Термоэлектрические датчики температуры: Датчик температуры термоэлектрический (термопара) ВТ-148

Термоэлектрические датчики

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явле­ний — появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если соста­вить электрическую цепь из двух разнородных металлических про­водников (или полупроводников), причем с одного конца провод­ники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, неспа­янных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от ма­териала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных ма­териалов, называется термопарой; проводники, составляющие тер­мопару, называются термоэлектродами; места соединения термо­электродов— спаями.

Спай, помещаемый в среду, температуру ко­торой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холод­ным или свободным. Возникающая при различии температур горя­чего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные элект­роны хаотически движутся между положительными ионами, образу­ющими остов кристаллической решетки. В разных металлах свобод­ные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные металлы из одного электрода проникают в Другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свобод­ных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенциал.

Возникает кон­тактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (θ₁ = θ₂ на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи.

Контактная разность в спае 1 на­правлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры θ₁ > θ₂, то контактная раз­ность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В ре­зультате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая, чем больше разность температур спаев 7 и 2 (9, – 6₂).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милли­вольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 10.1,

б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в). Как видно из схем включения измерительного прибо­ра, в случае разомкнутого свободного спая (рис. 10.1, б) у термопа­ры три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в) имеется четыре спая: один горячий 7, один холодный 2 (он должен иметь постоян­ную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и хо­лодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термо­ЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из элек­тродов А и В, является разностью двух термоЭДС: e_AB(θ₁) — термо­ЭДС горячего спая при температуре 6,; e_AB(θ₂) — термоЭДС холод­ного спая при температуре θ ₂, т. е.

E_AB=e_AB(θ₁) – e_AB(θ₂)

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов Аи В.

В табл. 10.1 приведены термоЭДС для разных материалов в паре c платиной при температуре горячего спая 100 °С (373 К) и темпера­туре холодного спая 0 °С (273 К). Знак плюс перед термоЭДС озна­чает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

Таблица 10.1. ТермоЭДС основных материалов для термопар в паре с платиной (температура рабочего спая при 100 “С, температура холодного спая равна нулю)

Материал	ТермоЭДС, мВ	Материал	ТермоЭДС, мВ
Платина	0	Платинородий (10 % родия)	+0,64
Кремний	+44,8	Вольфрам	+0,8
Хромель	+2,95	Модибден	+1,3
Железо	+1,8	Алюмель	-1,15
Медь	+0,76	Копель	-4,0

Если составить термопару из материалов, которые по отноше­нию к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отношению к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термоЭДС Меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь—копель на основании урав­нения (10.1) будет иметь термоЭДС Е_АВ = 0,76 – (-4) = +4,76 мВ. Ма­териалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие вы­сокую чувствительность измерения.

Измерение температуры с помощью термопар

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод, рассмотренный в § 2.7.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невели­ко, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувст­вительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Приборы этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля по­стоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвиж­ной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа вит­ков тонкого медного провода. Противодействующий момент созда­ется спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рам­ку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через R_B сопротивление милливольтметра, R_Т — со­противление термопары, R_П — сопротивление соединительных про­водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Е_ТП,

I_B = E_ТП(R_{В +} R_{Т +} R_П)

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не то­лько от термоЭДС Е_тп, но и от сопротивлений R_B, R_Т, R_П.

Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары

определенного типа, то сопротивления R_r и R_B уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах U_B = I_BR_B.

С учетом (10.2)

U_B = E_ТПR_B(R_{B +} R_T+R_П)

Обозначим внешнее сопротивление цепи R_BH = R_T + R

П и выразим из (10.3) термоЭДС

Е_ТП = U_B(R_B + R_ВН)/R_B =U_B+ U_B(R_BH+R_B)

Из (10. 4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U_B(R_BH/R_B). Эта вели­чина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтмет­ра R_B по сравнению с внешним сопротивлением R_BH. Обычно мил­ливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая θ₂ = 0. На практике при измерении температуры θ₂, холодный спай имеет θ₂ = 0. Следовательно, по измеренной термоЭДС нельзя точно определить θ ₂. Необходимо вводить так называ­емую поправку на температуру холодных спаев. Существует неско­лько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с таю­щим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глуби­ну нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изо­ляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям из­мерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при θ₂. Эту поправку следует брать из градуировочной кри­вой.

