CN106289554A - 一种超快响应的可二维阵列化的温度传感芯片及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超快响应的可二维阵列化的温度传感芯片及其制备方法与应用。所述温度传感芯片包括纸基底以及所述纸基底内部储存的离子液体，根据所述离子液体的电导率随温度的变化实现温度的检测。与传统的近红外传感芯片相比，该传感芯片减小了芯片的体积和成本，结构简单，操作方便，响应速度超快(响应时间6s)，方便携带，价格低廉，可以大批量生产。且二维温度传感阵列具有材料简单，结构简易，制备方便等特点。

Description

一种超快响应的可二维阵列化的温度传感芯片及其制备方法 与应用

技术领域

本发明涉及一种超快响应的可二维阵列化的温度传感芯片及其制备方法与应用，属于温度传感器领域。

背景技术

温度传感器作为开发最早以及应用最广泛的一类传感器，其市场份额远远超过其它传感器。传统的温度传感器基于工作物质热胀冷缩的原理来实现对温度的测量，由于建立在热平衡的基础上，因此需要较长的响应时间，如传统的温度计需要数分钟才能精确检测出待测的温度。基于热电偶的电子温度传感器因其便携性和实用性在诸多领域有着很广阔的应用前景，但依然存在响应速度慢、材料的环境友好性差以及降解难等一系列问题。响应速度过慢严重限制了温度传感器在工业生产、科学研究等领域的高端应用，是温度传感器急需解决的一个重要技术难题。

离子液体作为新型的电介质材料因具有高灵敏的温度响应特性而备受人们关注。离子液体是仅由阴、阳离子构成的纯净物。常见的阳离子有季铵阳离子、季鏻阳离子、咪唑阳离子和吡啶阳离子等，阴离子有卤素阴离子、四氟硼酸根、三氟甲磺酰亚胺根等。离子液体因其熔点低于室温或接近室温而呈液态，从而具有一定的流动性。同时，离子液体自身可忽略不计的蒸汽压，使其在空气中不会因挥发而消失殆尽。此外，离子液体具有良好的热稳定性、化学稳定性、较高的离子电导率以及适中的粘度，使得离子液体在常作为电化学窗口在分析及能源领域有着广阔的应用前景。

现有的基于离子液体的温度传感器的基底主要采用聚二甲基硅氧烷，该温度传感器存在制备繁琐、响应速度慢等缺点。随着现代温度传感器的技术发展和更高性能要求，快速响应、制备简易、成本低廉，同时兼具柔性与可折叠能力的温度传感器成为现代温度传感器必须要考虑的因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快响应的可二维阵列化的温度传感芯片及其制备方法与应用，该方法利用离子液体可借助毛细作用力以及物理吸附保留在纸的多孔纤维结构内部的特点，将纸作为离子液体温度传感芯片的基底，结构简单，原料来源广泛，成本低廉，响应速度快。

本发明提供的温度传感芯片，它包括纸基底以及内部储存的离子液体，根据所述离子液体的电导率随温度的变化实现温度的检测。由于离子液体的电导率受温度影响很大，仅仅一摄氏度的温差就能够产生显著的响应信号，而且离子液体暴露在环境中，热传导和热接触都在极短的时间内完成，因此当外界温度发生变化传递至基底上时，使得基底内部储存的离子液体的电导率随温度而发生变化，这种变化可以通过电化学设备快速检测出来。

上述的温度传感芯片中，通过笔写或打印的方式将所述离子液体转移到所述纸基底上，得到所述温度传感芯片。

上述的温度传感芯片中，所述纸基底为具有多孔纤维结构的纸张，包括但不限于打印纸张。所述纸基底的厚度可为0.01mm～1mm。所述纸基底具体可为国际标准化组织规定的A4纸。

上述的温度传感芯片中，所述离子液体可为1-辛基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐([OMIm][Tf₂N])、1-丁基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐([BMIm][Tf₂N])和1-乙基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐([EMIm][Tf₂N])中任一种。

上述的温度传感芯片中，所述温度传感芯片还包括2个电极；所述2个电极均与所述离子液体接触。所述温度传感芯片内部储存的离子液体能与待测物实现快速的热交换，进而改变离子液体的电导率，再通过所述2个电极和电化学设备检测离子液体的电导率变化，将电导率改变量与温度一一对应，实现对温度的精确检测；此外，还可进一步对传感基元进行集成获得二维阵列的温度传感器芯片。

本发明还提供了上述温度传感芯片的制备方法，它包括将所述离子液体直接转移到所述纸基底上的步骤。

上述的制备方法中，所述离子液体通过笔写或打印的方式转移到所述纸基底上，所述笔写具体可为将中性圆珠笔芯中的墨水替换为所述离子液体在所述纸基底上进行书写，如画出一条直线。

