DISPOSITIVO DE MEDIDA DE TEMPERATURA, MÉTODO DE FABRICACIÓN DEL DISPOSITIVO Y SISTEMA DE MEDIDA DE PUNTO DE IMPACTO QUE INCORPORA EL DISPOSITIVO
SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente descripción se refiere a dispositivos de medida de temperatura y a procedimientos de fabricación de dispositivos de medida de temperatura.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Son conocidos en el estado de la técnica numerosos dispositivos que permiten medir la temperatura y que están fundamentados en diferentes fenómenos físicos. La gran mayoría de estos sistemas tienen como objetivo medir la temperatura ambiente del sistema.
En la solicitud de patente estadounidense US2014/105242 se presenta un sistema de medida de temperatura y humedad. Este sistema está compuesto por nano-partículas (nanotubos de carbono) y una capa de polímero no conductora.
En la patente estadounidense US4603372 se presenta un circuito integrado que contiene una película conductora, una pluralidad de electrodos y una película polimérica. Este sistema se utiliza para medir la temperatura y humedad del ambiente.
Todos estos dispositivos de medida de temperatura descritos tienen una configuración compleja (electrodos, nano-partículas, películas conductoras y/o poliméricas, etc.) y presentan además una resolución de temperatura insuficiente, así como una estabilidad y resolución bajas.
Por otro lado, son conocidos también varios sistemas que permiten determinar la posición del punto de impacto de una partícula y/o radiación.
Así, en la patente estadounidense US4898471 se describe un sistema de detección de partículas en superficies con un patrón determinado. Este sistema se basa en la aplicación de un haz de luz y en la medida de la señal reflejada por la superficie.
En la solicitud de patente estadounidense US2012/293192 se presenta un sistema de detección de fotones y partículas basado en la detección de la carga generada por el fotón o partícula cuando éste incide en el sistema.
En [Mayer et. al. Nuclear Science Symposium, 1996. Conference Record., 1996 IEEE] se describe un sistema con resolución sub-milimétrica para la medida de radiación, en el que también se determina su posición, estando basado este sistema en el uso de detectores CdZnTe.
Finalmente, en [Lameres et.al, IEEE SENSORS 2010 Conference] se describe un sistema de detección de radiación que también permite indicar la posición en la que ésta incide, basándose en la acumulación de carga producida por la radiación incidente en el sistema.
En general, estos sistemas de detección y otros conocidos en el estado de la técnica requieren una circuitería compleja, lo que los hace costosos y con elevada susceptibilidad a fallos y la resolución que ofrecen en la medida de la es de unas décimas de grado en el mejor de los casos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Por lo tanto, existe la necesidad de nuevos dispositivos de medida de temperatura y procedimientos de fabricación de dispositivos de medida de temperatura que solucionen al menos alguno de los problemas antes mencionados. Es un objetivo de la presente invención satisfacer dicha necesidad.
De acuerdo con un primer aspecto, este objetivo se consigue proporcionando un dispositivo de medida de temperatura que comprende una lámina de película fina de material magnético-metálico, estando conformada esta lámina por una pluralidad de zonas y comprendiendo cada una de estas zonas medios para la lectura de la tensión eléctrica en la zona; de manera que, en funcionamiento y en presencia de un campo magnético aplicado, una variación de la temperatura en una de las zonas genera una tensión eléctrica en la zona (es decir, provoca en la zona una variación en el potencial eléctrico), siendo leíble esta tensión eléctrica generada, a través de los medios para la lectura de la tensión eléctrica correspondientes a la zona.
De este modo, se consigue un dispositivo de medida de temperatura sencillo (es decir, sin requerir una circuiterfa compleja) y eficiente. Además, es capaz de detectar pequeñas variaciones de temperatura en un punto muy localizado, al estar dividida la lámina de película fina en zonas, comprendiendo cada una de ellas medios para leer u obtener medidas de tensión eléctrica cuando se produce una variación de temperatura en dicha zona.
Por otro lado, no se requiere de ningún tipo de deposición especial de la película (se adapta a la superficie donde se quiere medir la temperatura) y es utilizable cualquier tipo de material ferromagnético y metálico.
Además, se trata de un dispositivo simple, que se puede fabricar con técnicas convencionales y a un coste reducido. Otra ventaja del dispositivo objeto de la presente invención es la resolución espacial que se puede obtener en la medida de la temperatura.