Поправку на температуру хо­лодных спаев можно ввести и ме­ханическим путем: при отключен­ной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соот­ветствующую температуре холод­ных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической кор­рекции температурных погрешно­стей, в которых используются свойства терморезисторов изме­нять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Из­мерительный прибор может нахо­диться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В мес­тах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный под­бор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определен­ную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяют компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-никелевым сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозна­чением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитя­ми из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель—копель, т. е. компенсацион­ными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Е_д и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение U_K, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подает­ся на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) че­рез редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) R_п до тех пор, пока напряжение U_K не сравняется с Е_п. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При U_K = Е_а напряжение на входе усили­теля равно нулю (U_K – Е_д = 0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика Е_д =f(T °С) соответ­ствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в °С и на ней указан тип термопары, для которой выпол­нена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения U_K и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи мо­ста состоят из проволочных резисторов R₁— R₃, выполненных из ма­териала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистора R_K, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивле­ния (например, из меди или никеля). Резистор располагается вбли­зи холодных спаев термопары. Мост питается от источника посто­янного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Е_д и одновременно меняется сопротивление R_K, что приводит к изменению компенсирующего напряжения U_K на ту же величину, на какую изменилось Е_д. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибо­ра. Регулировочное сопротивление R_p служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабоче­го тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 10.4, ра­бочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на раз­ность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального эле­мента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает дви­жок регулировочного резистора R_p, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является рео­хорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.

Преобразователи термоэлектрические ZETLAB

Преобразователи термоэлектрические (термопары, ТП) типа ТХА и ТХК предназначены для измерения и контроля температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред в различных отраслях промышленности. Термопары применяются в составе цифровых датчиков температуры ZET 7020 TermoTC-485 и ZET 7120 TermoTC-CAN.

Преобразователи термоэлектрические (термопары) платиновые типа ТТПП, ТТПР

Внешний вид	Наименование	Краткое описание
	ТТПП-53-1 и ТТПР‑53-1	Применяются в составе цифровых датчиков температуры ZET 7020 TermoTC-485 и ZET 7120 TermoTC-CAN для измерения температуры газообразных химически неагрессивных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.
	ТТПП-53-3 и ТТПР‑53-3	Применяются в составе цифровых датчиков температуры ZET 7020 TermoTC-485 и ZET 7120 TermoTC-CAN для измерения температуры газообразных химически неагрессивных и агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.

Измерительная Система

Цифровой датчик температуры ZET 7020

Цифровой датчик температуры ZET 7120

Термопары преобразуют воздействующую на них температуру в электрический сигнал, который еще требуется измерить для определения значения температуры. Термопара в составе с измерительным модулем является интеллектуальным датчиком температуры, поскольку пользователь получает готовые данные, не требующие дополнительной обработки. Результаты измерений передаются в цифровом виде по интерфейсу RS-485 (с использованием модуля ZET 7020 TermoTC-485) или CAN (с использованием модуля ZET 7120 TermoTC-CAN) и могут использоваться для автоматического регулирования температуры, записываться регистратором температуры или отображаться на индикаторе — цифровом или виртуальном (на ПК).

Как купить термометр сопротивления?

Для того, чтобы купить измерительную систему, а также задать все интересующие вас вопросы, свяжитесь с нашими менеджерами по многоканальному телефону 8(495)739-39-19 или напишите нам с помощью специального окна в правом нижнем углу сайта, консультант ответит вам в кратчайшие сроки.

