氧化鎳基陣列式熱敏器件有限元仿真

展旭和，邢健，楊杰，俞佳杰，張珂，吳思程*

（1.國家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 370214；2.航材國創(chuàng)（青島）高鐵材料研究院有限公司，山東 青島 370214；3.北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院，浙江 杭州 310051）

溫度是一個表示物體冷熱程度的物理量，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)活動中，對于溫度的實時監(jiān)測和精準控制具有十分重大的意義［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，對于溫度傳感器也提出了越來越高的要求［2-4］。溫度傳感器需要具備柔性、高靈敏度、高精度、快速響應(yīng)和寬工作溫域等特性。溫度傳感器依靠敏感材料的溫度-電阻性質(zhì)進行測量，包括了正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻，常見的熱敏材料有有機材料、碳材料、金屬、金屬氧化物等?？蒲腥藛T在這方面開展了許多的研究，并取得了很大的進展［5］。

基于金屬氧化物的熱敏電阻由于其高穩(wěn)定性、寬工作溫域、可大批生產(chǎn)、過載能力強等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、深海領(lǐng)域、通訊等領(lǐng)域中均有很好的發(fā)展及應(yīng)用前景［6-9］。目前熱敏電阻在塊體、厚膜應(yīng)用上已經(jīng)十分成熟，薄膜器件的制備還處在實驗室探索階段，但是極高的加工溫度限制了其在柔性領(lǐng)域的應(yīng)用。金、銀、銅、鎳和鉑等金屬由于良好的溫度-電阻線性關(guān)系，常常被用作溫度傳感器的敏感材料［3，10-12］；各類金屬材料中鎳有著最高的靈敏度，同時在0～100℃溫度范圍內(nèi)電阻與溫度保持著非常好的線性關(guān)系；鉑雖然為貴金屬，但是出色的穩(wěn)定性使其得到了廣泛的應(yīng)用。另外，碳材料、有機聚合物等材料受到了越來越多的關(guān)注［10，13-15］，它們在柔性、成膜性、抗彎曲性上有著較大優(yōu)勢，在可穿戴領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

氧化鎳是一個典型的P型半導(dǎo)體材料，有著良好的負溫度電阻效應(yīng)，其作為熱敏電阻的應(yīng)用已有大量報道［16-19］。本課題組在之前研究的基礎(chǔ)上，基于氧化鎳納米顆粒得到了分散均勻穩(wěn)定的漿料，在旋涂成膜、熱固化和電極制備之后得到了寬溫域、高精度的溫度傳感器，同時表現(xiàn)出了非常好的機械性能。為了實現(xiàn)由點及面，多點溫度同時感知監(jiān)測，將溫度傳感器進行陣列化是非常必要的。因此本文通過COMSOL軟件對陣列式溫度傳感器進行有限元分析，對陣列中氧化鎳單元大小和厚度進行模擬優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果將為溫度陣列的制備提供指導(dǎo)。

1 實驗方法

陣列式熱敏器件的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，由四層結(jié)構(gòu)組成，其中最底層為熱源，尺寸隨敏感單元尺寸的變化而變化；第二層為聚酰亞胺（PI）基底，基底尺寸為50 mm×50 mm；PI基底之上為氧化鎳敏感層材料，單元尺寸從6 mm×6 mm變化至12 mm×12 mm；電極覆蓋在敏感層之上，電極材料為銀；陣列密度設(shè)置為4×4，其中COMSOL材料庫中的Kapton H材料作為基底；不考慮敏感層材料中其他成分的影響，敏感層材料的性質(zhì)以氧化鎳來計算，為了保證計算的準確度，模擬過程中將各層材料的厚度統(tǒng)一擴大十倍。熱敏器件有限元網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，其中陣列模型完整網(wǎng)格包含31528個域單元、18744個邊界元和3216個邊單元。最小網(wǎng)格質(zhì)量：0.02673；平均網(wǎng)格質(zhì)量：0.5821。各種材料的性能限定見表1。

表1 材料性能限定條件Tab.1 Material property limits

圖1 陣列式熱敏器件的模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simulation structure diagram of the array thermal sensitivity device

圖2 陣列式熱敏器件有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element mesh of the array thermal sensitivity device

模擬的條件設(shè)定如圖3所示，熱源施加在一個敏感單元的正下方，熱源溫度為50℃，環(huán)境溫度為20℃。模擬30 s之后可得到各個敏感單元的溫度分布情況，并由此來確立單元的最優(yōu)尺寸。

