展旭和，邢健，楊杰，俞佳杰，張珂，吳思程*

（1.國(guó)家高速列車(chē)青島技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 370214；2.航材國(guó)創(chuàng)（青島）高鐵材料研究院有限公司，山東 青島 370214；3.北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院，浙江 杭州 310051）

溫度是一個(gè)表示物體冷熱程度的物理量，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，對(duì)于溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)控制具有十分重大的意義［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)于溫度傳感器也提出了越來(lái)越高的要求［2-4］。溫度傳感器需要具備柔性、高靈敏度、高精度、快速響應(yīng)和寬工作溫域等特性。溫度傳感器依靠敏感材料的溫度-電阻性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，包括了正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，常見(jiàn)的熱敏材料有有機(jī)材料、碳材料、金屬、金屬氧化物等。科研人員在這方面開(kāi)展了許多的研究，并取得了很大的進(jìn)展［5］。

基于金屬氧化物的熱敏電阻由于其高穩(wěn)定性、寬工作溫域、可大批生產(chǎn)、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、深海領(lǐng)域、通訊等領(lǐng)域中均有很好的發(fā)展及應(yīng)用前景［6-9］。目前熱敏電阻在塊體、厚膜應(yīng)用上已經(jīng)十分成熟，薄膜器件的制備還處在實(shí)驗(yàn)室探索階段，但是極高的加工溫度限制了其在柔性領(lǐng)域的應(yīng)用。金、銀、銅、鎳和鉑等金屬由于良好的溫度-電阻線性關(guān)系，常常被用作溫度傳感器的敏感材料［3，10-12］；各類金屬材料中鎳有著最高的靈敏度，同時(shí)在0～100℃溫度范圍內(nèi)電阻與溫度保持著非常好的線性關(guān)系；鉑雖然為貴金屬，但是出色的穩(wěn)定性使其得到了廣泛的應(yīng)用。另外，碳材料、有機(jī)聚合物等材料受到了越來(lái)越多的關(guān)注［10，13-15］，它們?cè)谌嵝浴⒊赡ば?、抗彎曲性上有著較大優(yōu)勢(shì)，在可穿戴領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

氧化鎳是一個(gè)典型的P型半導(dǎo)體材料，有著良好的負(fù)溫度電阻效應(yīng)，其作為熱敏電阻的應(yīng)用已有大量報(bào)道［16-19］。本課題組在之前研究的基礎(chǔ)上，基于氧化鎳納米顆粒得到了分散均勻穩(wěn)定的漿料，在旋涂成膜、熱固化和電極制備之后得到了寬溫域、高精度的溫度傳感器，同時(shí)表現(xiàn)出了非常好的機(jī)械性能。為了實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)及面，多點(diǎn)溫度同時(shí)感知監(jiān)測(cè)，將溫度傳感器進(jìn)行陣列化是非常必要的。因此本文通過(guò)COMSOL軟件對(duì)陣列式溫度傳感器進(jìn)行有限元分析，對(duì)陣列中氧化鎳單元大小和厚度進(jìn)行模擬優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果將為溫度陣列的制備提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

陣列式熱敏器件的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，由四層結(jié)構(gòu)組成，其中最底層為熱源，尺寸隨敏感單元尺寸的變化而變化；第二層為聚酰亞胺（PI）基底，基底尺寸為50 mm×50 mm；PI基底之上為氧化鎳敏感層材料，單元尺寸從6 mm×6 mm變化至12 mm×12 mm；電極覆蓋在敏感層之上，電極材料為銀；陣列密度設(shè)置為4×4，其中COMSOL材料庫(kù)中的Kapton H材料作為基底；不考慮敏感層材料中其他成分的影響，敏感層材料的性質(zhì)以氧化鎳來(lái)計(jì)算，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，模擬過(guò)程中將各層材料的厚度統(tǒng)一擴(kuò)大十倍。熱敏器件有限元網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，其中陣列模型完整網(wǎng)格包含31528個(gè)域單元、18744個(gè)邊界元和3216個(gè)邊單元。最小網(wǎng)格質(zhì)量：0.02673；平均網(wǎng)格質(zhì)量：0.5821。各種材料的性能限定見(jiàn)表1。

表1 材料性能限定條件Tab.1 Material property limits

圖1 陣列式熱敏器件的模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulation structure diagram of the array thermal sensitivity device

圖2 陣列式熱敏器件有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element mesh of the array thermal sensitivity device

模擬的條件設(shè)定如圖3所示，熱源施加在一個(gè)敏感單元的正下方，熱源溫度為50℃，環(huán)境溫度為20℃。模擬30 s之后可得到各個(gè)敏感單元的溫度分布情況，并由此來(lái)確立單元的最優(yōu)尺寸。

圖3 仿真邊界條件設(shè)定Fig.3 Simulation boundary condition settings

在仿真確定了敏感單元的尺寸之后，再通過(guò)計(jì)算不同敏感層厚度對(duì)溫度分布的影響來(lái)確定敏感層厚度范圍（見(jiàn)圖4）。模擬結(jié)構(gòu)各層的尺寸、材料性質(zhì)以及其他設(shè)定條件與上述相同，敏感層厚度在0.1～1.9 mm之間變化。