Наименование	Краткое описание
ZET 7020	Цифровые термопреобразователи сопротивления ZET 7020 TermoTC-485 предназначены для измерения температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред, неагрессивных к материалу корпуса термопары.
ZET 7120	Цифровой датчик температуры состоит из термопары и модуля ZET 7120 TermoTC-CAN, который осуществляет преобразование сигнала с датчика в значения температуры.

Технические характеристики преобразователей термоэлектрических типа ТХА, ТХК

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающей среды термопары соответствуют группе исполнения С2 по ГОСТ Р 52931 — −40…+70 ºС. По устойчивости к механическим воздействиям термометры соответствуют группе N3 по ГОСТ Р 52931. Климатическое исполнение — У3, ТВ. Возможно изготовление ТП в климатическом исполнении УХЛ2 для работы при температурах от −60 до +70 ºС. Термопары, имеющие тропическое исполнение имеют в обозначении дополнительно ТВ (например, ТХА-1-3 ТВ).

Диапазон измеряемых температур для выпускаемых термопар соответствует ГОСТ 6616-94 и составляет:

• Для ТП типа ТХА — от минус 40 до 1200 °С;
• Для ТП типа ТХК — от минус 40 до 600 °С

Номинальные статические характеристики (НСХ), их обозначения, материал термоэлектродов согласно ГОСТ 6616-94 приведены ниже:

Тип термопары	НСХ	Материал термоэлектродов
		положительный	отрицательных
ТХА	XA(K)	хромель	алюмель
ТХК	XK(L)	хромель	копель

Положительный термоэлектрод маркируется красным цветом. Термопары выпускаются по классу допуска 1 или 2 согласно ГОСТ 6616-94.

Ниже приведены значения допусков по температуре для соответствующих классов термопар типа ТХА и ТХК (ГОСТ 6616-94):

Тип термопары	Класс	Диапазон температур, °С	Предел допускаемого отклонения от НСХ, °С
ТХА	1	от −40 до 375	1,5
		свыше 375 до 1000	0,004·|t|
	2	от −40 до 333	2,5
		свыше 333 до 1200	0,0075·|t|
ТХК	2	от −40 до 300	2,5
		свыше 300 до 800	0,0075·|t|

где |t| — абсолютное значение температуры, °С

Преобразователь термоэлектрический (термопара) ТХК, ТХА конструктивно представляет собой два разнородных термоэлектрода (хромель-алюмель для ТХА, хромель-копель для ТХК), изолированных термостойкой изоляцией и сваренных с одного конца в рабочий спай. Защитная арматура выполняется из жаростойких и коррозионностойких сталей или из керамики (для измерения температуры в особо агрессивных высокотемпературных средах). Свободные концы термоэлектродов присоединяются к монтажной головке или выводятся при помощи кабеля. Рабочий спай может быть изолирован (И) или неизолирован (Н) от защитного корпуса. Изготавливаются преобразователи, имеющие два рабочих спая — две термопары одного типа, размещенные в одном корпусе (при обозначении указывается количество спаев −2). Головка преобразователей из прессматериала АГ-4В применяется в неагрессивной среде при окружающей температуре до 120°С; из полиамида — до 80°С. Максимальный диаметр выводного кабеля 10 мм. Каждая жила (провод) кабеля крепится на винт гайкой М4×0,7. Головка металлическая из сплава алюминия АК-12 (АЛ-2) (силумин) применяется в неагрессивной среде при окружающей температуре до 300°С. Максимальный диаметр выводного кабеля 12 мм. Каждая жила (провод) кабеля диаметром до 1,2 мм крепится на винт гайкой М4×0,7.

