Halsey Andrews Cienkowarstwowe rezystancyjne czujniki temperatury to cienkowarstwowe urządzenia, które są zwykle wykonane z platyny i służą do pomiaru temperatury. Jest to możliwe, ponieważ wzrost temperatury jest proporcjonalny do wzrostu rezystancji platyny. Dlatego tę zależność liniową można modelować i stosować do niezawodnych pomiarów temperatur.
Źródło zdjęcia: Iaremenko Sergii/Shutterstock.com
Cienka folia to warstwa materiału, która może być fragmentami o grubości nanometra i grubości kilku mikrometrów. Materiały cienkowarstwowe są stosowane w urządzeniach półprzewodnikowych, układach scalonych, ogniwach słonecznych, systemach audio i wideo, płytach CD-ROM, chipach komputerowych, komunikacji bezprzewodowej, komunikacji, powstających powłokach wielofunkcyjnych, technologiach cięcia itp.
Materiały, które wykazują podobne wzory, mogą być używane w tej samej funkcji; Jednak stabilność, dokładność i powtarzalność systemu są krytyczne.
Zastosowanie złota w materiałach cienkowarstwowych
Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości cienkie warstwy złota wzbudziły ostatnio zainteresowanie firm i badaczy, szczególnie w zastosowaniach optycznych. Jest atrakcyjny ze względu na swoją wytrzymałość, plastyczność, obojętność na utlenianie, elastyczność oraz zdolność przewodzenia energii elektrycznej i cieplnej. Złoto jest również idealnym materiałem na cienkie folie ze względu na jego zdolność do wytrzymywania dużych zmian temperatury.
Cienkowarstwowe metale złota są często postrzegane jako najważniejsze elementy wzmacniające sygnał w zastosowaniach elektrochemicznych i optycznych.
Warto zwrócić uwagę na notatki z badań opublikowane w r Kanadyjski Dziennik Fizyki w którym podano, że gdy grubość cienkiej warstwy złota przekracza wartość krytyczną, oporność elektryczna warstwy znacznie spada i zbliża się do rezystywności złota w masie. Jest to istotny czynnik, który należy wziąć pod uwagę podczas procesu produkcyjnego.
Dlaczego wykonuje się cienkowarstwową obróbkę cieplną?
W strukturach cienkowarstwowych mała struktura i małe wymiary nakładają dodatkowe wymagania na właściwości folii. Mikrostruktura cienkiej warstwy, która jest funkcją procesów osadzania i związanych z nimi parametrów, a także dotwardzania, ma kluczowe znaczenie dla określenia zachowania i właściwości folii.
Obróbka cieplna jest zwykle wykonywana w celu poprawy struktury i właściwości mechanicznych metali i stopów. Istnieje kilka rodzajów obróbki cieplnej, które dają różne wyniki dla różnych metali i stopów. Obróbka cieplna może wpływać na delikatną strukturę, twardość, krystaliczność, wielkość ziarna, teksturę, chropowatość, oporność elektryczną i naprężenia szczątkowe.
Po obróbce cieplnej techniki takie jak spektroskopia ramanowska, mikroskopia elektronowa, dyfrakcja rentgenowska i mikroskopia sił atomowych mogą być wykorzystane do badania strukturalnej, morfologicznej i chropowatości powierzchni próbek.
Zastosowania poddanego obróbce cieplnej cienkowarstwowego złotego rezystancyjnego detektora temperatury
W przypadku złota, badanie opublikowane niedawno w czasopiśmie Transmisja elektroniczna Skoncentruj się na cienkich warstwach złota jako detektorach temperatury, które odgrywają kluczową rolę w zarządzaniu ciepłem wytwarzanym w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów.
Ogniwa paliwowe PEM stały się w ostatnich latach jedną z najbardziej obiecujących możliwości urządzeń do konwersji energii odnawialnej ze względu na ich wysoką gęstość energii i zerową emisję dwutlenku węgla. Trwałość ma zasadnicze znaczenie dla marketingu, a jakość zarządzania ciepłem wpływa na żywotność ogniwa paliwowego.
Naukowcy zamierzali wytworzyć cienką warstwę złota, a następnie poprawić jej właściwości poprzez obróbkę cieplną.
Najpierw naukowcy stworzyli cienkowarstwowy detektor temperatury rezystywności złota oparty na systemie mikroelektromechanicznym. Następnie zastosowano niskotemperaturową obróbkę cieplną w celu poprawy działania rezystancyjnego czujnika temperatury, co pozwoliło uzyskać dobrą liniowość i niską histerezę termiczną.
