斬新な熱センサーは、熱を下げるのに役立つ可能性があります

Jul 25, 2023

堅牢で低コストのセンサーはデバイス内の熱流を監視して効率を向上させることができます

東京大学

画像: ロールツーロールのスパッタ堆積製造技術は十分に確立されており、商業環境で使用するためのエッチング可能なフィルムを大量に作成できます。もっと見る

クレジット: ©2023 田中ら。 CC-BY-ND

電子デバイスまたは機械デバイスからの過剰な熱は、非効率的なパフォーマンスの兆候または原因です。 多くの場合、熱の流れを監視する組み込みセンサーは、エンジニアがデバイスの動作や設計を変更して効率を向上させるのに役立ちます。 研究者らは初めて、新しい熱電現象を利用して、熱の流れをリアルタイムで視覚化できる薄型センサーを構築しました。 このセンサーは、他の種類のセンサーが実用的ではないデバイスの奥深くに組み込むことができます。 また、確立された方法を使用して、迅速、安価、簡単に製造できます。

エネルギー保存の法則によれば、エネルギーは生成または破壊されることはなく、関係するエンティティ間の相互作用に応じて形を変えるだけです。 すべてのエネルギーは最終的には熱になります。 私たちにとって、これは、たとえば冬に家を暖房したいときに便利です。 何かを冷却したい場合や、バッテリー駆動のアプリケーションを最大限に活用したい場合には有害です。 いずれにせよ、デバイスの熱挙動をより適切に管理できれば、この避けられない影響をより適切に回避し、問題のデバイスの効率を向上させることができます。 ただし、これは言うは易く行うは難しです。複雑、小型、または危険なデバイス内で熱がどのように流れるかを知ることは、用途によっては困難から不可能までさまざまです。

この問題に触発され、東京大学大学院理学系研究科の肥後智也特任准教授と中辻悟教授、および企業パートナーシップを含む彼らのチームは、解決策の模索に着手しました。 「材料を通して伝導される熱の量は、その熱流束として知られています。 これを測定する新しい方法を見つけることは、デバイスの効率を改善するだけでなく、熱管理が不十分なバッテリーは安全でなく、さまざまな健康やライフスタイルの問題が体温に関連している可能性があるため、安全性の向上にも役立つ可能性があります」と肥後氏は述べています。 「しかし、堅牢性、コスト効率、製造の容易さなど、他の多くの条件を満たしながら熱流束を測定するセンサー技術を見つけるのは簡単ではありません。 一般的なサーマルダイオードデバイスは比較的大きく、表面全体にわたる熱流束の画像ではなく、特定の領域の温度の値のみを提供します。」

研究チームは、熱流の複雑なパターンがある場合に、特定の特殊な磁性材料と電極で構成される熱流束センサーがどのように動作するかを調査しました。 鉄とガリウムをベースとした磁性材料は、熱エネルギーが異常に電気信号に変換される異常ネルンスト効果 (ANE) として知られる現象を示します。 ただし、熱を電力に変える磁気効果はこれだけではありません。 実際により多くの電力を生み出すことができるゼーベック効果もありますが、それには大量の材料が必要であり、材料は脆いため加工が困難です。 一方、ANE では、チームが信じられないほど薄くて展性の高いプラスチック シート上でデバイスを設計できるようになりました。

「適切な磁性材料と電極材料を見つけて、それらを特別な繰り返しパターンで適用することで、柔軟性があり、堅牢で、安価で製造が簡単で、そして何よりも実際の熱流束データを出力するのに非常に優れた微細な電子回路を作成しました。時間です」と肥後さんは言いました。 「私たちの方法では、透明で強力で軽量な PET プラスチックの薄いシートをベース層として巻き、その上に磁性材料と電極材料を薄く均一な層でスパッタリングします。 次に、電子回路の作り方と同じように、得られたフィルムに希望のパターンをエッチングします。」