電子或機械設備產生過多的熱量是性能低下的標志或原因。許多情況下，監測熱量流動的嵌入式傳感器可以幫助工程師改進設備的散熱行為或設計，以提高效率。據麥姆斯咨詢介紹，東京大學研究人員首次利用一種新穎的熱電現象構建了一種能夠實時可視化熱流的超薄傳感器。該傳感器可以構建在其它類型傳感器無法觸及的設備內部深處，并且，它們可以利用快速、廉價的成熟方法制造。

根據能量守恒定律，能量永遠不會被創造或毀滅，只會根據所涉及實體之間的相互作用而從一種形式轉變成另一種形式。所有的能量最終都會轉化成熱量。對人們來說，很多情況下這可能是一件有用的事情，例如，我們可以在冬天給家里供暖。當然，也會成為不利的因素，例如，當我們想冷卻某些東西時，或者影響電池供電應用的效能等。無論如何，我們越能更好地管理設備的熱行為，就能更好地圍繞這種不可避免的影響進行優化設計，提高相關設備的效率。不過，說起來容易做起來難，根據應用的不同，充分了解那些復雜、微型或危險設備內部的熱量傳遞非常困難，甚至不可能做到。

為此，東京大學物理系的Tomoya Higo副教授和Satoru Nakatsuji教授及其研究團隊（包括企業合作伙伴）開始著手尋找解決方案。Higo說：“通過材料傳導的熱量被稱為其熱通量。尋找新的測量方法不僅有助于提高設備效率，還有助于提高安全性，例如熱管理不佳的電池可能不夠安全，這甚至還與人體健康相關，因為各種健康問題或生活方式問題可能都與體溫相關。不過，開發一種同時滿足許多條件（如堅固性、成本效益、易于制造等）的熱通量測量傳感器并不容易。典型的熱二極管器件相對較大，且只能給出特定區域的溫度值，無法提供整個表面的熱通量圖像。”

該團隊探索了一種由某些特殊磁性材料和電極組成的熱通量傳感器，及其面對復雜熱傳遞模式時的表現。這種基于鐵和鎵的磁性材料表現出了一種被稱為異常能斯特效應（ANE）的現象，即熱能異常轉化為電信號的現象。不過，這并不是唯一能將熱量轉化為電能的磁效應。還有塞貝克效應，實際上塞貝克效應可以產生更多的電能，但它需要大量的材料，而且這些材料很脆，很難加工處理。另一方面，ANE效應使研究團隊可以在非常薄且具有延展性的塑料片材上設計他們的傳感器件。

近期，該研究成果已經以“Roll-to-Roll Printing of Anomalous Nernst Thermopile for Direct Sensing of Perpendicular Heat Flux”為題發表于Advanced Materials期刊。

Higo表示：“通過尋找合適的磁性和電極材料，然后以特殊的重復模式應用它們，我們構建了一種柔性、堅固、廉價且易于生產的微型電子電路，重要的是它們在實時輸出熱通量數據方面表現優異。我們的方案包括軋制一層透明、堅固、輕質的PET塑料薄膜作為基層，然后在其上濺射薄而均勻的磁性材料和電極材料層。然后，我們在所得到的薄膜中蝕刻所需要的圖案，類似于電子電路的制造方式。”

薄膜制造，卷對卷濺射沉積制造技術已經成熟，可以針對商業應用大批量生產可蝕刻薄膜

研究團隊以一種特殊的方式設計了電路，以增強ANE，同時抑制塞貝克效應（因為這會干擾ANE的數據收集潛力）。在此之前，所有開發能夠輕松擴大規模并商業化的類似傳感器都沒有成功，這使得這項研究成果成為同類傳感器中的第一個。

通過特殊的圖紋蝕刻，可以抑制塞貝克效應，避免干擾ANE的數據收集

Nakatsuji說：“我預計這項成果有望應用到發電或數據中心等下游應用，因為熱量會阻礙這些應用的效率。隨著自動化的日益普及，我們還有望在自動化制造環境中看到這種傳感器，從而提高我們預測機器故障以及某些安全問題的能力。隨著進一步的開發，它還可以用于內部醫學應用，幫助醫生生成人體特定區域或器官的內部熱圖像，以幫助成像和診斷。”

審核編輯：劉清