面向超高频植入式RFID芯片的温度传感器研制

基于0.18μm工艺设计并实现了一款用于超高频植入式RFID芯片的温度传感器。该温度传感器将MOS管作为感温元件,采用基于亚阈值MOS管的低功耗感温核心。传感器利用PTAT和CTAT两种电压延时器构成脉宽产生电路,从而生成脉宽信号,并与时间数字转换器(TDC)一起构成温度量化电路。核心电路的版图面积为298μm×261μm,测温范围为35~45℃。流片测试结果表明,三颗芯片在两点校准后的测温最大误差为±0.4℃,关键温区的最大误差为±0.2℃,实测功耗为623 nW。基于流片实测结果,发现了当前芯片的局限性,并提出了未来芯片结构的改进方向。

基于BJT特性的数字温度传感器发展现状及趋势

随着工业物联网趋向数字化、智能化和集成化发展,控制系统需要感知的物理量规模和复杂度都迅速提升。其中数字温度传感器能直接将温度信息转换为数字信号,具有低成本、低功耗、面积小、数字输出等多种优点,可以实时监测系统温度数据,并与反馈机制协同进行反馈调节,目前已经得到广泛应用。在各类数字温度传感器中,基于CMOS工艺寄生三极管(BJT)感温的数字温度传感器在制造工艺上更容易实现,且具有高稳定性和高精度,是工业界产品首选方案。聚焦基于BJT特性实现感温的数字温度传感器,从学术研究成果、工业产品两方面总结其技术路线、发展现状和趋势,为后续温度传感器研究提供参考。

新生儿重症监护病房心电监护仪内置温度传感器测量部位及测量时间的探讨

目的通过应用心电监护仪内置温度传感器在不同时间和部位测量新生儿的皮肤温度,并与水银体温计测量的腋温进行比较,探讨心电监护仪内置温度传感器测量新生儿皮肤温度替代水银体温计测量腋下温度的可行性。方法选取2019年11月至2020年5月于首都医科大学附属北京友谊医院新生儿重症监护病房(NICU)住院的新生儿,采用自身对照的方法,用心电监护仪内置温度传感器在其背部和腰部分别进行1~5 min的皮肤温度测量,并与水银体温计腋下测量5 min的结果进行比较。结果共纳入146例新生儿。其中99例新生儿应用心电监护仪内置温度传感器进行了背部皮肤温度测量,自身比较结果显示,心电监护仪内置温度传感器测量背部1 min和2 min的结果低于水银体温计腋下测量5 min,差异有统计学意义(P<0.05),而心电监护仪内置传感器测量背部3、4、5 min的结果与水银体温计腋下测量5 min的结果比较差异无统计学意义(P>0.05)。47例新生儿应用心电监护仪内置温度传感器进行了腰部皮肤温度测量,自身比较结果显示,心电监护仪内置温度传感器测量腰部1~5 min的结果与水银体温计腋下测量5 min的结果比较差异均无统计学意义(P>0.05)。结论可采用心电监护仪内置温度传感器测量新生儿背部及腰部皮肤的温度来替代水银体温计测量腋下的温度,如果选用背部测量皮肤温度建议测量时间不短于3 min。

温度传感器动态响应校准恒温恒速水槽研究

动态响应是安全重要场合温度传感器的关键性能,恒温恒速水槽是温度传感器水流环境动态响应校准的核心设备。针对典型环形旋转水槽升温慢的问题,研制了基于精密滑环的电加热环形旋转水槽,开展了温场性能和流场性能测试,并与现有射流旋转水槽温度传感器动态响应校准装置的结果进行了比较。结果表明,新研制的基于精密滑环的电加热环形旋转水槽升温时间缩短,温度波动度显著小于温度阶跃量的±1.0%,竖直方向流速均匀度显著优于10%的要求。对铠装热电阻和热电偶时间常数进行了测量,与现有装置测量结果的偏差分别为4.1%和7.5%,满足工程应用要求,为温度传感器动态响应校准提供了良好的恒温恒速环境条件。

基于数字温度传感器的热电偶冷端补偿研究

介绍热电偶的工作原理和冷端温度补偿,对比分析不同数字温度传感器的工作原理和特点,提出基于数字温度传感器实现热电偶冷端补偿的方法,解决了热电偶测温存在冷端温度变化大、测量数据非线性难处理、测量信号微弱及数字化输出须转换等问题,提高了测量准确度,简化了温度补偿电路。

基于温度传感器的通信电源热管理策略研究

文章概述温度传感器的发展现状,分析通信电源热管理当前面临的挑战与需求。通过比较不同类型温度传感器的性能,优化传感器的选择与布局设计,并构建高效的数据采集与处理系统。详细阐述通信电源热管理系统的架构设计、监测预警机制及热管理策略的制定,提出热管理策略的具体实施步骤,强调软硬件协同工作的重要性,并讨论系统的维护与调整方法。

