重要依据之一。
[0003]目前，人们通过经验对温室大棚温度土壤进行管理，然而这种方法不仅需要农民具有较强的感知判断能力，而且控温不准确和浪费大量时间，也会间接造成农业经济损失。为精准控制土壤温度，大量的温度传感器开始被研究。然而，目前报道的温度传感器需要定期更换电池或者周期性充电，给农业大棚的智能控制也带来不便。因此，发展自供电的温室大棚温度传感器是智慧农业进一步发展的关键。
[0004]热电器件是通过集成热电材料和电极，利用材料的热电效应将环境中的热能转化为电能，可实现温室大棚的土壤温度的自供电实时监测。该方案的优点在于制备的基于热电器件可利用土壤温度与温室大棚环境温度建立温差，即可输出稳定电压，用于实时监测土壤温度的变化，不再局限于电池的充放电，光照或者风能发电。另一方面，相比于基于压电及摩擦类纳米发电供电的温度传感器，该传感器可直接作为自供电电源及传感一体式使用，不需用升压装置和交流直流转化即可满足土壤温度测试需求。
[0005]然而，现有的基于热电效应的温度传感器采用有机热电薄膜材料，比如聚苯胺薄膜，其热电性能比较低，这导致温度传感器灵敏度低，远不能满足农业土壤温度监测的需求。为增加热电材料的性能，室温性能高的碲化铋基薄膜热电材料被大量研究。虽然该材料性能提升的方法及机理机制被探索的很多，然而缺乏将其材料进行图案化集成设计研究，未能应用于基于热电效应的土壤温度传感器上。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于高性能碲化铋基薄膜热电材料、灵敏度高、灵活性强的自供电温度传感器。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供一种结构可靠的高灵敏度自供电温度传感器的制备方法。
[0008]本专利技术的再一个目的是提供一种基于热电效应的自供电温度传感器在监测农业温室大棚土壤温度方面的应用。
[0009]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0010]一种基于热电效应的自供电温度传感器，包括热电模块，所述热电模块包括基底板，所述基底板上设置有成散射状分布的N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜，所述N型碲化铋
薄膜和P型碲化锑薄膜间隔设置，所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜通过薄膜电极串联起来集成多对P
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N结热电腿，对应负极电极薄膜及正极电极薄膜的所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜分别与所述负极电极薄膜、正极电极薄膜连接；所述基底板上沿所述薄膜电极形成的内圈设置有中心镂空孔，所述中心镂空孔处的镂空位置及内圈的所述薄膜电极通过高导热材料封装，在中间区域形成导热封装层；所述导热封装层的厚度大于所述N型碲化铋薄膜、P型碲化锑薄膜及外圈所述薄膜电极的厚度，使得所述导热封装层与所述N型碲化铋薄膜、P型碲化锑薄膜及外圈所述薄膜电极之间建立高度差。
[0011]所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜为等腰梯形、长方形和扇形中的任一种，所述薄膜电极为等腰梯形、长方形和扇形中的任一种，所述薄膜电极的材料为铜、银、镍及钛中的任一种；所述基底板为正方形或长方形，所述基底板所用材料为聚酰亚胺、氮化铝及硅片中的任一种；所述高导热封装材料为硅脂、氮化硼绝缘复合材料或者氮化铝绝缘复合材料。
[0012]所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜均为等腰梯形，等腰梯形结构的所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜上底宽度均为0.20
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0.5mm，下底宽度均为0.5
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0.9mm，腰为7
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8mm；所述薄膜电极为等腰梯形；所述薄膜电极为铜材料；等腰梯形结构的内圈所述薄膜电极的上底宽度均为0.5
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2mm，下底宽度均为1
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2mm，腰为2
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3mm；等腰梯形结构的外圈所述薄膜电极的上底宽度均为1
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2mm，下底宽度均为1
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3mm腰为1
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2mm，厚度均为2
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4μm；所述薄膜电极形成的内圈圆的半径为5.5
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7.5mm；所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜的厚度为3
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15μm，所述基底板的厚度为0.3
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1mm，所述导热封装层的厚度为2
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6mm。
[0013]一种基于热电效应的自供电温度传感器的制备方法，包括热电模块的制备方法，所述热电模块的制备包括下述步骤：
