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来自电子或机械设备的过量热量是效率低下的标志或原因。在许多情况下，监测热流的嵌入式传感器可以帮助工程师改变设备的行为或设计，以提高其效率。
研究人员首次利用一种新的热电现象来制造一种可以实时显示热流的薄传感器。这种传感器可以安装在设备的深处，而其他类型的传感器是不切实际的。使用成熟的方法，它也快速、廉价和容易制造。研究结果发表在《先进材料》杂志上。
根据能量守恒定律，能量永远不会被创造或毁灭，而只是根据所涉及的实体之间的相互作用从一种形式转变为另一种形式。所有的能量最终都转化为热。对我们来说，这可能是一件有用的事情，例如，当我们想在冬天为我们的家供暖时;当我们想要冷却一些东西，或者最大限度地利用电池驱动的应用程序时，这是有害的。
在任何情况下，我们对设备的热行为管理得越好，我们就能更好地设计这种不可避免的影响，提高设备的效率。然而，这说起来容易做起来难，因为了解一些复杂、微型或危险设备内部的热量流动是一件从困难到不可能的事情，这取决于应用。
受到这个问题的启发，来自东京大学物理系的项目副教授Tomoya Higo和Satoru Nakatsuji教授以及他们的团队，包括一个企业合作伙伴，开始寻找解决方案。通过材料传导的热量被称为热流。寻找新的测量方法不仅可以帮助提高设备效率，还可以提高安全性，因为热管理不良的电池可能不安全，甚至健康，因为各种健康或生活方式问题都与体温有关，”Higo说。
“但是找到一种传感器技术来测量热通量，同时满足许多其他条件，如稳健性、成本效益、易于制造等，并不容易。典型的热二极管器件相对较大，体积较小只给出特定区域的温度值，而不是整个表面的热通量图像。”
该团队探索了由某些特殊磁性材料和电极组成的热流传感器在存在复杂热流模式时的表现方式。基于铁和镓的磁性材料表现出一种被称为反常能思特效应(ANE)的现象，即热能异常地转换为电信号。
然而，这并不是唯一可以将热量转化为能量的磁效应。还有塞贝克效应，它实际上可以产生更多的电能，但它需要大量的材料，而且这些材料很脆，很难处理。另一方面，ANE允许团队在非常薄且具有延展性的塑料片上设计他们的设备。
Higo说:“通过找到合适的磁性和电极材料，然后以一种特殊的重复模式应用它们，我们创造了灵活、坚固、廉价、易于生产的微观电子电路，最重要的是，它们非常擅长实时输出热流数据。”
“我们的方法是将一层透明、坚固、轻质的PET塑料作为基础层，在其上溅射磁性和电极材料，形成薄而一致的层。然后，我们将我们想要的图案蚀刻到生成的薄膜上，类似于制作电子电路的方式。”
研究小组以一种特殊的方式设计了电路，以提高ANE的效率，同时抑制塞贝克效应，因为塞贝克效应实际上会干扰ANE的数据收集潜力。之前的尝试都是失败的，无论如何都不能很容易地扩大规模和潜在的商业化，这使得这种传感器成为同类中的第一个。
“我设想看到下游应用，如发电或数据中心，在这些应用中，热量会阻碍效率。但随着世界变得更加自动化，我们可能会在自动化制造环境中看到这类传感器，它们可以提高我们预测机器故障、某些安全问题等的能力。”
“随着进一步的发展，我们甚至可以看到内部医疗应用，帮助医生制作身体特定区域或器官的内部热图，以帮助成像和诊断。”
更多信息:Hirokazu Tanaka等，垂直热流通量直接传感的异常能量热电堆卷对卷印刷，先进材料(2023)。DOI: 10.1002 / adma.202303416期刊信息:Advanced Materials
由东京大学提供
引用:坚固，低成本的传感器可以
设备中的监控热流以提高效率(2023年，7月24日)2023年7月24日检索自https://techxplore.com/news/2023-07-robust-low-cost-sensor-devices-efficiency.html本文档
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