基于石墨烯的热电堆器件关键技术研究

热电偶以及由多个热电偶级联构成的热电堆，是一种传统的非接触式热传感器，其基本原理是利用导体或半导体的Seebeck效应，将温度梯度转变为电压输出信号。热电堆器件未来的发展方向是采用更高性能的热电材料，与先进半导体技术紧密结合，进一步提高器件精度并小型化。基于石墨烯优良的、独特的热电学特性，石墨烯热电堆器件有比现有的硅热电堆器件具有更高灵敏度的潜力。随着工艺的进步，通过进一步减小介质上石墨烯的电阻率和复合结构的总厚度、甚至提高石墨烯Seebeck系数，石墨烯热电堆器件的灵敏度将有很大的提高空间。石墨烯热电堆同时具有使用简单、成本低、可靠性高、应用范围特别广泛的优点。 本项目重点围绕石墨烯材料的特点，充分发挥其材料的优势，研究开发相应的热电堆器件结构和制造技术，对石墨烯热电堆器件的工作原理、加工工艺和测试技术进行深入研究，并对其相关特性进行剖析，进一步发现和解决石墨烯热电堆器件的若干问题，为石墨烯热电堆器件的应用打下坚实的基础。 项目深入研究了石墨烯热电堆器件的制备工艺流程，获得了热电偶并联、串联等多种结构的石墨烯热电堆器件。通过工艺优化，将影响器件性能的重要参数之一----接触电阻降低到500Ω•μm。针对多个试验样品的实验测试结果表明，当栅控电压在-1 V左右时，石墨烯热电堆的Seebeck系数最大值在50-75μV/K 之间；当栅控电压在0.8 V左右时，Seebeck系数的最小值在-25~-55μV/K 之间。通过静电法成功地实现了对石墨烯Seebeck系数的调控和反相，验证了项目提出的石墨烯热电堆工作和检测基本原理的正确性。 2100433B

石墨烯材料具有很高的Seebeck系数和很低的电阻率，但由于其热导率也很高，所以一般认为用石墨烯材料制作的热电堆红外传感器难以达到较高的灵敏度。但是，本项目基于石墨烯超薄的原子层量级厚度，及其独特的热电学特性，提出将石墨烯与低热导率材料相结合构成复合热敏感膜，在保持石墨烯Seebeck系数和电阻率方面的优势的同时，极大降低复合热敏感结构的热导率，达到大幅度提高石墨烯热电堆器件优值和灵敏度的目的。同时，根据石墨烯Seebeck系数及其符号与外加偏置电压的相关性，本项目提出一种新的信号读出方案，使传统热电堆的直流信号输出变为交流信号输出，进一步降低石墨烯热电堆传感器系统的噪声。开展本项目的研究，不仅能够推动石墨烯在热电领域的研究和应用，发展新型的高精度热电堆器件，使热电堆的应用范围扩展到环境监测、军事、航天等高端领域，还有助于中国在该领域内拥有相关自主知识产权。

热电堆是一种热释红外线传感器 ，它是由热电偶构成的一种器件。它在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，作为温度检测器件获得了广泛的应用。

由两个或多个热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势是互相叠加的。

用于测量小的温差或平均温度。

热电堆的结构：辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来，就构成热电堆。按用途不同，实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型，亦可制成多通道型和阵列型器件。

热电堆是由多个热电偶的串联而成。

热电堆的结构：辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来，就构成热电堆。按用途不同，实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型，亦可制成多通道型和阵列型器件。

热电堆红外测温传感器

热电堆红外测温传感器直接感应热辐射 ，为非接触温度测量提供完美的解决方案，它的具有创新的硅基微机械技术保证了它的极好的长期稳定性，非常低的温度灵敏系数,极好的光电特性。热电堆红外传感器使非接触温度测量系统具备很低的价格。它不需要冷却，但在整个温度测量范围内能达到±1℃的精度。对于比较窄的温度测量范围，例如体温测量，精度可以达到±0.1℃。

在非接触温度计中的应用

用高精度热敏电阻来测量热电堆所处的环境温度，然后由CPU计算出测量温度。可以在EEPROM中预先写入一些标准的温度条件，例如：在被测物体温度为37℃、热电堆所处环境温度为25℃条件下测得的输出电压。而且，热电堆的输出电压、运放的偏置及增益的离散性等等也可以通过软件来进行修正 。

另外，被测对象的温度与热电堆所处的环境温度之间，存在着下面的关系。

Vout=A(Tb4-Ts4)

Vout为热电堆的输出电压(V)

A为比例系数

Tb为被测物体的温度(K)

Ts为热电堆所处的环境温度(K)

因此，被测对象的温度，可以通过测量热电堆输出电压和热电堆所处环境的绝对温度，并通过运算后获得。

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