《Advanced Functional Materials》：通過印刷和光子固化實(shí)現(xiàn)高靈敏度柔性熱電偶傳感器陣列（IF=19.059）

背景：

盡管取得了顯著的進(jìn)步，但基于高性能熱電(TE)材料的熱電偶(TC)缺乏機(jī)械魯棒性和靈活性。因此，傳統(tǒng)的低塞貝克系數(shù)金屬（鎳、銅、鐵）線結(jié)型TC用于溫度傳感器應(yīng)用。然而，金屬基TC傳感器不僅靈敏度低，而且用傳統(tǒng)方法制造像素化傳感器非常困難。在本研究中，采用基于(SbBi)₂(TeSe)₃的高性能印刷柔性TE材料來制造兩種類型的25像素形狀一致的基于TC的溫度傳感器陣列（TSA I 和 TSA II）。Bi_0.5Sb_1.5Te₃基p型(p-BST)印刷TE薄膜和銅用于制造TSA I，p型薄膜與Bi₂Te_2.7Se_0.3基n型(n-BT)一起制造薄膜用于制造TSA II。TSA I的平均靈敏(Sexp)值約124μV°C_?1，TSA II的平均靈敏度(Sexp)值約為319μV°C_?1，并且具有高線性度。 

文獻(xiàn)介紹：

迄今為止，熱電研究主要針對(duì)能量收集、廢熱回收和冷卻應(yīng)用。由于具有以下優(yōu)點(diǎn)，TE技術(shù)也廣泛應(yīng)用于溫度傳感器應(yīng)用：無電阻相關(guān)誤差、快速響應(yīng)、點(diǎn)溫度傳感和寬溫度范圍操作。長(zhǎng)期以來，受TE效應(yīng)控制的金屬基TC一直被用作溫度傳感器。然而，由于制造工藝的限制，人們?cè)谠鰪?qiáng)其靈敏度或修改其功能方面所做的努力較少。當(dāng)TC的另一個(gè)結(jié)被加熱時(shí)，一端會(huì)產(chǎn)生電壓。產(chǎn)生的電壓(Vout)與結(jié)溫成正比。TC傳感器的靈敏度(S)取決于每單位溫差(ΔT)產(chǎn)生的電壓，即兩種結(jié)材料之間的塞貝克系數(shù)(α)差異(α1?α2)； 

然而，傳統(tǒng)TC的S較低，因?yàn)榻?jīng)典金屬的α較低。盡管開發(fā)了具有高α的塊狀TE材料，但由于制造堅(jiān)固的長(zhǎng)連接線存在困難，它們無法用于TC傳感器應(yīng)用。最近，由于印刷熱電材料具有前景廣闊、具有成本效益的形狀通用TE器件制造工藝，人們?cè)絹碓疥P(guān)注印刷熱電材料。因此，印刷熱電學(xué)的進(jìn)步開辟了制造基于印刷TC的低成本溫度傳感器的新方法。因此，最近一些高導(dǎo)金屬和金屬間合金被印刷來制造TC并用作溫度傳感器。然而，由于印刷材料的低α（<50μV°C?1），靈敏度不夠。高性能印刷TE材料（例如Sb/Bi-Te基合金）由于其較高的溫度而提供了增強(qiáng)溫度傳感器靈敏度的途徑。制造基于Sb/Bi-Te的長(zhǎng)圓柱形導(dǎo)線接頭（熱電偶）的困難可以通過針對(duì)此類材料實(shí)施印刷技術(shù)來克服。此外，可以使用印刷工藝制造具有多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度陣列傳感器。然而，在具有合適電導(dǎo)率的長(zhǎng)Sb/Bi-Te基印刷薄膜中實(shí)現(xiàn)良好的柔韌性和堅(jiān)固性是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。在我們最近的工作中，我們通過超快速光子固化工藝成功開發(fā)了一對(duì)基于碲化物的高性能柔性n型和p型印刷TE薄膜。這一進(jìn)步使我們能夠制造低成本高性能印刷TE薄膜，這些薄膜可用于基于印刷TC的溫度傳感器。 

在這項(xiàng)工作中，我們展示了一對(duì)用于傳感器應(yīng)用的高性能Sb/Bi-Te基n型和p型長(zhǎng)柔性印刷TE薄膜的制造。首先，我們合成了包含p-Bi0.5Sb1.5Te3(p-BST)/n-Bi2Te2.7Se0.3(n-BT)TE顆粒和Cu-Se基無機(jī)粘合劑的可印刷油墨。然后，使用兩種不同的布局對(duì)準(zhǔn)備好的油墨進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，一種用于n型腿，另一種用于p型腿。因此，我們制造了包含25個(gè)像素的5×5溫度傳感器陣列(TSA)。然后將溫度傳感器陣列干燥，然后使用毫秒光子固化工藝進(jìn)行燒結(jié)以形成TC結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有基于熱電偶的傳感器相比，溫度傳感器陣列的性能優(yōu)越，靈敏度高出兩倍以上。此外，還克服了與傳統(tǒng)基于熱電偶的傳感器相關(guān)的缺點(diǎn)，例如低靈敏度、低穩(wěn)定性和低工作溫度范圍。通過將傳感器陣列集成在鋰離子電池的表面來展示其功能。

引用：

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