Технические характеристики преобразователей (термопар) платиновых типа ТТПП, ТТПР

Обозначение НСХ

Тип термопары	Обозначение НСХ
ТТПП — термопара ПП (платинородий 10 — платина)	S
ТТПП — термопара ПП (платинородий 13 — платина)	R
ТТПР — термопара ПР (платинородий 30 — платинородий 6)	B

Допускаемые отклонения от НСХ

Обозначение НСХ	Класс допуска	Рабочий диапазон температур, °С	Пределы допускаемых отклонений от НСХ, °С
ПП (S)	1	0…1100	± 1,0
ПП ®	2	1100…1300	± 1,0 +0,003(t-1100)
		0…600	± 1,5
		600…1300	0,0025·t
ПР (В)	2	600…1700	± 0,0025·t
	3	600…800	± 4,0
		800…1700	± 0,0050·t

Диаметр термоэлектродов

Тип термопары	Диаметр термоэлектродов, мм
ТТПП	0,4 (0,5) для ПР-10 (+) и 0,5 для ПлТ (-) 0,4 (0,5) для ПР-13 (+) и 0,5 для ПлТ (-)
ТТПР	0,4 (0,5) для ПР-30 (+) и 0,5 ПР-6 (-)

Пресс-релиз: Thermo Electric Company, Inc.

В результате слияния создается ведущая международная группа, специализирующаяся на производстве решений для измерения температуры. Новая группа COTEMP SENSING, насчитывающая более 200 сотрудников, стратегически расположена во Франции, Великобритании, США и Индии.

Движимое общей культурой, ориентированной на технические знания и качество продукции, это слияние позволит новой группе COTEMP Sensing предложить глобальную техническую экспертизу с местными предложениями через наши международные производственные предприятия. Цель группы — стать ведущим экспертом в производстве решений для контроля температуры, чтобы сделать промышленность более эффективной и обеспечить глобальную экологическую устойчивость.

“ После четырех десятилетий управления группой мы рады видеть, что новое талантливое поколение берет на себя руководство и пишет новую главу в нашей истории. Остальные акционеры теперь будут наблюдать за деловой деятельностью с другого места », — объясняют Лоран и Жером Линель, председатели группы.

“ Мы рады, что наша команда менеджеров полностью вовлечена в наш стратегический проект COTEMP по развитию ведущей международной группы датчиков температуры, подчеркивая нашу философию местного присутствия и близости к нашим клиентам. Два бренда наших групп будут сохранены и развиты в Европе, Америке и Индии », — добавляет Пьер-Эммануэль Люк, президент и главный исполнительный директор Группы.

“ Мы твердо верим, что измерение температуры будет играть ключевую роль в отрасли, сталкивающейся с энергетическим кризисом, и что наши надежные технические решения будут способствовать ограничению потребления энергии в сторону более экологичной отрасли. Этот уникальный технический опыт в сочетании с нашей гибкой и глобальной структурой позволит нам расти в наших стратегических секторах», — добавляет Гийом Февр, вице-президент и управляющий директор.

Семья Линел, семья основателей бренда Correge, UI Investissement, Bpifrance вместе с командой менеджеров стали новыми инвесторами группы COTEMP Sensing.

Жюльен Хьюберсон, инвестиционный директор UI, заявляет: « Эта операция является важным шагом в создании крупного игрока в секторе измерения температуры. Наша цель состоит в том, чтобы продолжать ускорять рост Группы в ее различных видах деятельности, используя свое географическое присутствие на динамично развивающихся рынках и выступая в качестве активной консолидационной платформы в этом секторе ».

« Инвестиции в промышленность с предложением для промышленности полностью лежат в основе тезиса Bpifrance, который заключается в том, чтобы сделать ее более экологичной и устойчивой», — добавляет Николя Дарденн, директор по инвестициям Bpifrance.

Пожалуйста, нажмите на официальное общение

3 января 2023

19 октября 2022 19 октября 2022

Thermo Electric и Correge. на следующей выставке Semicon Europa Trade Show, чтобы представить наши Instrumented Wafers Solutions, наш TEDAQ (решение для приобретения), а также наши шипы и профили.

Торговая выставка Semicon Europa будет проходить в Мюнхене, Германия, в Messe München с с 15 по 18 ноября.

Пожалуйста, посетите наш стенд BOOTH B 1549   , где вы увидите разнообразие решений и услуг, которые мы предлагаем для удовлетворения ваших потребностей в измерении температуры.