一种基于S型电磁超材料的高温温度传感器设计

针对目前超材料温度传感器存在的量程小且灵敏度较低的问题,设计了一种碳氮化硅基的S型超材料的高温传感器。通过CST电磁仿真软件对超材料温度传感器进行模拟仿真,在其他结构参数一定的情况下,对金属条的长度、宽度、厚度、条间隙及基板厚度等参数进行了设计与优化,确定了传感器结构的最佳尺寸,同时分析了传感器的谐振频率对温度的影响。结果表明,在28℃~1000℃下平均灵敏度可达5.674 MHz/℃。与之前报道的高温传感器相比,灵敏度提高了5倍,这种高灵敏度温度传感器可为航空发动机、武器装备等系统中的高温测试提供一种技术手段。

基于聚氨酯膜的还原氧化石墨烯/羧甲基纤维素柔性温度传感器的制备及性能研究

具有高温度灵敏度和可靠重复性的柔性温度传感器在新兴的电子皮肤领域具有至关重要的作用。将羧甲基纤维素(CMC)溶解在氧化石墨烯溶液(GO)中,在化学还原后使用聚氨酯膜(PU)封装合成了具有机械柔性的温度传感器件。该传感器具有优异的温度灵敏系数(1.54%/K)、快速的响应时间(9.2 s)以及可靠的监测重复性。值得注意的是,CMC的引入增加了还原氧化石墨烯(rGO)片层间的导电势垒,这有效地提高了复合材料的温度灵敏系数。同时,PU膜的封装阻碍了氧气和水分子的干扰,极大增强了传感器的使用寿命和稳定性。此外,该柔性温度传感器在连续温度监测和呼吸频率测量等实际应用中表现出卓越的检测精度和稳定性,展现了其在电子皮肤领域中如医疗监测、智能机器人平台和环境探测等应用场景的广泛适用性。

机载下投式探空温度传感器设计与实验研究

为降低太阳辐射对机载下投式探空仪中温度传感器的影响,设计了一种阵列式NTC珠状热敏电阻探空温度传感器。该传感器阵列通过探头间的太阳辐射误差比值推算大气环境温度的真实值。首先,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法选出传感器探头的最优引线夹角,再对表面涂覆不同太阳辐射反射率涂层的探头进行太阳辐射误差比值计算;然后利用支持向量机(support vector machine, SVM)拟合仿真,得到辐射误差比值拟合模型;最后,搭建低气压风洞以及太阳模拟器实验平台。实验结果表明,该温度传感器阵列可将测量误差降低至0.065℃,均方根误差降至0.078℃,有望将太阳辐射误差对下投式探空仪温度测量的影响降低至0.1℃以内。

基于熔喷非织造材料的温度传感器制备及其传感性能

为结合织物的柔软性、舒适度和耐磨性制备低成本、高性能的可穿戴温度传感器,以超声波处理工艺将不同浓度比的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)和碳纳米管(CNTs)共同负载在聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)熔喷非织造材料表面,制备了PEDOT:PSS/CNTs/PBT熔喷非织造材料的温度传感器。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶变换红外光谱仪对温度传感器的微观形貌、化学结构进行表征与分析,并对其热稳定性能、传感性能和力学性能进行测试与研究。结果表明,所制备的温度传感器在25~80℃范围内,灵敏度可达-0.71%/℃,响应时间较快(18 s),线性度较好(R^(2)=0.99),迟滞度低至4.98%,具有良好的重复使用性及长期稳定性,并且在37~38℃的温度范围内感应精度可达0.1℃。所制备的温度传感器能够对环境温度和人体表面温度进行实时稳定监测,具有广阔的应用前景。

高温老化和可靠性试验对Pt薄膜微型温度传感器的性能影响

设计了一种铂(Pt)薄膜热电阻微型温度传感器,采用磁控溅射方法制备传感器薄膜,使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等手段对老化前后的Pt薄膜组织进行了系统表征;采用温度标定法对Pt薄膜电阻的温度-电阻特性进行了研究;通过振动、冲击、温度冲击等试验研究了温度传感器的环境可靠性。结果表明,老化处理增加了Pt薄膜组织结晶度,减少了组织中的杂质元素、降低了Pt薄膜电阻;线性拟合得出Pt薄膜温度-电阻线性度为0.999 93,具有良好的线性关系;可靠性试验后Pt薄膜电阻上升,测温精度一定程度上受到影响,但误差不大于0.205 K,满足高精度传感器的要求。

