坚固低成本的传感器可以监测设备中的热流以提高效率

电子或机械设备产生的过多热量是性能低下的标志或原因。在许多情况下，监控热量流动的嵌入式传感器可以帮助工程师改变设备行为或设计，以提高其效率。

研究人员首次利用一种新颖的热电现象来构建一种可以实时可视化热流的薄传感器。该传感器可以构建在其他类型的传感器无法实现的设备内部深处。它的制造速度快、成本低且易于使用成熟的方法。研究结果发表在《先进材料》杂志上。

根据能量守恒定律，能量永远不会被创造或毁灭，只会根据所涉及实体之间的相互作用从一种形式转变为另一种形式。所有能量最终都会转化为热量。对于我们来说，这可能是一件有用的事情，例如，当我们想要在冬天给家里供暖时;当我们想要冷却某些东西或充分利用电池驱动的应用程序时，这可能是有害的。

无论如何，我们越能更好地管理设备的热行为，我们就能更好地围绕这种不可避免的影响进行设计并提高相关设备的效率。然而，说起来容易做起来难，因为了解一些复杂、微型或危险设备内部的热量如何流动是一件困难到不可能的事情，具体取决于应用。

受到这个问题的启发，东京大学物理系的项目副教授TomoyaHigo和SatoruNakatsuji教授以及他们的团队(包括企业合作伙伴)开始寻找解决方案。“通过材料传导的热量称为热通量。寻找新的方法来测量它不仅有助于提高设备效率，而且有助于提高安全性，因为热管理不良的电池可能不安全，甚至健康，因为健康或生活方式问题可能与体温有关，”Higo说。

“但是找到一种传感器技术来测量热通量，同时满足许多其他条件，例如稳健性、成本效率、易于制造等，并不容易。典型的热二极管设备相对较大，并且只能给出特定区域的温度值，而不是整个表面热通量的图像。”

制作薄膜：卷对卷溅射沉积制造技术已经成熟，可以大量生产可蚀刻薄膜以用于商业环境。图片来源：Tanaka等人CC-BY-ND

该团队探索了由某些特殊磁性材料和电极组成的热通量传感器在存在复杂热流模式时的表现方式。基于铁和镓的磁性材料表现出一种称为反常能斯特效应(ANE)的现象，即热能异常地转换为电信号的现象。

不过，这并不是唯一可以将热量转化为电能的磁效应。还有塞贝克效应，它实际上可以产生更多的电力，但它需要大量的材料，而且材料很脆，很难加工。另一方面，ANE允许团队在极其薄且具有延展性的塑料片上设计他们的设备。

Higo说：“通过找到合适的磁性和电极材料，然后以特殊的重复模式应用它们，我们创建了灵活、坚固、廉价且易于生产的微型电子电路，最重要的是非常擅长实时输出热通量数据。”

“我们的方法包括卷起一层薄薄的透明、坚固且轻质的PET塑料作为基层，并在其上以薄且一致的层溅射磁性和电极材料。然后，我们将所需的图案蚀刻到所得薄膜中，类似于电子技术电路已经制作完成。”

该团队以一种特殊的方式设计了电路，以增强ANE，同时抑制塞贝克效应，因为这实际上会干扰ANE的数据收集潜力。以前的尝试以任何可以轻松扩大规模和潜在商业化的方式都没有成功，这使得该传感器成为同类中的第一个。

“我设想看到发电或数据中心等下游应用，这些应用中的热量会影响效率。但随着世界变得更加自动化，我们可能会在自动化制造环境中看到此类传感器，它们可以提高我们预测机器故障、某些安全问题等的能力，”中辻说。

“随着进一步的发展，我们甚至可能会看到内部医疗应用来帮助医生生成身体或器官特定区域的内部热图，以帮助成像和诊断。”

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