通过Bi2MnCoO6和Bi0.5Na0.5TiO3的集成实现电容式温度传感技术的进步

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：Advancements in Capacitive Temperature Sensing Through Bi2MnCoO6 and Bi0.5Na0.5TiO3 Integration

电容式温度传感器开发需材料兼具高dC/dT值与线性电容-温度关系。Bi2MnCoO6（BMCO）与Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）复合后，通过固相反应法合成BMCO/BNT复合材料，其平均晶粒尺寸增大，在30-330°C宽温域内实现3.71 pF/°C的灵敏度与线性响应，较纯BMCO性能显著提升。

　　

摘要：

要开发出精度高的电容式温度传感器，需要寻找这样一种材料：它不仅具有较大的温度诱导电容变化（即较高的dC/dT值），同时还能保持电容-温度关系的线性。这种特性确保了在不同条件下都能获得精确且一致的温度测量结果。在弛豫铁电材料中，Bi2MnCoO6（BMCO）因其近乎线性的性能而备受关注；而TiO3（BNT）则具有较高的dC/dT值和较宽的工作温度范围。将这两种材料结合使用，为提高温度传感的线性和灵敏度提供了一种有前景的策略。在本研究中，我们采用固态反应法制备了BMCO/BNT复合材料，旨在实现更高的灵敏度和更宽的工作温度范围，从而充分利用这两种组分的协同效应。结构分析证实了材料的纯度，微观结构观察显示其晶粒发育良好，且BMCO/BNT复合材料的平均晶粒尺寸大于纯BMCO。介电谱测试表明，BMCO/BNT复合材料具有近乎线性的电容-温度响应，在30°C至330°C的宽广温度范围内，其灵敏度达到3.71 pF/°C，相对灵敏度（RS）为7.27%/°C。这一性能显著优于纯BMCO（在相同温度范围内的灵敏度仅为0.77 pF/°C）。BMCO/BNT复合材料的优异灵敏度和线性表现使其成为高性能电容式温度传感器的理想候选材料，适用于需要精确可靠温度测量的工业和生物医学领域。

引言

温度是影响众多科学和技术领域的重要参数。在制造、工业运营、气候调节和医疗诊断等领域，精确的温度测量至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。传统的温度传感器（如热电偶、电阻温度检测器（RTD）、热敏电阻和红外传感器）各有优缺点。因此，根据具体应用选择合适的传感器至关重要。然而，传统传感器常常存在一些局限性，例如热电偶和热敏电阻的温度稳定性较差、频率范围有限，且容易受到化学腐蚀的影响，从而限制了其在多种环境中的使用[5]、[6]。这些局限性可能会影响工业环境中的产品质量、安全性和能源效率。为应对传统温度传感器的不足，人们正努力开发具有更高精度、灵敏度和更宽工作温度范围的新型传感器[7]、[8]。这一趋势源于各行业（包括航空航天、汽车和生物医学工程）对精确温度测量的日益增长的需求[9]、[10]。近年来，传感器技术的进步（如元件小型化、无线通信功能的集成以及先进材料的应用）有助于解决这些挑战。