Разработан дешевый и легкий способ изготовления датчиков теплового потока

Избыточное тепло, выделяемое электронными или механическими устройствами, является признаком или причиной неэффективной работы. Во многих случаях встроенные датчики для контроля теплового потока могут помочь инженерам изменить поведение или конструкцию устройств для повышения их эффективности.

Впервые исследователи, используя новое термоэлектрическое явление, создали тонкий датчик, способный визуализировать тепловой поток в режиме реального времени. Этот датчик может быть встроен глубоко в устройства, где другие виды датчиков нецелесообразны. Кроме того, он быстро, дешево и легко изготавливается по хорошо известным методикам.

Согласно закону сохранения энергии, энергия никогда не создается и не уничтожается, а лишь меняет свою форму в зависимости от взаимодействия между взаимодействующими объектами. Вся энергия в конечном итоге превращается в тепло. Для нас это может быть полезно, например, когда мы хотим обогреть дом зимой, или вредно, когда мы хотим что-то охладить или получить максимальную отдачу от приложения, работающего от аккумулятора. В любом случае, чем лучше мы сможем управлять тепловым поведением устройства, тем лучше мы сможем обойти этот неизбежный эффект и повысить эффективность работы устройства. Однако сказать об этом легче, чем сделать, поскольку знать, как протекает тепло внутри какого-либо сложного, миниатюрного или опасного устройства, в зависимости от области применения, — задача от сложной до невозможной.

Вдохновившись этой проблемой, доцент Томоя Хиго и профессор Сатору Накацудзи с кафедры физики Токийского университета и их команда, в которую входило и корпоративное партнерство, задались целью найти ее решение.

Количество тепла, проходящего через материал, называется его тепловым потоком. Поиск новых способов его измерения может помочь не только повысить эффективность устройств, но и безопасность, поскольку батареи с плохим терморегулированием могут быть небезопасны, и даже здоровье, поскольку различные проблемы со здоровьем или образом жизни могут быть связаны с теплом тела, — говорит Хиго.

Однако найти сенсорную технологию, позволяющую измерять тепловой поток и при этом удовлетворяющую ряду других условий, таких как надежность, экономичность, простота изготовления и т.д., не так-то просто. Типичные термодиодные устройства имеют относительно большие размеры и дают только значение температуры в определенной области, а не изображение теплового потока по всей поверхности.

Группа исследовала, как ведет себя датчик теплового потока, состоящий из специальных магнитных материалов и электродов, при наличии сложной структуры теплового потока. Магнитный материал на основе железа и галлия демонстрирует явление, известное как аномальный эффект Нернста (ANE), при котором тепловая энергия необычным образом преобразуется в электрический сигнал. Однако это не единственный магнитный эффект, позволяющий превращать тепло в энергию. Существует также эффект Зеебека, который действительно может создавать большую электрическую мощность, но он требует больших объемов материала, а сами материалы хрупкие и с ними трудно работать. С другой стороны, ANE позволил команде создать свое устройство на невероятно тонком и податливом листе пластика.

Найдя подходящие магнитные и электродные материалы и нанеся их по специальной повторяющейся схеме, мы создали микроскопические электронные схемы, гибкие, прочные, дешевые и простые в производстве, а главное — отлично выводящие данные о тепловом потоке в режиме реального времени, — говорит Хиго.

Наш метод включает в себя раскатывание тонкого листа прозрачного, прочного и легкого ПЭТ-пластика в качестве базового слоя, на который тонкими и последовательными слоями напыляются магнитные и электродные материалы. Затем мы вытравливаем на полученной пленке нужные нам рисунки, подобно тому, как изготавливаются электронные схемы.

Команда разработала схемы особым образом, чтобы увеличить ANE и одновременно подавить эффект Зеебека, поскольку он мешает потенциалу ANE по сбору данных. Предыдущие попытки сделать это не увенчались успехом, и их можно было легко масштабировать и коммерциализировать, поэтому данный датчик является первым в своем роде.

Я предполагаю, что он найдет применение в таких областях, как производство электроэнергии или центры обработки данных, где тепло снижает эффективность. Но по мере того, как мир становится все более автоматизированным, мы можем увидеть подобные датчики в автоматизированных производственных средах, где они могут улучшить наши возможности по прогнозированию отказов оборудования, некоторых проблем безопасности и т.д., — сказал Накацудзи.

При дальнейшем развитии мы можем увидеть даже внутренние медицинские приложения, которые помогут врачам создавать внутренние тепловые карты определенных областей тела или органов для визуализации и диагностики.

Результаты опубликованы в издании Advanced Materials.

24.07.2023