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柔性薄膜温度传感器对锂电池温度进行实时监测

时间:2017-10-23 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
近年来,锂电池已广泛应用于智能电话,个人数字助理(PDA),笔记本电脑和电动汽车等商业产品中。鉴于这种广泛的应用,锂离子二次电池的安全性和效率是重要的问题。
锂电池的安全性取决于电解液,隔膜,阳极和阴极。在过充电条件下,锂形成活性表面,与电解液反应,增加内部阻抗,降低放电效率。随着充放电循环的增加,电池的容量会降低,从而限制其循环寿命。
 
金属锂可以以枝晶和针状晶体的形式分离,并在快速充放电过程中引起许多问题。因此,电池的效率降低,并且安全的问题出现了。锂电池的内部温度通常使用热电偶测量。传统的热电偶太大,无法用于精确测量最佳测量位置的温度。应避免温度测量时对电池的损坏。探头电气技术既快速(<200 ms)和精确(±0.1°C),并通过连接到电池的两个端子,无需将任何探针插入电池。远程查询传感器用于测量温度,压力,流体流速和湿度。在这项研究中,利用电阻温度检测器(RTD)微温度传感器,其体积。雀,响应时间短,制造简单,批量生产,以及比传统热电偶更有效地测量温度的能力。这些柔性薄膜温度传感器必须耐腐蚀,耐高温和应力腐蚀。
柔性薄膜温度传感器示意图。
 
一般金属的电阻由下式给出:
R=ρL/A
 
其中R表示电阻(Ω); ρ表示电阻率(Ωm); L表示线长(m),A表示横截面积(m 2)。当RTD的温度在线性区域变化时,测得的电阻与温度变化之间的关系可以表示为:
Rt=Ri(1+αtΔT)
Rt=Ri(1+αtΔT)
其中R t和R i分别表示在t ℃和t i ℃ 下的RTD的电阻; α 吨代表RTD的正温度系数; Δ ?表示在从基准温度的温度的变化; 和吨和吨我是一个RTD的在温度吨 ℃并吨我分别°C,。因此,等式(2)可以被重写为
αt=Rt−RiRi(ΔT)
其中α 吨是电阻的传感器的温度系数(TCR)。
 
柔性薄膜温度传感器的制作:
在本案例中,采用薄膜形式的聚对二甲苯作为柔性微温度传感器。聚对二甲苯耐腐蚀和应力腐蚀。传感器材料通过物理气相沉积(PVD)技术逐层沉积; 因此,微温度传感器可以在具有精确控制厚度的低温下制造。图2显示了制造传感器所涉及的八个步骤(a-h)。
图2. 在硅衬底上制造柔性微温度传感器的程序。
 
步骤a和b:在硅晶片衬底上沉积一层铜(Cu)作为牺牲层,然后如显示的那样,在铜层上沉积300:竦木鄱远妆奖∧。步骤c:聚对二甲苯薄膜作为保护层,隔离层和基材。步骤d:为了在微温度传感器上定义图案,进行了第一次光刻工艺。步骤e:使用电子束蒸发器将Cr(250)和然后Au(2000)作为导电层沉积在聚对二甲苯基板上。微型温度传感器的结构由剥离过程形成。步骤f:然后沉积另一个聚对二甲苯层以保护微温度传感器。步骤g和h:第二次平版印刷工艺,反应离子蚀刻(RIE)图3示出了微温度传感器的光学显微镜(OM)图像。
图3. 柔性微温度传感器的光学显微镜照片。
 
 
微温度传感器校准
将微温度传感器放置在热室(DENG YNG DS-45)中,如图4所示。
图4. 热室中微温度传感器的校准。
电阻信号由数据采集系统拾。缤?所示。热室的温度从-20℃升高到90℃三次。
图5. 电阻信号由数据采集获取。
 
图6和图7绘出了微温度传感器的校准曲线。校准曲线表现出高的重复性和温度和电阻之间关系的线性关系。
图6. 传感器1的校准曲线。
图7. 传感器2的校准曲线。
 
热冲击试验
使用可编程热冲击测试仪来测试微温度传感器结构的强度,其中放置在测试仪内部的传感器测量并报告温度。通过在3分钟的时间内,在每个极端温度下用5分钟停留时间使温度在0℃和90℃之间循环3次。在图8中,T1是可编程热冲击测试仪的空间温度曲线,T2是夹具放置微温度传感器1的温度曲线。图9绘出微温度传感器1的校准曲线。
图8. 可编程热冲击测试仪和微温度传感器支架温度变化1。
图9. 比较微温度传感器1次热冲击试验前后的校准曲线三个周期。
 
充放电中的温度测量
 
将柔性薄膜温度传感器插入锂电池中,如图10所示。连接到电池外表面的热电偶测量表面温度。来自微型传感器和热电偶的信号由数据采集系统GBT-2211拾取。
 

图10绘出了热电偶和微温度传感器的温度曲线。三条曲线都是相互一致的。锂电池中的不同位置的温度变化。内部温度比外部温度变化更快。在高峰时,内部温度高于外部温度2°C。
 
综上结论
在本研究中,选择聚对二甲苯作为柔性材料制造柔性薄膜温度传感器。柔性薄膜型温度传感器的强度足以用于锂电池。在现场温度测量成功回升。结果表明,当锂电池1C在电池中发生充放电反应时,内部温度比外部温度高2℃。