铂薄膜电阻温度传感器玻璃密封材料的稳定性能研究

针对铂薄膜电阻温度传感器中绝缘封装过程中存在的气密、绝缘等性能问题,研究了两种玻璃与铂薄膜温度传感器氧化铝基底间浸润性、气密性、绝缘性及热循环稳定性等性能,优选性能最佳的玻璃密封材料应用在铂薄膜温度传感器中。研究结果表明,热稳定性存在差异SiO_(2)-Ba O-Al_(2)O_(3)-CaO系微晶玻璃与SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-CaO系微晶玻璃在800℃~1000℃间与氧化铝基底均具有良好的浸润性。SiO_(2)-Ba O-Al_(2)O_(3)-CaO系玻璃与SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-CaO系玻璃密封材料在800℃、通气压力在20.7 k Pa下的漏气率分别约为0.0073 sccm·cm^(-1)和0.0065 sccm·cm^(-1),绝缘电阻率分别约为21.6×106Ω·cm和31.1×106Ω·cm。此外,在30℃~800℃热循环500次后,两种玻璃表面出现尺寸不一的孔洞,其中,SiO_(2)-Ba O-Al_(2)O_(3)-CaO玻璃经历500次热循环后孔洞尺寸由0.13μm增至15.62μm,而SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-CaO系玻璃孔洞尺寸变化较小,表面形貌较为致密。以上研究结果表明,SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-CaO系玻璃具有更加优异的密封性能、高温绝缘性能及热循环稳定性,更适合用于铂薄膜电阻温度传感器的封装工艺。

基于荧光强度比的毛细管液芯光纤温度传感器

针对现有光纤荧光温度传感探头制备复杂的问题,本文提出了一种制备简单、成本低廉且性能优异的基于毛细管液芯的光纤荧光温度传感器。首先将对温度敏感的罗丹明B和对温度不敏感的罗丹明123的混合溶液作为温敏材料封装在不锈钢毛细管中制备成传感探头,利用两者荧光发射峰强度的比值进行温度传感。之后对传感探头中混合溶液的浓度和毛细管的结构参数进行了优化,并对传感器的性能进行了测试,最终将其应用于实际生活温度检测中。实验结果表明:该传感器的温度响应范围为30~70℃,荧光强度比与温度之间呈二次相关,拟合相关系数高达0.9984,且具有很好的准确性、重复性和稳定性,使用时间可达3个月以上,能很好地应用于对日常生活中温度的检测。该光纤荧光温度传感器在实时监测和远端探测方面具有很大的潜力。

飞秒激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器微槽实验研究(特邀)

光纤温度传感器相较于传统光学功能器件具有损耗小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点,其中的光纤法布里-珀罗传感器更因其结构简单紧凑、稳定性好、易于制造受到广泛关注。光纤法布里-珀罗传感器功能结构的传统加工工艺存在工艺复杂、加工效率低下、热影响区严重等问题。光纤作为纤细透明的脆性材料,激光作为非接触的加工方式和微米尺度的聚焦光斑可以有效避免机械性破坏同时可以实现多样性的加工,已经广泛应用于光纤温度传感器的加工。目前,激光加工依然存在纤芯区域粗糙度高、平行度低、加工质量较差等难题。为了确保激光加工的法布里-珀罗腔能够满足传感性能要求,文中进行了飞秒激光加工法布里-珀罗腔的工艺实验研究,得到了不同激光参数、扫描路径对加工法布里-珀罗空气腔的影响规律,发现采用往复式扫描方式并在激光功率选用10 mW、扫描速度100μm/s、扫描间隔4μm、扫描分五次逐次向下进给5μm的工艺参数组合后,可以加工出两反射面接近平行(87.95°),侧壁光滑、面粗糙度稳定在2~4μm的良好形貌法布里-珀罗腔。加工了5种不同腔长的光纤中,腔长为80μm的传感器性能最优为21.07 pm/℃。将腔长为80μm的传感器封装在3种金属管中进行测试,结果证明激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器的质量得到了进一步优化,性能进一步提升。但不同的封装材料会较大影响传感器的探测效果,结果发现封装材料的热膨胀系数越大,温度传感器的响应特性越好。

基于超材料吸波结构的MEMS热电堆红外温度传感器设计

提出了一种基于超材料吸波结构的MEMS热电堆红外温度传感器,避免了使用特殊的滤光片进行封装,从而降低了传感器的体积。在设计上,采用超材料吸波结构将待测目标辐射的红外光选择性吸收,并将光能转化为热。通过利用时域有限差分方法研究了超材料吸波结构的结构参数与红外吸收光谱和吸收率之间的关系,并优化出用于检测人体红外辐射的超材料吸波结构尺寸。结果表明,当红外光波长范围为9.5μm~10.5μm时,该传感器的红外吸收率优于0.38,其中在波长为9.989μm处出现红外吸收峰,其最大吸收值为0.997。由超材料吸波结构产生的热量传递到其下方的热电堆,通过多物理场仿真可得热电堆的热端和冷端的温差为0.046 K,进而转化为输出电压,从而验证了整体设计的有效性。

