Um novo sensor térmico pode ajudar a reduzir o

Jul 25, 2023

Um sensor robusto e de baixo custo pode monitorar o fluxo de calor em dispositivos para melhorar a eficiência

Universidade de Tóquio

imagem: A técnica de fabricação por deposição por pulverização catódica rolo a rolo está bem estabelecida e pode criar filmes graváveis ​​em grandes quantidades para uso em ambientes comerciais.Veja mais

Crédito: ©2023 Tanaka et al. CC-POR-ND

O excesso de calor proveniente de dispositivos eletrônicos ou mecânicos é um sinal ou causa de desempenho ineficiente. Em muitos casos, sensores incorporados para monitorar o fluxo de calor podem ajudar os engenheiros a alterar o comportamento ou o design dos dispositivos para melhorar sua eficiência. Pela primeira vez, os pesquisadores exploram um novo fenômeno termoelétrico para construir um sensor fino que pode visualizar o fluxo de calor em tempo real. O sensor pode ser construído em dispositivos profundos onde outros tipos de sensores são impraticáveis. Também é rápido, barato e fácil de fabricar usando métodos bem estabelecidos.

De acordo com a lei da conservação da energia, a energia nunca é criada ou destruída, mas apenas muda de forma de uma para outra dependendo da interação entre as entidades envolvidas. Toda energia eventualmente acaba como calor. Para nós isso pode ser útil, por exemplo, quando queremos aquecer as nossas casas no inverno; ou prejudicial, quando queremos resfriar algo ou aproveitar ao máximo um aplicativo alimentado por bateria. Em qualquer caso, quanto melhor conseguirmos gerir o comportamento térmico de um dispositivo, melhor poderemos contornar este efeito inevitável e melhorar a eficiência do dispositivo em questão. No entanto, é mais fácil falar do que fazer, pois saber como o calor flui dentro de algum dispositivo complexo, em miniatura ou perigoso é algo que varia do difícil ao impossível, dependendo da aplicação.

Inspirados por este problema, o Professor Associado do Projeto Tomoya Higo e o Professor Satoru Nakatsuji do Departamento de Física da Universidade de Tóquio, e sua equipe, que incluía uma parceria corporativa, começaram a encontrar uma solução. “A quantidade de calor conduzida através de um material é conhecida como fluxo de calor. Encontrar novas maneiras de medir isso poderia não apenas ajudar a melhorar a eficiência do dispositivo, mas também a segurança, já que baterias com gerenciamento térmico deficiente podem ser inseguras, e até mesmo para a saúde, já que vários problemas de saúde ou estilo de vida podem estar relacionados ao calor corporal”, disse Higo. “Mas encontrar uma tecnologia de sensor para medir o fluxo de calor, ao mesmo tempo que satisfaz uma série de outras condições, como robustez, eficiência de custos, facilidade de fabricação e assim por diante, não é fácil. Dispositivos de diodo térmico típicos são relativamente grandes e fornecem apenas um valor para a temperatura em uma área específica, em vez de uma imagem, do fluxo de calor através de uma superfície inteira.”

A equipe explorou a maneira como um sensor de fluxo de calor composto por certos materiais magnéticos especiais e eletrodos se comporta quando há padrões complexos de fluxo de calor. O material magnético baseado em ferro e gálio exibe um fenômeno conhecido como efeito Nernst anômalo (ANE), que ocorre onde a energia térmica é convertida de maneira incomum em um sinal elétrico. No entanto, este não é o único efeito magnético que pode transformar calor em energia. Há também o efeito Seebeck, que pode realmente criar mais energia elétrica, mas requer uma grande quantidade de material, e os materiais são frágeis e difíceis de trabalhar. ANE, por outro lado, permitiu que a equipe projetasse seu dispositivo em uma folha de plástico incrivelmente fina e maleável.

“Ao encontrar os materiais magnéticos e de eletrodo corretos e aplicá-los em um padrão de repetição especial, criamos circuitos eletrônicos microscópicos que são flexíveis, robustos, baratos e fáceis de produzir e, acima de tudo, são muito bons na saída de dados de fluxo de calor em condições reais. tempo”, disse Higo. “Nosso método envolve enrolar uma folha fina de plástico PET transparente, forte e leve como camada base, com materiais magnéticos e de eletrodos espalhados sobre ela em camadas finas e consistentes. Em seguida, gravamos nossos padrões desejados no filme resultante, semelhante à forma como os circuitos eletrônicos são feitos.”