上述的制备方法中，所述方法还包括在所述纸基底上固定2个电极，并使所述2个电极均与所述离子液体接触的步骤。

所述2个电极具体可为金电极。

所述固定可为镀或者涂抹，如使用磁控溅射镀金或者涂抹银浆。

所述2个电极的形状可为长方形，大小可为0.5cm×1cm。

所述2个电极之间设有间距，所述间距的长度可为0.5cm。

上述的温度传感芯片在制备二维温度传感阵列中的应用，也在本发明的保护范围内。

本发明进一步提供了一种二维温度传感阵列，所述二维温度传感阵列中的每个传感单元为上述任一项所述的温度传感芯片。

上述二维温度传感阵列的制备方法，也在本发明的保护范围内，包括如下步骤：

1)在所述纸基底上镀上个n个(如8个)平行的电极条带；

2)在步骤1)中所述纸基底的背面，沿着所述电极条带的长度方向，在每个所述电极条带上转移n个等距离的离子液体液滴，并使所述液滴透过所述纸基底与所述电极条带接触；

3)垂直与所述金属条带的方向，在步骤2)中所述离子液体的上方镀上n个平行的电极条带，形成n×n的二维阵列，即可得到所述二维温度传感阵列。

上述的制备方法中，所述离子液体通过笔写或打印的方式转移到所述电极条带上，所述笔写具体可为将中性圆珠笔芯中的墨水替换为所述离子液体在所述纸基底上进行书写。

本发明具有如下有益效果：

与传统的近红外传感芯片相比，该传感芯片减小了芯片的体积和成本，结构简单，操作方便，响应速度超快(响应时间6s)，方便携带，价格低廉，可以大批量生产。且二维温度传感阵列具有材料简单，结构简易，制备方便等特点。

附图说明

图1为实施例1中制备离子液体纸基温度传感芯片的示意图。

图2为实施例1中离子液体纸基温度传感芯片的实物照片。

图3为实施例1中离子液体纸基温度传感芯片对温度的响应图。

图4为实施例1中纸基温度传感芯片对不同测试温度的响应时间图。

图5为实施例2中制备二维温度传感阵列的示意图。

图6为实施例2中基于离子液体的二维温度传感阵列的实物照片。

图7为实施例2中二维温度传感阵列在温度场中的二维成像图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中使用的离子液体(1-乙基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐)([EMIm][Tf₂N])购自兰州中科凯特科工贸有限公司。

实施例1、离子液体纸基温度传感芯片的制备及对温度的响应

(1)离子液体纸基温度传感芯片的制备

如图1所示，按照如下步骤制备温度传感芯片：

1)金电极沉积：通过磁控溅射镀膜仪(型号：JCP-200，北京泰科诺科技有限公司)在一张3cm×3cm的A4纸镀上特定形状的2个金电极，金电极的大小为0.5cm×1cm，2个金电极之间的距离为0.5cm。

2)笔写：将得到的芯片用装有离子液体的笔芯(将中性圆珠笔笔芯中的墨水替换为离子液体得到装有离子液体的笔芯)画出一条直线，并使离子液体与2个金电极相连接。

3)连接导线：将上述芯片的两电极与两根导线相连接，并用导电胶把电极与导线之间紧密贴合，使导线与导电胶充分接触。

制备得到的温度传感芯片的实物照片如图2所示。

(2)离子液体纸基温度传感芯片对温度的响应

将制备的温度传感芯片的电极接入到电化学工作站(型号：CHI660E，上海辰华仪器有限公司)，方法采用电流-时间曲线法，设定输出电压恒定为1.0V，对温度传感芯片进行恒电位扫描，得到的电流-时间曲线仅与芯片的电阻变化有关，具体实验过程及结果如下：

选取恒温加热台(型号：BP-2B，北京创世微纳科技有限公司)作为恒温测试装置，温度可设定为30℃至65℃之间任意值，并控制室温恒定为25℃。

1)调节恒温加热台的温度恒定为45℃，将上述温度传感芯片的电极线接入到电化学工作站，同时对芯片进行恒电位扫描，电压设置为1.0V，记录电流-时间曲线，观察电流随温度改变而发生的变化，设定加热温度的时间为2min，冷却时间为2min，持续14个循环，其中，响应值(ΔG/G₀)的计算依赖一个设定的公式：ΔG/G₀＝[1-I/I₀]×100％，其中I表示实时电流，而I₀表示初始测试时的起始电流。

实验结果如图3所示，由图3可知，在14个循环中，每个循环的响应值基本一致，即在温差为20K时，每个循环的响应值都在60％左右。

2)将上述温度传感芯片的电极连线接入到电化学工作站，对芯片进行恒电位扫描，电压设置为1.0V，记录电流-时间曲线，观察电流随温度变化产生的变化，设定加热温度时间为2min，冷却时间为2min。其中，依次调节加热温度从30℃递增至60℃，使温差值依次为5K、10K、15K、20K、25K、30K和35K。