Wreszcie złota folia została wykorzystana jako rezystancyjny detektor temperatury do pomiaru temperatur w warstwie katodowej ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów przy różnych obciążeniach prądowych i wilgotności względnej.
Ich wyniki wykazały, że obciążenia prądowe są dodatnio skorelowane ze zmianami temperatury. Im wyższy prąd, tym więcej dżuli i nieodwracalnego ciepła. Również wilgotność względna anody i katody miała bardziej złożony wpływ na przebieg temperatury, w zależności od stężenia wody w miejscach elektrod, które było kontrolowane nie tylko przez wilgotność względną, ale także przez reakcję redukcji tlenu. Zalanie wystąpiło, gdy zawartość wody w obszarze elektrod była zbyt wysoka.
W innym starszym badaniu opublikowanym w Journal of Vacuum Science and Technology B: Mikroelektronika i struktury nanometrówW ramach tego badania naukowcy badają termiczną i długoterminową stabilność cienkich warstw złota. Zbadali wpływ obróbki cieplnej po osadzeniu na cienkie warstwy złota pod kątem naprężeń związanych z ich strukturą i mikrostrukturą.
Folie wykazywały naprężenia rozciągające, a poniżej 100–150 ° C folie rozpraszające nie wykazywały zauważalnej różnicy w wielkości ziarna lub napięciu. Zaobserwowano wzrost wielkości ziarna i liniowy wzrost naprężenia rozciągającego po wyżarzaniu warstw naparowanych i galwanizowanych w temperaturach powyżej temperatury osadzania. Ponadto obecność szerokich pustek doprowadziła do rozwoju naprężeń w czasie w powłokach galwanicznych, które miały zmniejszony stres wytrącania, ale mniejszą stabilność termiczną.
Wyzwania związane ze stosowaniem złotych cienkich warstw
Niektóre trudności napotkane podczas procesów wytwarzania i przetwarzania obejmowały odpowiednie konserwowanie czystej cienkiej warstwy i utrzymywanie jej w stanie stałym poprzez odpowiednią obróbkę cieplną materiału, aby nie zmienił się fizycznie. Ponadto cienka folia powinna być przechowywana w środowisku wolnym od zanieczyszczeń, aby uniknąć zmian chemicznych.
Podsumowując, cienkie warstwy złota są wysoce pożądane do stosowania jako detektory temperatury w mikrourządzeniach. Przemawia za tym wiele korzystnych właściwości, takich jak elastyczność, plastyczność, wytrzymałość, obojętność na utlenianie, zdolność przewodzenia prądu elektrycznego i energii cieplnej. Udowodniono również, że obróbka cieplna jest sposobem na poprawę pożądanych właściwości cienkich warstw złota. Spowoduje to dalsze rozszerzanie ich zastosowań na nowe technologie.
Referencje i dodatkowe lektury
Ahn, C., Park, H., Kim, HH, Park, S., Syn, C., Kim, M., Lee, J.-B., Go, J. (2013). Bezpośrednie wytwarzanie cienkowarstwowych czujników temperatury do wykrywania rezystancji złota na zakrzywionej powierzchni przy użyciu elastycznej suchej warstwy fotomaski i kalibracji do 450 ° C. Journal of Precision Mechanics and Precision Engineering 23, s. 065031. https://doi.org/10.1088/0960-1317/23/6/065031
Brett, S.; (2021). Przegląd złotych cienkich warstw: od czujników do komórek [WWW Document]. AZoNano.com. Adres URL https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5862
Gilani, T.; Rabczuk, zm. (2017). Oporność elektryczna cienkiej warstwy złota. Kanadyjski Dziennik Fizyki 96. https://doi.org/10.1139/cjp-2017-0484
Malik, CK (1991). Wpływ obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne i strukturalne cienkich warstw złota. The Void Journal of Science and Technology . Box 9, 3329. https://doi.org/10.1116/1.585336
Song, X., Liu, H., Fang, Y., Zhao, C., Qu, Z., Wang, Q., Tu, L.-C. (2020). Wbudowany czujnik temperatury ze złotą folią do pomiaru temperatury na miejscu za pomocą bardzo precyzyjnego akcelerometru MEMS. macki 20, 3652. https://doi.org/10.3390/s20133652
Yuan, L, Wang, Qiu, Tang, F, Li, B, Ming, B, Zhang, C (2022). Ulepszony cienkowarstwowy impedancyjny detektor temperatury i jego zastosowanie do pomiaru temperatury powierzchni warstwy katalizatora w PEMFC. Transmisja elektroniczna s. 100178. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590116822000248