Компания Thermo Electric разрабатывает и производит решения для измерения температуры, которые гарантированно обеспечат вам чувствительность, быструю реакцию и постоянную точность при максимальной однородности датчиков. Компания Thermo Electric стремится своевременно поставлять свои инновационные инструментальные решения для пластин с техническим обслуживанием мирового класса.

Для получения дополнительной информации о выставке, пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу: sales@te-direct. com

Для получения дополнительной информации о выставке посетите их веб-сайт: https://www.semiconeuropa.org

Термоэлектрические энергетические микрокомбайны с датчиками температуры, изготовленными с использованием технологии КМОП-МЭМС

. 2022 5 августа; 13 (8): 1258.

дои: 10.3390/ми13081258.

Йи-Суан Шен ¹ , Яо-Чуан Цай ^{2 3} , Чи-Юань Ли ⁴ , Чьян-Чи Ву ⁵ , Чинг-Лян Дай ^{1 3}

Принадлежности

• ¹ Факультет машиностроения, Национальный университет Чунг Син, Тайчжун 402, Тайвань.
• ² Кафедра биопромышленной мехатроники, Национальный университет Чунг Син, Тайчжун 402, Тайвань.
• ³ Центр исследований нового устойчивого сельского хозяйства (SMARTer), Тайчжун 402, Тайвань.
• ⁴ Факультет машиностроения, Центр топливных элементов Юань Цзе, Университет Юань Цзе, Таоюань 320, Тайвань.
• ⁵ Факультет механики и электромеханики, Тамканский университет, Новый Тайбэй 251, Тайвань.

• PMID: 36014180
• PMCID: PMC9415891
• DOI: 10. 3390/ми13081258

Бесплатная статья ЧВК

Yi-Xuan Shen et al. Микромашины (Базель). 2022 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2022 5 августа; 13 (8): 1258.

дои: 10.3390/ми13081258.

Авторы

Йи-Сюань Шэнь ¹ , Яо-Чуан Цай ^{2 3} , Чи-Юань Ли ⁴ , Чьян-Чи Ву ⁵ , Чинг-Лян Дай ^{1 3}

Принадлежности

• ¹ Факультет машиностроения, Национальный университет Чунг Син, Тайчжун 402, Тайвань.
• ² Кафедра биопромышленной мехатроники, Национальный университет Чунг Син, Тайчжун 402, Тайвань.
• ³ Центр исследований нового устойчивого сельского хозяйства (SMARTer), Тайчжун 402, Тайвань.
• ⁴ Факультет машиностроения, Центр топливных элементов Юань Цзе, Университет Юань Цзе, Таоюань 320, Тайвань.
• ⁵ Факультет механики и электромеханики, Тамканский университет, Новый Тайбэй 251, Тайвань.

• PMID: 36014180
• PMCID: PMC9415891
• DOI: 10. 3390/ми13081258

Абстрактный

В этом исследовании разрабатывается микросхема TEMH (микросборщик термоэлектрической энергии), использующая коммерческий процесс 0,18 мкм CMOS (полупроводник с комплементарным оксидом металла). Микросхема содержит ТЭМ и датчики температуры. ТЭМГ устанавливается с помощью серии из 54 термопар. Использование датчиков температуры контролирует температуру термопар. Один датчик температуры устанавливается возле холодной части термопар, а другой – возле горячей части термопар. Производительность TEMH зависит от TD (разности температур) на CHP (холодной и горячей частях) термопар. Чем больше увеличивается ПД на ТЭЦ термопар, тем выше становятся выходное напряжение и выходная мощность ТЭМ. Для получения более высокой TD холодная часть термопар выполнена в виде подвесной конструкции и совмещена с охлаждающими пластинами для увеличения теплоотдачи. Охлаждающий лист состоит из пакета алюминиевых слоев и монтируется над холодной частью термопары. Программное обеспечение метода конечных элементов, ANSYS, используется для расчета распределения температуры TEMH. TEMH требует последующей обработки для получения подвесной конструкции термопары. В постпроцессе используется RIE (реактивное ионное травление) для травления двух расходуемых материалов: диоксида кремния и кремниевой подложки. Результаты показывают, что конструкция термопар полностью подвешена и не имеет повреждений. Результаты измерений показывают, что выходное напряжение ТЭМН составляет 32,5 мВ при ТД между ТЭД термопар 4 К. ТЭМН имеет коэффициент напряжения 8,9.3 мВ/мм ² К. При ПД между ТТП термопар 4 К максимальная выходная мощность ТЭМ 4,67 нВт. TEMH имеет коэффициент мощности 0,31 нВт/мм ² K ² .

