Dispositivo de medida de temperatura, método de fabricación del dispositivo y sistema de medida de punto de impacto que incorpora el dispositivo.

Dispositivo de medida de temperatura, método de fabricación del dispositivo y sistema de medida de punto de impacto que incorpora el dispositivo.

En un aspecto la invención refiere a un dispositivo de medida de temperatura que comprende una lámina de película fina de material magnético-metálico de manera que, en funcionamiento y en presencia de un campo magnético aplicado, una variación de la temperatura en una zona de la lámina genera una tensión eléctrica en la zona, siendo leíble esta tensión eléctrica generada, a través de medios para la lectura de la tensión eléctrica correspondientes a la zona. En otro aspecto la invención se refiere a un procedimiento para la fabricación del dispositivo. En otro aspecto la invención se refiere a un sistema de medida de punto de impacto, de radiación o de partículas, que incorpora el dispositivo.

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.

VvWTx oc |M|2 sin ©eos©

Según algunos ejemplos, la lámina de película fina comprendida en el dispositivo...

1. Dispositivo (1) de medida de temperatura caracterizado por el hecho de que comprende:

una lámina (2) de película fina de material magnético-metálico, estando conformada esta lamina por una pluralidad de zonas (3) y comprendiendo cada una de estas zonas medios (4) para la lectura de la tensión eléctrica en la zona, comprendiendo estos medios deposiciones de material metálico;

de manera que, en funcionamiento y en presencia de un campo magnético aplicado (7), una variación de la temperatura (6) en una de las zonas genera una tensión eléctrica (8) en la zona, siendo leíble esta tensión eléctrica generada, a través de los medios (4) para la lectura de la tensión eléctrica correspondientes a la zona.

2. El dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque la lámina (2) tiene un grosor comprendido en el rango de 10 nm a 100 nm.

3. El dispositivo, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el material magnético-metálico de la lámina (2) se selecciona 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.

4. El dispositivo, según la reivindicación 3, caracterizado porque el material semimetálico magnético se selecciona de entre La2/3Sri/3MnC>3, La2/3Cai/3MnC>3, Fe3C>4.

5. El dispositivo, según la reivindicación 3, caracterizado porque el elemento ferromagnético metálico se selecciona de entre Fe, Ni.

6. El dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque las deposiciones (4) son de un material que se selecciona de entre platino, oro, paladio, plata, cobre, aluminio.

7. El dispositivo, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 6 , caracterizado porque las deposiciones (4) son deposiciones puntuales.

8. El dispositivo, según una cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque la separación entre deposiciones (4) de una misma zona está en el rango de mieras a milímetros.

9. El dispositivo, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende además un sustrato sobre el que se asienta la lámina (2) de película fina de material magnético-metálico.

10. Un sistema de medida del punto de impacto de una partícula caracterizado porque comprende:

un dispositivo (1) de medida de temperatura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 ;

una lámina (5) de material absorbente de energía cinética, configurada para transformar esta energía cinética en una variación de temperatura.

11. Un sistema de medida del punto de impacto de un haz de radiación caracterizado porque comprende:

un dispositivo (1) de medida de temperatura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9;

una lámina (5) de material absorbente de radiación, configurado para transformar la energía del haz de radiación, en calor.

12. Un procedimiento para fabricar un dispositivo (1) de medida de temperatura caracterizado porque 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 (4) en el sustrato.

13. El procedimiento, según la reivindicación 12, caracterizado porque el procedimiento de deposición es un procedimiento físico de deposición a vacío.

14. El procedimiento, según la reivindicación 13, caracterizado porque el procedimiento físico de deposición a vacío se selecciona de entre:

spin coating;

sputtering;

atomic Iayer deposition;

láser pulsado (PLD).

15. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque generar una pluralidad de deposiciones metálicas (4) en el sustrato comprende:

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.

16. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque los cationes precursores se seleccionan de entre La, Sr, Ca, Mn, Fe, Cr, Ni.

17. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque el polímero se selecciona de entre polímeros hidrosolubles tipo PEI (polietileneimine) o Quitosano.

18. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque la

concentración de cationes está en el rango milimolar.

19. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizado porque la

concentración de polímero está en el rango milimolar.

20. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19, caracterizado porque el sustrato es de un material magnético-metálico.

21. El procedimiento, según la reivindicación 20, caracterizado porque el material magnético-metálico se selecciona 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.

22. El procedimiento, según la reivindicación 21, caracterizado porque el material semimetálico y magnético se selecciona de entre La^SriraMnOs, La2/3Cai/3Mn03, FesCU.

23. El procedimiento, según la reivindicación 21, caracterizado porque el elemento ferromagnético y metálico se selecciona de entre Fe, Ni.

24. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 23, caracterizado porque someter el sustrato a un proceso de calentamiento comprende 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.

25. El procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 24, caracterizado porque las deposiciones (4) son de un material que se selecciona de entre platino, oro, paladio, plata, cobre, aluminio.