[0014](1)在预处理后的基底板上通过磁控溅射的方法图案化沉积成散射状分布的所述N型碲化铋薄膜，之后，在相邻的两个所述N型碲化铋薄膜之间通过磁控溅射的方法图案化沉积所述P型碲化锑薄膜，然后，再通过磁控溅射的方法沉积所述薄膜电极、负极电极薄膜及正极电极薄膜将所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜串联起来集成多对P
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N结热电腿；
[0015](2)在所述基底板上沿所述薄膜电极形成的内圈进行镂空处理，形成所述中心镂空孔，之后，利用高导热材料封装所述中心镂空孔处的镂空位置及内圈的所述薄膜电极，在中间区域形成导热封装层；得到自供电温度传感器的热电模块。
[0016]在进行图案化沉积之前，首先通过有限元仿真软件建立所述热电模块的模型，得到所述热电模块的基底板厚度及内圈所述电极薄膜形成的圆的半径。
[0017]所述N型碲化铋薄膜的磁控溅射温度为350℃，磁控溅射时间为3.5小时，气压为2Pa，溅射功率为20W，补Te功率为16W；所述P型碲化铋薄膜的磁控溅射温度为350℃，磁控溅射时间为3.5小时，气压为2Pa，溅射功率为20W，补Te功率为28W；所述薄膜电极的磁控溅射温度为200℃，磁控溅射时间为2小时，气压为1.6Pa，溅射功率为25W。
[0018]所述基底板的预处理方法包括下述步骤：将所述基底板依次浸泡于洗洁精水、去离子水、丙酮、乙醇中进行超声处理，之后烘干，得到预处理后的基底板。
[0019]一种基于热电效应的自供电温度传感器在监测农业温室大棚土壤温度方面的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021]1、本专利技术的基于热电效应的自供电温度传感器中的热电模块采用成散射状分布的N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜通过薄膜电极串联后组成多对P
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N结热电腿，且中心区域镂空设计，并通过一定高度的高导热材料封装形成导热封装层，所获得的基于热电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热电效应的自供电温度传感器，包括热电模块，其特征在于，所述热电模块包括基底板，所述基底板上设置有成散射状分布的N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜，所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜间隔设置，所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜通过薄膜电极串联起来集成多对P
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N结热电腿，对应负极电极薄膜及正极电极薄膜的所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜分别与所述负极电极薄膜、正极电极薄膜连接；所述基底板上沿所述薄膜电极形成的内圈设置有中心镂空孔，所述中心镂空孔处的镂空位置及内圈的所述薄膜电极通过高导热材料封装，在中间区域形成导热封装层；所述导热封装层的厚度大于所述N型碲化铋薄膜、P型碲化锑薄膜及外圈所述薄膜电极的厚度，使得所述导热封装层与所述N型碲化铋薄膜、P型碲化锑薄膜及外圈所述薄膜电极之间建立高度差。2.根据权利要求1所述的基于热电效应的自供电温度传感器，其特征在于，所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜为等腰梯形、长方形和扇形中的任一种，所述薄膜电极为等腰梯形、长方形和扇形中的任一种，所述薄膜电极的材料为铜、银、镍及钛中的任一种；所述基底板为正方形或长方形，所述基底板所用材料为聚酰亚胺、氮化铝及硅片中的任一种；所述高导热封装材料为硅脂、氮化硼绝缘复合材料或者氮化铝绝缘复合材料。3.根据权利要求2所述的基于热电效应的自供电温度传感器，其特征在于，所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜均为等腰梯形，等腰梯形结构的所述N型碲化铋薄膜和P型碲化锑薄膜上底宽度均为0.20
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0.5mm，下底宽度均为0.5
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0.9mm，腰为7
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8mm；所述薄膜电极为等腰梯形；所述薄膜电极为铜材料；等腰梯形结构的内圈所述薄膜电极的上底宽度均为0.5
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2mm，下底宽度均为1
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2mm，腰为2
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3mm；等腰梯形结构的外圈所述薄膜电极的上底宽度均为1
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2mm，下底宽度均为1
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3mm腰为1
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2mm，厚度均为2
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4μm；所述薄膜电极形成的内圈圆的半径为5.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：王亚玲，谭明，刘小标，张梦娇，王静，贾树恒，李辉，李聪，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：