圖4 敏感層厚度仿真示意圖Fig.4 Sensitive layer thickness simulation diagram

2 敏感單元尺寸優(yōu)化

在模擬優(yōu)化過(guò)程中一共設(shè)計(jì)了8個(gè)不同尺寸敏感單元，4×4陣列密度的熱敏器件（見(jiàn)圖5）。通過(guò)在左下角的敏感單元施加一個(gè)溫度恒定為50℃塊體作為熱源，在前期的模擬中發(fā)現(xiàn)在熱源施加時(shí)間25 s之后，陣列的溫度分布基本上達(dá)到平衡狀態(tài)，因此計(jì)算和評(píng)估在30 s之后此單元的溫度和相鄰單元的溫度變化情況，從而來(lái)確定適合的敏感單元尺寸。

圖5 敏感單元尺寸優(yōu)化Fig.5 Size optimization of thermal-sensitive unit

圖6 為30 s之后的陣列器件溫度分布圖，可以看出施加熱源之后，熱擴(kuò)散對(duì)周?chē)拿舾袉卧a(chǎn)生了不同程度的影響，其中影響最大的是單元2和單元3，對(duì)于單元4的影響較小，對(duì)于剩下的其他敏感單元?jiǎng)t基本沒(méi)有影響。為了更加方便地對(duì)比不同單元大小的影響，將正對(duì)著熱源和兩個(gè)敏感單元即單元2和單元3繪圖，在圖7中列出。同時(shí)相鄰單元的溫度變化情況和與加熱敏感單元的溫差變化趨勢(shì)總結(jié)在圖8中。

圖6 熱擴(kuò)散影響示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal diffusion effects

圖7 不同尺寸敏感單元在熱源保持30 s之后1單元與相鄰2，3單元的溫度分布圖Fig.7 Temperature distributions of unit 1,unit 2 and unit 3 after 30 s the heat source kept for different size sensitivity units

從圖8曲線可以直觀地發(fā)現(xiàn)，在敏感單元尺寸較大的時(shí)候，其對(duì)臨近單元有較大的影響；隨著單元尺寸的減小，其影響快速降低。相鄰單元的最高溫度從37℃快速下降；當(dāng)尺寸達(dá)到8 mm×8 mm時(shí)，基本達(dá)到了平衡狀態(tài)，之后隨著單元尺寸的下降，相鄰單元溫度基本恒定，兩者溫差保持在21℃左右。由于氧化鎳溫度傳感器的電阻較大，在相同情況下優(yōu)先考慮面積更大的敏感單元，因此確定敏感單元的大小為8 mm×8 mm。

圖8 2，3單元最高溫度，和1單元與2，3單元溫差變化曲線Fig.8 Unit 2,unit 3 maximum temperature,and unit 1 unit and unit 2,unit 3 temperature difference curve

3 敏感單元厚度優(yōu)化

在確定了最佳的單元面積大小后，接著進(jìn)行了最優(yōu)厚度的模擬仿真。在厚度的模擬優(yōu)化中設(shè)計(jì)了氧化鎳敏感層從0.1～1.9 mm共19個(gè)不同厚度敏感單元，尺寸面積為仿真優(yōu)化確定的8 mm×8 mm，陣列密度為4×4的熱敏器件。優(yōu)化步驟與熱源設(shè)置同上述優(yōu)化熱敏單元一致，比較在30 s之后的陣列溫度分布情況，進(jìn)行最佳厚度的確定。

優(yōu)化結(jié)果在圖9中進(jìn)行了整理歸納，可以看出隨著敏感層厚度的增加，熱源端敏感單元的溫度在逐步降低，同時(shí)對(duì)相鄰敏感單元的影響也逐漸變小，兩者的溫差在厚度由0.1 mm增加到1.0 mm過(guò)程中變化較大，在這之后變化趨勢(shì)放緩。為了較為真實(shí)地反映熱敏的實(shí)際溫度，同時(shí)盡量減小對(duì)周?chē)鷨卧挠绊?，選擇敏感層厚度在0.6～1.0 mm比較合適。

圖9 不同厚度下，a.熱源端敏感單元溫度；b.相鄰敏感單元溫度；c.熱源端單元與相鄰單元溫差Fig.9 Under different thicknesses,a:the sensitive element temperature at the heat source;b:the temperature of the adjacent sensitive unit;c:the temperature difference between the above units

4 結(jié)論

敏感單元尺寸的模擬結(jié)果顯示，隨著單元面積的減小其對(duì)于臨近單元的影響逐步減小，在面積為8 mm×8 mm時(shí)，基本達(dá)到平衡。對(duì)于厚度來(lái)說(shuō)，當(dāng)厚度到達(dá)1.0 mm之前，其變化對(duì)相鄰單元溫度影響較大；在厚度更大情況下，影響變小。因此，綜合兩個(gè)模擬結(jié)果，本文確定了陣列中敏感層單元的尺寸為8 mm×8 mm×（0.6～1.0）mm。具體的厚度結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定。