圖3 仿真邊界條件設(shè)定Fig.3 Simulation boundary condition settings

在仿真確定了敏感單元的尺寸之后，再通過計算不同敏感層厚度對溫度分布的影響來確定敏感層厚度范圍（見圖4）。模擬結(jié)構(gòu)各層的尺寸、材料性質(zhì)以及其他設(shè)定條件與上述相同，敏感層厚度在0.1～1.9 mm之間變化。

圖4 敏感層厚度仿真示意圖Fig.4 Sensitive layer thickness simulation diagram

2 敏感單元尺寸優(yōu)化

在模擬優(yōu)化過程中一共設(shè)計了8個不同尺寸敏感單元，4×4陣列密度的熱敏器件（見圖5）。通過在左下角的敏感單元施加一個溫度恒定為50℃塊體作為熱源，在前期的模擬中發(fā)現(xiàn)在熱源施加時間25 s之后，陣列的溫度分布基本上達到平衡狀態(tài)，因此計算和評估在30 s之后此單元的溫度和相鄰單元的溫度變化情況，從而來確定適合的敏感單元尺寸。

圖5 敏感單元尺寸優(yōu)化Fig.5 Size optimization of thermal-sensitive unit

圖6 為30 s之后的陣列器件溫度分布圖，可以看出施加熱源之后，熱擴散對周圍的敏感單元產(chǎn)生了不同程度的影響，其中影響最大的是單元2和單元3，對于單元4的影響較小，對于剩下的其他敏感單元則基本沒有影響。為了更加方便地對比不同單元大小的影響，將正對著熱源和兩個敏感單元即單元2和單元3繪圖，在圖7中列出。同時相鄰單元的溫度變化情況和與加熱敏感單元的溫差變化趨勢總結(jié)在圖8中。

圖6 熱擴散影響示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal diffusion effects

圖7 不同尺寸敏感單元在熱源保持30 s之后1單元與相鄰2，3單元的溫度分布圖Fig.7 Temperature distributions of unit 1,unit 2 and unit 3 after 30 s the heat source kept for different size sensitivity units

從圖8曲線可以直觀地發(fā)現(xiàn)，在敏感單元尺寸較大的時候，其對臨近單元有較大的影響；隨著單元尺寸的減小，其影響快速降低。相鄰單元的最高溫度從37℃快速下降；當尺寸達到8 mm×8 mm時，基本達到了平衡狀態(tài)，之后隨著單元尺寸的下降，相鄰單元溫度基本恒定，兩者溫差保持在21℃左右。由于氧化鎳溫度傳感器的電阻較大，在相同情況下優(yōu)先考慮面積更大的敏感單元，因此確定敏感單元的大小為8 mm×8 mm。

圖8 2，3單元最高溫度，和1單元與2，3單元溫差變化曲線Fig.8 Unit 2,unit 3 maximum temperature,and unit 1 unit and unit 2,unit 3 temperature difference curve

3 敏感單元厚度優(yōu)化

在確定了最佳的單元面積大小后，接著進行了最優(yōu)厚度的模擬仿真。在厚度的模擬優(yōu)化中設(shè)計了氧化鎳敏感層從0.1～1.9 mm共19個不同厚度敏感單元，尺寸面積為仿真優(yōu)化確定的8 mm×8 mm，陣列密度為4×4的熱敏器件。優(yōu)化步驟與熱源設(shè)置同上述優(yōu)化熱敏單元一致，比較在30 s之后的陣列溫度分布情況，進行最佳厚度的確定。

優(yōu)化結(jié)果在圖9中進行了整理歸納，可以看出隨著敏感層厚度的增加，熱源端敏感單元的溫度在逐步降低，同時對相鄰敏感單元的影響也逐漸變小，兩者的溫差在厚度由0.1 mm增加到1.0 mm過程中變化較大，在這之后變化趨勢放緩。為了較為真實地反映熱敏的實際溫度，同時盡量減小對周圍單元的影響，選擇敏感層厚度在0.6～1.0 mm比較合適。

圖9 不同厚度下，a.熱源端敏感單元溫度；b.相鄰敏感單元溫度；c.熱源端單元與相鄰單元溫差Fig.9 Under different thicknesses,a:the sensitive element temperature at the heat source;b:the temperature of the adjacent sensitive unit;c:the temperature difference between the above units

4 結(jié)論

敏感單元尺寸的模擬結(jié)果顯示，隨著單元面積的減小其對于臨近單元的影響逐步減小，在面積為8 mm×8 mm時，基本達到平衡。對于厚度來說，當厚度到達1.0 mm之前，其變化對相鄰單元溫度影響較大；在厚度更大情況下，影響變小。因此，綜合兩個模擬結(jié)果，本文確定了陣列中敏感層單元的尺寸為8 mm×8 mm×（0.6～1.0）mm。具體的厚度結(jié)合實驗結(jié)果來確定。