Para conseguir que la lámina esté conformada por zonas, hay que dividir la lámina mediante un proceso de litografía, una máscara, etc., tal como se describirá más adelante.
Básicamente, la descripción técnica del funcionamiento del dispositivo se basa en las siguientes premisas.
Los coeficientes fundamentales de la carga y el transporte de calor en los conductores electrónicos pueden ser descritos por un par de ecuaciones cinéticas en el que los flujos eléctricos y térmicos están relacionadas linealmente a sus correspondientes fuerzas conjugadas: es decir, el campo eléctrico E, y el gradiente térmico HT. Debido a que la corriente eléctrica J y el calor U pueden interactuar, se define una matriz de transporte en la que los elementos fuera de la diagonal están relacionados a través de las relaciones recíprocas de Onsager-Kelvin. Esta es la base de la termoeléctrica, que proporciona la relación entre U y J, a través del coeficiente de Peltier.
La diferente densidad de estados y velocidades de Fermi para los electrones con momento magnético de espín (entendiendo el término "espín" como un momento intrínseco de rotación de una partícula elemental o de un núcleo atómico) hacia arriba/abajo (up/down) característica de la población de materiales magnético-metálicos produce diferentes conductividades para las direcciones de espín opuestas. Cuando el tiempo de relajación de espín es mayor que el tiempo de relajación del momento, la parte dependiente de espín debe tenerse en cuenta en las ecuaciones de transporte. Por lo tanto, hay un coeficiente de Seebeck y Peltier dependientes del espín, sobre la base de la reciprocidad de Onsager. Por otra parte, en conductores magnéticos la interacción espín- órbita introduce una tensión termoeléctrica anisotrópica, en función del ángulo © entre el gradiente de temperatura y la magnetización del material M. Estos son los homólogos térmicos (recíprocos de Onsager) de la magnetorresistencia anisótropa (AMR) y del efecto Hall planar (PHE). En el efecto de Nernst planar (PNE), la tensión transversal está relacionado con la magnetización M y el ángulo © por:
donde M y VT tienen componente en el plano xy. Sin embargo, un VTZ * 0 en un material magnético-metálico producirá una diferencia de potencial Vxy debido al efecto Nerst anómalo (ANE):
donde Sxx es el coeficiente Seebeck lineal, m es el vector unitario de magnetización y E, es el factor de Nerst. Así, se produce un efecto Nerst planar y un efector Nerst anómalo en láminas delgadas de materiales magnético- metálicos en presencia de campos magnéticos.
Tal como se puede ver en esa ecuación del ANE, un sistema con una diferencia de temperatura proporcional a su magnetización produce una tensión eléctrica perpendicular a ambos (ver Figura 2).
Por consiguiente, la medida de la tensión eléctrica en la zona (es decir, la variación de potencial en la misma debida a la variación de temperatura que se produce en ella) permite también determinar la posición (más concretamente, la zona de la lámina de película fina) en la que se ha producido la variación de temperatura.
Dado que el coeficiente Seebeck es del orden de los micro voltios por kelvln en los metales ferromagnéticos, y el coeficiente Nernst varía típicamente entre 0.1 y 0.5, se pueden resolver variaciones de temperatura del orden de los micro Kelvln, que dan lugar a tensiones de una fracción de micro voltio, que puede ser leídas con los correspondientes medios de lectura.
En este punto es importante destacar que el campo magnético aplicado puede ser paralelo al plano de la película o al menos lo más paralelo posible a la orientación del dispositivo y puede tener un valor superior a 1900 A/m.
**(Ver fórmula)**
VvWTx oc |M|2 sin ©eos©
**(Ver fórmula)**
Según algunos ejemplos, la lámina de película fina comprendida en el dispositivo puede tener un grosor comprendido en el rango de 10 nm a 100 nm.
Por otro lado, el material magnético-metálico de la lámina de película fina se puede seleccionar de entre:
un material semimetálico y magnético;
un material óxido tipo perovskita;
una aleación tipo permaloy;
una aleación Ni-Cr;
un elemento ferromagnético metálico a temperatura ambiente.
El material semimetálico y magnético puede seleccionarse de entre La2/3Sri/3Mn03, La2/3Cai/3Mn03, Fe304, mientras que el elemento ferromagnético y metálico puede seleccionarse de entre Fe, Ni.