Ключевые слова: комплементарный оксид металла полупроводник; охлаждающий лист; микроэлектромеханическая система; термопара; термоэлектрический энергетический микрокомбайн.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Цифры

Рисунок 1

Структура для ТЭМ (термоэлектрическая…

Рисунок 1

Структура для ТЭМХ (микрокомбайн термоэлектрической энергии).

Рисунок 1

Конструкция для ТЭМХ (термоэлектрический энергетический микрокомбайн).

Рисунок 2

Расчет распределения температуры для…

Рисунок 2

Расчет распределения температуры для TEMH с использованием ANSYS.

фигура 2

Расчет распределения температуры для TEMH с помощью ANSYS.

Рисунок 3

Оценка выходного напряжения…

Рисунок 3

Оценка выходного напряжения для ТЭМХ.

Рисунок 3

Оценка выходного напряжения для ТЭМХ.

Рисунок 4

Оценка максимальной производительности…

Рисунок 4

Оценка максимальной выходной мощности для ТЭМХ.

Рисунок 4

Оценка максимальной выходной мощности для ТЭМХ.

Рисунок 5

Оценка изменения сопротивления для…

Рисунок 5

Оценка изменения сопротивления датчика температуры.

Рисунок 5

Оценка изменения сопротивления датчика температуры.

Рисунок 6

Сечение ТЭМХ…

Рисунок 6

Поперечное сечение TEMH после процесса CMOS.

Рисунок 6

Поперечное сечение TEMH после процесса CMOS.

Рисунок 7

Сечение ТЭМХ…

Рисунок 7

Поперечное сечение ТЭМ после травления слоя оксида кремния.

Рисунок 7

Поперечное сечение ТЭМ после травления слоя оксида кремния.

Рисунок 8

Сечение ТЭМХ…

Рисунок 8

Поперечное сечение ТЭМ после травления кремниевой подложки.

Рисунок 8

Поперечное сечение ТЭМ после травления кремниевой подложки.

Рисунок 9

Изображение TEMH, полученное с помощью СЭМ.

Рисунок 9

Изображение TEMH, полученное с помощью СЭМ.

Рисунок 9 Изображение

TEMH, полученное с помощью СЭМ.

Рисунок 10

TEMH, полученный оптическим…

Рисунок 10

ТЭМГ, полученная с помощью оптического микроскопа.

Рисунок 10

ТЭМГ, полученная с помощью оптического микроскопа.

Рисунок 11

Частичное изображение…

Рисунок 11

Частичное изображение TEMH, полученное с помощью оптического микроскопа.

Рисунок 11

Частичное изображение TEMH, полученное с помощью оптического микроскопа.

Рисунок 12

Поперечный разрез ТЭМХ…

Рисунок 12

Изображение поперечного сечения TEMH, полученное с помощью СЭМ.

Рисунок 12

Изображение поперечного сечения TEMH, полученное с помощью СЭМ.

Рисунок 13

Снимок охлаждающего листа сделан…

Рисунок 13

Изображение охлаждающего листа, полученное с помощью СЭМ.

Рисунок 13

Снимок охлаждающего листа, сделанный СЭМ.

Рисунок 14

Проволочное соединение для ТЭМХ.

Рисунок 14

Проволочное соединение для ТЭМХ.

Рисунок 14

Проволочное соединение для ТЭМХ.

