利用新颖的热电现象构建一种能够实时可视化热流的超薄传感器

电子或机械设备产生过多的热量是性能低下的标志或原因。许多情况下，监测热量流动的嵌入式传感器可以帮助工程师改进设备的散热行为或设计，以提高效率。据麦姆斯咨询介绍，东京大学研究人员首次利用一种新颖的热电现象构建了一种能够实时可视化热流的超薄传感器。该传感器可以构建在其它类型传感器无法触及的设备内部深处，并且，它们可以利用快速、廉价的成熟方法制造。

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而从一种形式转变成另一种形式。所有的能量最终都会转化成热量。对人们来说，很多情况下这可能是一件有用的事情，例如，我们可以在冬天给家里供暖。当然，也会成为不利的因素，例如，当我们想冷却某些东西时，或者影响电池供电应用的效能等。无论如何，我们越能更好地管理设备的热行为，就能更好地围绕这种不可避免的影响进行优化设计，提高相关设备的效率。不过，说起来容易做起来难，根据应用的不同，充分了解那些复杂、微型或危险设备内部的热量传递非常困难，甚至不可能做到。

为此，东京大学物理系的Tomoya Higo副教授和Satoru Nakatsuji教授及其研究团队（包括企业合作伙伴）开始着手寻找解决方案。Higo说：“通过材料传导的热量被称为其热通量。寻找新的测量方法不仅有助于提高设备效率，还有助于提高安全性，例如热管理不佳的电池可能不够安全，这甚至还与人体健康相关，因为各种健康问题或生活方式问题可能都与体温相关。不过，开发一种同时满足许多条件（如坚固性、成本效益、易于制造等）的热通量测量传感器并不容易。典型的热二极管器件相对较大，且只能给出特定区域的温度值，无法提供整个表面的热通量图像。”

该团队探索了一种由某些特殊磁性材料和电极组成的热通量传感器，及其面对复杂热传递模式时的表现。这种基于铁和镓的磁性材料表现出了一种被称为异常能斯特效应（ANE）的现象，即热能异常转化为电信号的现象。不过，这并不是唯一能将热量转化为电能的磁效应。还有塞贝克效应，实际上塞贝克效应可以产生更多的电能，但它需要大量的材料，而且这些材料很脆，很难加工处理。另一方面，ANE效应使研究团队可以在非常薄且具有延展性的塑料片材上设计他们的传感器件。

近期，该研究成果已经以“Roll-to-Roll Printing of Anomalous Nernst Thermopile for Direct Sensing of Perpendicular Heat Flux”为题发表于Advanced Materials期刊。

Higo表示：“通过寻找合适的磁性和电极材料，然后以特殊的重复模式应用它们，我们构建了一种柔性、坚固、廉价且易于生产的微型电子电路，重要的是它们在实时输出热通量数据方面表现优异。我们的方案包括轧制一层透明、坚固、轻质的PET塑料薄膜作为基层，然后在其上溅射薄而均匀的磁性材料和电极材料层。然后，我们在所得到的薄膜中蚀刻所需要的图案，类似于电子电路的制造方式。”

薄膜制造，卷对卷溅射沉积制造技术已经成熟，可以针对商业应用大批量生产可蚀刻薄膜

研究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（因为这会干扰ANE的数据收集潜力）。在此之前，所有开发能够轻松扩大规模并商业化的类似传感器都没有成功，这使得这项研究成果成为同类传感器中的第一个。

通过特殊的图纹蚀刻，可以抑制塞贝克效应，避免干扰ANE的数据收集

Nakatsuji说：“我预计这项成果有望应用到发电或数据中心等下游应用，因为热量会阻碍这些应用的效率。随着自动化的日益普及，我们还有望在自动化制造环境中看到这种传感器，从而提高我们预测机器故障以及某些安全问题的能力。随着进一步的开发，它还可以用于内部医学应用，帮助医生生成人体特定区域或器官的内部热图像，以帮助成像和诊断。”

审核编辑：刘清