De acuerdo con otros ejemplos, los medios para la lectura de la tensión eléctrica pueden comprender, en cada zona, deposiciones de material metálico (por ejemplo contactos metálicos). Estas deposiciones permiten la medida de la tensión eléctrica generada en la lámina por una variación de temperatura producida en ella (más concretamente, en la zona de la lámina en la que se produce esta variación de temperatura, la cual supone una generación de tensión eléctrica), es decir, una variación local en la temperatura en la lámina de película fina genera una tensión que es medida en estas deposiciones (pueden tener la forma, por ejemplo, de contactos metálicos). Las deposiciones pueden formar un array regular en la lámina de película fina.
De este modo, estos medios para la lectura de la tensión eléctrica pueden presentar, para cada zona, una configuración de, por ejemplo, una pluralidad de contactos metálicos (al menos dos), a cada uno de los cuales puede conectarse un hilo conductor (por ejemplo de cobre), los cuales, a través de sus otros extremos, pueden conectarse a, por ejemplo, un nanovoltímetro o similar para determinar la variación de tensión eléctrica en la zona.
Según algunos ejemplos, las deposiciones pueden ser de un material que se selecciona de entre platino, oro, paladio, plata, cobre, aluminio. Además, las deposiciones pueden ser deposiciones puntuales y la separación entre deposiciones de una misma zona puede estar en el rango de mieras a milímetros.
De acuerdo con otros ejemplos, el dispositivo de medida de temperatura puede comprender además un sustrato sobre el que se asienta la lámina de película fina de material magnético-metálico.
Según otros ejemplos, se proporciona también un sistema de medida del punto de impacto de una partícula que puede comprender un dispositivo de medida de temperatura según se ha descrito anteriormente; y una lámina de material absorbente de energía cinética, configurada para transformar esta energía cinética en una variación de temperatura (es decir, esta lámina de material absorbente de energía cinética provoca una variación de temperatura local en el dispositivo de medida de temperatura).
Básicamente, cuando una partícula impacta sobre la lámina de material absorbente de energía cinética, ésta transforma esta energía en una variación de temperatura, la cual genera una tensión eléctrica en la zona correspondiente de la lámina de película fina que está en contacto con el punto de la lámina de material absorbente de energía cinética en el que ha impactado la partícula. A través de los medios para la lectura de la tensión eléctrica correspondientes (los presentes en la zona) es posible leer u obtener el valor de tensión producido por el impacto de la partícula. Además, también es posible determinar el punto de impacto de la partícula en la lámina de película fina (es decir, la zona de la lámina de película fina que ha recibido el impacto de la partícula), dado que esa zona proporciona un valor de tensión eléctrica diferente de cero, mientras que el resto de zonas de la lámina de película fina presentan un valor de tensión nulo. Por lo tanto, es posible obtener un sistema que permite determinar de forma sencilla y barata la posición en la que incide o impacta una partícula.
De acuerdo con otros ejemplos, se proporciona además un sistema de medida del punto de impacto de un haz de radiación que comprende un dispositivo de medida de temperatura según se ha descrito con anterioridad; y una lámina de material absorbente de radiación, configurado para transformar la energía del haz de radiación, en calor (es decir, esta lámina de material absorbente de radiación provoca una variación de temperatura local en el dispositivo de medida de temperatura).
Igual que para el sistema descrito anteriormente, cuando un haz de radiación impacta sobre la lámina de material absorbente de radiación, éste transforma esta energía en una variación de temperatura (por ejemplo, en calor), la cual genera una tensión eléctrica en la zona correspondiente de la lámina de película fina que está en contacto con el punto de la lámina de material absorbente de radiación en el que ha impactado el haz de radiación. A través de los medios para la lectura de la tensión eléctrica correspondientes (los presentes en la zona) es posible determinar el valor de tensión producido por el impacto del haz. Además, también es posible determinar el punto
de impacto del haz en la lámina (es decir, la zona de la lámina que ha recibido el impacto del haz), dado que esa zona proporciona un valor de tensión diferente de cero, mientras que el resto de zonas de la lámina presentan un valor de tensión nulo. Por consiguiente, es posible obtener un sistema que permite determinar de forma sencilla y barata la posición en la que incide un haz de radiación.