Рисунок 15

Измерение сопротивления для…

Рисунок 15

Измерение сопротивления датчиков температуры при различных температурах.

Рисунок 15

Измерение сопротивления датчиков температуры при различных температурах.

Рисунок 16

Настройка измерения для TEMH.

Рисунок 16

Измерительная установка для TEMH.

Рисунок 16

Настройка измерения для TEMH.

Рисунок 17

Результаты измерения выходного напряжения…

Рисунок 17

Результаты измерения выходного напряжения для TEMH.

Рисунок 17

Результаты измерения выходного напряжения для TEMH.

Рисунок 18

Результаты измерения максимальной производительности…

Рисунок 18

Результаты измерений максимальной выходной мощности для TEMH.

Рисунок 18

Результаты измерения максимальной выходной мощности для TEMH.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Изготовление и определение характеристик термоэлектрических микрогенераторов CMOS-MEMS.

  Као П.Х., Ши П. Дж., Дай С.Л., Лю М.С. Као Р.Х. и соавт. Датчики (Базель). 2010;10(2):1315-25. дои: 10.3390/с100201315. Epub 2010 9 февраля. Датчики (Базель). 2010. PMID: 22205869 Бесплатная статья ЧВК.

• Термоэлектрические генераторы со сбором энергии, изготовленные с использованием комплементарного оксидно-металлического полупроводникового процесса.

  Ян MZ, Ву CC, Дай CL, Цай WJ. Ян М.З. и др. Датчики (Базель). 2013 8 февраля; 13 (2): 2359-67. дои: 10.3390/s130202359. Датчики (Базель). 2013. PMID: 23396193 Бесплатная статья ЧВК.

• Изготовление и определение характеристик гибких термоэлектрических генераторов с использованием методов микрообработки и гальваники.

  Ли В. Л., Ши П.Дж., Хсу К.С., Дай К.Л. Ли В.Л. и др. Микромашины (Базель). 2019 Сен 30;10(10):660. дои: 10.3390/ми10100660. Микромашины (Базель). 2019. PMID: 31574949 Бесплатная статья ЧВК.

• Текстильные термопары для измерения температуры.

  Рут В., Бехтольд Т., Фам Т. Рут В. и др. Материалы (Базель). 2020 31 января; 13 (3): 626. дои: 10.3390/ma13030626. Материалы (Базель). 2020. PMID: 32023832 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Микронагревательные пластины для применения в датчиках газа на основе оксидов металлов и полупроводников – на пути к монолитному подходу CMOS-MEMS.

  Лю Х, Чжан Л, Ли КХХ, Тан ОК. Лю Х и др. Микромашины (Базель). 2018 Октябрь 29; 9 (11): 557. дои: 10.3390/ми9110557. Микромашины (Базель). 2018. PMID: 30715056 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Рекомендации

1. 1. Джазири Н., Бугамура А., Мюллер Дж., Мезгани Б., Тунси Ф., Исмаил М. Всесторонний обзор термоэлектрических генераторов: технологии и общие применения. Energy Rep. 2020; 6: 264–287. doi: 10.1016/j.egyr.2019.12.011. – DOI
2. 1. Гуан М., Ван К., Сюй Д., Ляо В. Проектирование и экспериментальное исследование низковольтной термоэлектрической системы сбора энергии для узлов беспроводных датчиков. Преобразование энергии. Управление 2017;138:30–37. doi: 10.1016/j.enconman.2017.01.049. – DOI
3. 1. Вахба М., Альхавари М., Мохаммад Б., Салех Х., Исмаил М. Характеристика сбора тепловой и вибрационной энергии человеческого тела для носимых устройств. IEEE J. Emerg. Сел. Вершина. Цепи Сист. 2014; 4: 354–363. дои: 10.1109/JETCAS.2014.2337195. – DOI
4. 1. Стоппа М., Чиолерио А. Носимая электроника и умный текстиль: критический обзор. Датчики. 2014;14:11957–11992. дои: 10.