石墨烯基高灵敏柔性温度传感器

针对传统温度监测设备穿戴舒适性差、加工工艺复杂、响应速度与测量精度难以兼容的问题,本文选取聚乙烯醇作为柔性基底,制备石墨烯(Gr)/二氧化钛(TiO_(2))—海藻酸钠温度敏感复合材料导电油墨,采用丝网印刷工艺加工叉指结构银电极并制作柔性温度传感器。测试结果表明:该传感器在30~80℃温度区间有良好的温度敏感特性,灵敏度为-0.00636℃^(-1),温度响应特性曲线具有良好的线性度,回归系数为0.976,重复特性好,动态响应时长为9~14 s;在37~40℃线性度最好,回归系数为0.998,响应时长约9~10 s,测量精度为0.1℃。制作的柔性温度传感器及其阵列在医疗,体育等领域的实时温度监测具有较大应用潜力。

铂膜电阻温度传感器耐高温结构设计与性能验证

针对铂(Pt)膜电阻温度传感器难以实现850℃高温环境长期稳定测量问题。采用磁控溅射法在996氧化铝(Al_(2)O_(3))陶瓷衬底沉积Pt膜温度敏感层,通过对Pt膜进行热处理、耐高温表面防护结构提升其耐高温性能,采用阻值修调技术控制传感器阻值精度,结合微机电系统(MEMS)与厚膜工艺技术制备Pt膜电阻温度传感器。结果表明:Pt膜电阻温度传感器电阻温度系数(TCR)为(3851±3)×10^(-6)℃;0℃电阻值控制在199.92~200.06Ω范围内;传感器从室温阶跃至850℃热响应时间(τ_(90))为15.1 s;传感器经100次室温至850℃温度冲击后输出稳定;经850℃环境1000 h寿命考核,传感器0℃阻值漂移量小于0.5%。制备的Pt膜电阻温度传感器可长期保持850℃高温环境稳定测量,该温度传感器广泛应用于汽车尾气排放、发动机健康监测等高温测量领域。

基于微声技术的电缆头温度传感器研究

针对电缆头内部测温需求,设计了一种基于微声技术的无线无源电缆头温度传感器。通过压电本构方程、边界条件和非线性微扰理论建立了声表面波(SAW)温度敏感理论模型。综合优选(0°,142°,0°)石英作为SAW温度传感器的压电基底。根据有限元方法(FEM)/边界元法(BEM)理论设计的SAW谐振器参数制作了温度敏感的SAW谐振器,得到中心频率为433.636 MHz,无载Q值为13041。把制作的SAW谐振器与天线嵌入在电缆头堵头中以构成无线无源SAW电缆头温度敏感单元,该敏感结构在10 kV电压下局放为5 pC,满足设计要求。最后,对设计的传感器进行了温度测试,得到SAW谐振器的频率变化量与温度之间成单调递增的关系。

基于BLDC的气象温度传感器设计与实验研究

针对自然通风温度传感器受太阳辐射影响后测量精度较差,而强制通风温度传感器功耗大、能耗浪费严重等问题,设计了一种基于无刷直流电机(BLDC),将自然通风与强制通风相结合的新型温度传感器。首先利用计算流体动力学(CFD)方法量化传感器在不同环境变量及电机转速下的辐射误差,并基于此制定电机转速的控制策略。其次利用粒子群优化的神经网络算法对仿真数据进行训练学习,并拟合成辐射误差修正方程。最后搭建户外测试平台验证新型温度传感器的测温精度以及修正方程的修正效果。实验结果表明,新型温度传感器具有较高的温度测量精度,其修正值与基准值的差值的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别为0.035℃和0.043℃。

宽温区热敏电阻温度传感器调理电路

目前热敏电阻温度传感器电路一般采用电阻分压电路,非线性补偿温度范围一般在正温区10~100℃,非线性误差为0.5%;一些特殊应用场合要求热敏电阻测量范围在-45~+125℃。针对热敏电阻温度传感器使用温度范围越宽线性误差越大的问题,提出了一种宽温区热敏电阻温度传感器调理电路,采用精密恒流源激励,减小了热敏电阻温度传感器的自热问题,采用集成对数放大器与集成模拟乘法器进行线性化处理,调理电路具有非线性调节、零位调整、满量程调整3个功能,能够给出精确的标准电压0.1~4.9V信号,对每只热敏电阻温度传感器进行温度标定,根据标定数据进行最小二乘拟合,取得了良好的非线性和精度指标。实验结果表明:测温范围为-45~+125℃,非线性达到0.3%以下,测量误差达到±0.3℃。