Es este punto es Importante señalar que el haz de radiación puede ser generado, por ejemplo, por un láser.
De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un procedimiento para fabricar un dispositivo de medida de temperatura que comprende:
proporcionar una disolución acuosa que comprende cationes precursores y un polímero;
depositar mediante un procedimiento de deposición la disolución acuosa sobre un sustrato;
someter el sustrato a un proceso de calentamiento;
generar una pluralidad de deposiciones metálicas en el sustrato.
Según algunos ejemplos, el procedimiento de deposición puede ser un procedimiento físico de deposición a vacío, el cual puede seleccionarse de entre:
spin coating;
sputtering;
atomic layer deposition;
láser pulsado (PLD).
Además, la etapa de generar una pluralidad de deposiciones metálicas en el sustrato puede comprender:
o depositar metal en el sustrato; o aplicar una máscara al sustrato;
o aplicar un proceso de litografía para obtener una pluralidad de deposiciones puntuales metálicas en el sustrato.
Las deposiciones puntuales metálicas pueden ser contactos metálicos, tal como se ha comentado anteriormente.
Los cationes precursores que están comprendidos en la solución acuosa pueden seleccionarse de entre La, Sr, Ca, Mn, Fe, Cr, Ni; y su concentración puede estar en el rango milimolar.
Por otro lado, el polímero puede seleccionarse de entre polímeros hidrosolubles tipo PEI (polietileneimine) o Quitosano; y su concentración puede estar en el rango milimolar.
De acuerdo con algunos ejemplos, el sustrato sobre el que se deposita la solución acuosa puede ser de un material magnético-metálico, el cual puede seleccionarse de entre:
un material semimetálico y magnético;
un material óxido tipo perovskita;
una aleación tipo permaloy;
una aleación Ni-Cr;
un elemento ferromagnético metálico a temperatura ambiente.
El material semimetálico magnético puede seleccionarse de entre La2/3Sri/3MnC>3, La2/3Cai/3MnC>3, FesCU, mientras que el elemento ferromagnético metálico puede seleccionarse de entre Fe, Ni.
Según otros ejemplos, la etapa de someter el sustrato a un proceso de calentamiento puede comprender someter el sustrato a un proceso de calentamiento en el que se fija la temperatura en un rango de entre 600°C a 900°C.
Según aún otros ejemplos, las deposiciones pueden ser de un material que se selecciona de entre platino, oro, paladio, plata, cobre, aluminio.
Otros objetos, ventajas y características de realizaciones de la invención se pondrán de manifiesto para el experto en la materia a partir de la descripción, o se pueden aprender con la práctica de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación se describirán realizaciones particulares de la presente invención a título de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 muestra ejemplos de dispositivos de medida de temperatura, de acuerdo con la presente descripción;
La Figura 2 muestra una representación gráfica de la variación de la diferencia de tensión VVxy generada por un gradiente térmico en función de la magnitud del campo magnético H;
La Figura 3 muestra una representación gráfica de la variación de la tensión V generada por un gradiente de temperatura al variar el campo magnético aplicado H.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN
Como se puede ver en la Figura 1, de acuerdo con algunos ejemplos, un dispositivo 1 de medida de temperatura puede comprender una lámina 2 de película fina de material magnétlco-metállco. Esta lámina 2 de película fina puede estar conformada por una pluralidad de zonas 3, comprendiendo cada una de estas zonas medios 4 para la lectura de la tensión eléctrica en la zona. De este modo, cuando el dispositivo 1 está en funcionamiento y en presencia de un campo magnético aplicado, una variación de la temperatura en una de las zonas 3 genera una tensión eléctrica (es decir, provoca en la zona una variación en el potencial eléctrico), siendo leíble esta tensión eléctrica generada, a través de los medios para la lectura de la tensión eléctrica correspondientes a la zona.
El material magnétlco-metálico de la lámina 2 de película fina puede seleccionarse de entre:
un material semimetálico;
un material óxido tipo perovskita;
una aleación tipo permaloy;
una aleación Ni-Cr;
un elemento ferromagnétlco metálico a temperatura ambiente.
El material semimetálico magnético puede seleccionarse de entre La^Sr-i/sMnOs, La2/3Cai/3Mn03, Fe304, mientras que el elemento ferromagnétlco metálico puede seleccionarse de entre Fe, Ni.