实验结果如图4所示，由图4可知，所述超快响应温度传感芯片在所有温差下的响应时间为6s。在30℃～60℃之间，响应值ΔG/G₀随着温差的上升而上升，呈规律性增加。其中ΔG/G₀与温差ΔT的关系方程如式(1)：

$\mathrm{\Δ}G/G_0+1=A\·\exp (-\frac{B}{C+1/\mathrm{\Δ}T})---\left(1\right)$

式(1)中，A＝1.059，B＝0.024，C＝0.008。

实施例2、二维温度传感阵列的制备及对温度场的成像

(1)二维温度传感阵列的制备

如图5所示，按照如下步骤制备二位温度传感芯片：

1)金电极沉积：通过磁控溅射镀膜仪(型号：JCP-200，北京泰科诺科技有限公司)在一张6cm×6cm的A4纸镀上特定形状的8个金电极条带，金电极条带的大小为4.5cm×0.5cm，每个金电极之间的距离为0.5cm。

2)翻面并笔写：用装有离子液体的中性圆珠笔在镀有金电极条带的纸张背面点出离子液体液滴，使离子液体透过纸能与金电极接触。一共点64个点，每个点相距0.5cm。

3)金电极沉积：在点有离子液体的一面通过磁控溅射镀膜仪镀上特定形状的8个金电极，金电极的大小为4.5cm×0.5cm，每个金电极之间的距离为0.5cm。金电极都与离子液体接触且与第一次镀的金电极成直角。

4)与导线连接：将上述芯片的16个电极与16根导线相连接，并用导电胶把电极与导线之间紧密贴合，使导线与导电胶充分接触。

制备得到的二维温度传感阵列如图6所示。

(2)二维温度传感芯片对温度场的成像

将制备的二维温度传感阵列芯片的电极接入到Keithley(型号：4200-SCS，ATektronix Company)，方法采用电流-时间曲线法，设定输出电压恒定为1.0V，对二维温度传感芯片进行恒电位扫描，得到的电流-时间曲线仅仅与外界的温度变化有关，具体实验过程及结果如下：

选取恒温加热棒作为恒温测试装置，温度可设定为25℃至65℃之间任意值，并保持室温为25℃。

1)调节恒温加热棒的温度恒定为29℃，将上述二维温度传感芯片的电极线接入到Keithley，同时对芯片进行恒电位扫描，电压设置为1.0V，记录电流-时间曲线，当加热棒接触其中的一个点时观察各个点的电流随温度改变而发生的变化，设定加热温度的时间为2min，冷却时间为2min，持续多个循环，其中，响应值(ΔG/G₀)的计算依赖一个设定的公式：ΔG/G₀＝[1-I/I₀]×100％，其中I表示实时电流，而I₀表示初始测试时的起始电流。

根据图4说明所给出的ΔG/G₀与温差ΔT的关系即公式(1)，计算出当加热棒接触其中一个点时阵列的温度值。

实验结果如图7所示，可知只有与恒温加热棒接触的点能测出温度变化，证明二维温度传感阵列的可靠性。

Claims (10)

1.一种温度传感芯片，其特征在于：所述温度传感芯片包括纸基底以及所述纸基底内部储存的离子液体，根据所述离子液体的电导率随温度的变化实现温度的检测。

2.根据权利要求1所述的温度传感芯片，其特征在于：所述纸基底为打印纸张；和/或，所述离子液体为1-辛基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐和1-乙基-3-甲基双三氟甲烷磺酰亚胺盐中任一种。

3.根据权利要求1或2所述的温度传感芯片，其特征在于：所述温度传感芯片还包括2个电极；所述2个电极均与所述离子液体接触。

4.权利要求1-3中任一项所述的温度传感芯片的制备方法，它包括如下步骤：将所述离子液体转移到所述纸基底上。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述离子液体通过笔写或打印的方式转移到所述纸基底上。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述方法还包括在所述纸基底上固定2个电极，并使所述2个电极与所述离子液体接触的步骤。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述固定为镀或者涂抹。

8.权利要求1-3中任一项所述的温度传感芯片在制备二维温度传感阵列中的应用。

9.一种二维温度传感阵列，其特征在于：所述二维温度传感阵列中的每个传感单元为权利要求1-3中任一项所述的温度传感芯片。

10.权利要求9所述的二维温度传感阵列的制备方法，它包括如下步骤：

1)在所述纸基底上镀上个n个平行的电极条带；

2)在步骤1)中所述纸基底的背面，沿着所述电极条带的长度方向，在每个所述电极条带上转移n个等距离的离子液体液滴，并使所述液滴透过所述纸基底与所述电极条带接触；

3)垂直与所述金属条带的方向，在步骤2)中所述离子液体的上方镀上n个平行的电极条带，形成n×n的二维阵列，即可得到所述二维温度传感阵列。