Por otro lado, el grosor de la lámina 2 puede estar comprendido en el rango de 10 nm a 100 nm.
De acuerdo con algunos ejemplos, el campo magnético aplicado puede ser paralelo a la orientación del dispositivo y puede tener un valor superior a 1900 A/m.
Los medios 4 para la lectura de la tensión eléctrica en la zona correspondiente pueden presentar la configuración de una pluralidad de contactos eléctricos (por ejemplo dos), pudiendo tener conectado cada uno de ellos el extremo de un hilo conductor (por ejemplo de cobre). El otro extremo de los cables puede conectarse a un nanovoltímetro o similar (no mostrado) encargado de determinar la variación de tensión eléctrica en la zona.
Básicamente, además la Figura 1 muestra el funcionamiento del dispositivo 1 de medida de temperatura cuando forma parte de un sistema de determinación del punto de impacto de un haz de radiación o de partícula, en el que se utiliza una lámina 5 que transforma la energía cinética de una partícula en una variación de temperatura (en este caso puede tratarse de una lámina de material absorbente de energía cinética) o la energía de radiación en calor (en este caso puede tratarse de una lámina de material absorbente de radiación), produciendo un gradiente o variación de temperatura 6. Este gradiente de temperatura 6, en presencia de una campo magnético 7 genera una tensión 8 que es medida y que permite determinar el punto de impacto de la radiación o la partícula.
En unos ejemplos, se deposita una capa de 35 nm de espesor del óxido ferromagnétlco y metálico La2/3Sri/3Mn03 (LSMO) con unas dimensiones laterales de 5 mm x 5 mm. Esta capa se deposita mediante deposición por láser pulsado (PLD) sobre un sustrato monocristalino de SrT¡03 (STO) de 0.5 mm de espesor.
En un extremo de la película de LSMO se deposita por evaporación una línea de Pt de 4 mm de largo, 100 mieras de ancho y 10 nm de espesor. Para determinar o medir el voltaje generado como respuesta a la generación de un gradiente térmico, los extremos de la línea de platino se conectan mediante hilos de cobre a un nanovoltímetro para determinar la variación de tensión, tal como se ha descrito anteriormente.
El STO con la capa de LSMO en su parte superior, se coloca sobre un bloque de cobre con una resistencia eléctrica cerámica en su interior, que se utiliza para variar la temperatura y crear así un gradiente térmico entre la parte inferior y la parte superior de la película de LSMO. Además, se realiza el vacío en todo el sistema hasta una presión base de 10-5 Torr, para evitar gradientes térmicos incontrolados que puedan provocar gradientes parásitos que contaminen la medida.
Se aplica una corriente a la resistencia en el bloque de cobre para aumentar la temperatura de la base y crear un gradiente térmico a través de la película de LSMO. Cuando se disipan potencias muy pequeñas (pocos miliWatt), un diodo de GaAs pegado a la base de cobre no es capaz de detectar variación alguna de la temperatura. Sin embargo, como se puede ver en la Figura 3, al hacer un barrido en campo magnético aparece un voltaje transversal entre los extremos de la tira de platino, debido al Efecto Nernst Anómalo (ANE). Ese voltaje cambia de signo al cambiar el campo magnético, como es de esperar según la ecuación del ENA. Una vez alcanzada la magnetización de saturación del sistema LSMO, el voltaje leído es estable con el campo. Además, el voltaje aumenta linealmente con el gradiente térmico a través de la capa de LSMO. Para el ejemplo que se muestra, la variación de temperatura estimada es de 2 micro Kelvin entre la parte superior e inferior de la capa de LSMO de 35 nm.
A pesar de que se han descrito aquí sólo algunas realizaciones y ejemplos particulares, el experto en la materia comprenderá que son posibles otras realizaciones alternativas y/o usos, así como modificaciones obvias y elementos equivalentes. Además, la presente descripción abarca todas las posibles combinaciones de las realizaciones concretas que se han descrito. Los signos numéricos relativos a los dibujos y colocados entre paréntesis en una reivindicación son solamente para intentar aumentar la comprensión de la reivindicación, y no deben ser interpretados como limitantes del alcance de la protección de la reivindicación. El alcance de la presente descripción no debe limitarse a realizaciones concretas, sino que debe ser determinado únicamente por una lectura apropiada de las reivindicaciones adjuntas.
