柔性傳感器為溫度測(cè)量帶來新優(yōu)勢(shì)

長(zhǎng)期以來，溫度測(cè)量對(duì)大多數(shù)工業(yè)和制造業(yè)務(wù)至關(guān)重要。它在智能建筑和家庭時(shí)代具有新的重要性，這些功能的自動(dòng)化已經(jīng)變得更加復(fù)雜，需要更精簡(jiǎn)和更易于實(shí)施的解決方案。

測(cè)量和保持一致的溫度可以通過一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器來完成，不同類型的傳感器根據(jù)應(yīng)用或使用環(huán)境提供不同的優(yōu)勢(shì)。硅傳感器的出現(xiàn)拓寬了測(cè)量溫度的方式，而印刷電子 （PE） 技術(shù)確實(shí)為這一重要功能帶來了新的靈活性。

溫度傳感器的類型通常，無論采用何種傳感器類型，溫度檢測(cè)電路都會(huì)監(jiān)控環(huán)境溫度，讓系統(tǒng)了解實(shí)際溫度，并在溫度超過指定閾值范圍時(shí)發(fā)出通知。這種“早期警告”會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)采取預(yù)防措施，根據(jù)需要降低或升高溫度。在深入研究當(dāng)今最新的傳感技術(shù)之前，讓我們先了解一下溫度傳感器的主要類型及其基本優(yōu)缺點(diǎn)。

表 1：典型溫度傳感器類型的比較。

熱敏電阻 — 熱敏電阻是熱敏電阻，由陶瓷或金屬氧化物制成，其電阻隨溫度變化呈指數(shù)變化。最常見的類型，負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，在低溫下提供非常高的電阻（即，隨著溫度的升高，電阻迅速下降）；因此，溫度的微小變化會(huì)迅速而準(zhǔn)確地反映（在 0.05°C 至 1.5°C 范圍內(nèi)）。由于 NTC 熱敏電阻是高度非線性的，如果用戶需要測(cè)量大范圍的溫度，則 NTC 熱敏電阻需要通過校準(zhǔn)到多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行線性化。有效工作范圍通常為 –100°C 至 325°C。此外，熱敏電阻會(huì)自熱。

熱電偶 - 與熱敏電阻不同，熱電偶由兩根不同金屬的線組成，連接在兩個(gè)點(diǎn)上。它不使用電阻，而是通過檢測(cè)兩種金屬結(jié)處的電壓變化來測(cè)量溫度。熱電偶是非線性的，用于溫度控制和補(bǔ)償時(shí)需要轉(zhuǎn)換，并且它們的精度較低（0.5°C 至 5°C）。然而，它們?cè)诤軐挼臏囟确秶鷥?nèi)工作并且是自供電的。

電阻溫度檢測(cè)器 （RTD） — RTD，也稱為電阻溫度計(jì)，通過響應(yīng)溫度升高電阻率的增加來工作。RTD 由纏繞在陶瓷或玻璃芯上的純金屬線組成。最精確的 RTD 使用鉑制成，但成本較低的 RTD 可以由鎳或銅制成。然而，鎳和銅版本在較低的溫度范圍內(nèi)工作，并且不像鉑那樣穩(wěn)定或可重復(fù)。鉑 RTD 提供相當(dāng)線性的輸出，在 –200°C 至 850°C 范圍內(nèi)具有高精度（0.1°C 至 1°C）。RTD 往往是最昂貴的溫度傳感器，但它們也用途廣泛。

基于半導(dǎo)體的傳感器 — 集成電路 （IC） 溫度傳感器的推出擴(kuò)大了傳感范圍，超越了傳統(tǒng)功能，帶來了諸如低功耗、小尺寸以及對(duì)于某些應(yīng)用而言設(shè)備成本低等優(yōu)勢(shì)。它們還簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)過程，因?yàn)?IC 傳感器在生產(chǎn)測(cè)試期間進(jìn)行了校準(zhǔn)。最常見的品種是模擬輸出設(shè)備、數(shù)字接口設(shè)備、遠(yuǎn)程溫度傳感器和溫度開關(guān)?，F(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器在約 –55°C 至 150°C 的工作范圍內(nèi)提供高精度和高線性度。

上述所有溫度傳感器都以離散形式提供，并且不靈活。

提前印刷電子產(chǎn)品 在柔性基板上使用導(dǎo)電和非導(dǎo)電油墨代替光刻印刷電子產(chǎn)品開始成為主流，因?yàn)樾袠I(yè)越來越意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)可以為無數(shù)應(yīng)用帶來的好處。例如，它們可以將濕度傳感器和溫度傳感器的功能結(jié)合在一個(gè)靈活的外形尺寸中，可以進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)特定的形狀。此外，由于該技術(shù)幾乎可以從任何地方提取數(shù)據(jù)，這些傳感器使用戶能夠從大數(shù)據(jù)分析中獲益。

圖 1：帶有 16 個(gè)傳感器的印刷溫度傳感器陣列。插圖：印刷溫度傳感器。

印刷傳感器陣列（圖 1）具有設(shè)計(jì)、面積和外形尺寸方面的優(yōu)勢(shì)，并且它們可以適應(yīng)特定傳感器類型（熱敏電阻、RTD 等）的所需功能。與傳統(tǒng)傳感器不同，它們靈活且符合要求，并且可以適應(yīng)各種最終產(chǎn)品尺寸。此外，印刷傳感器具有低成本、可擴(kuò)展制造的優(yōu)勢(shì)。

通常，用戶在尋找在狹窄區(qū)域內(nèi)測(cè)量溫度時(shí)會(huì)尋找印刷柔性混合電子 （FHE） 系統(tǒng)，而典型的硅傳感器無法安裝這些狹窄區(qū)域。例如，可以打印一個(gè)薄陣列或?qū)⑵溥B接到電池組（圖 2），以快速指示電池可能因故障而過熱的位置。這種能力——單個(gè)的、非靈活的傳感器無法執(zhí)行——對(duì)于智能手機(jī)和精密設(shè)備等應(yīng)用至關(guān)重要。

圖 2：a） 連接到鋰離子電池前后的印刷溫度傳感器陣列；b） 溫度映射輸出。

在陣列或傳感器系統(tǒng)中提供印刷電子傳感器的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的溫度變化，而無需連接單個(gè)傳感器，而傳統(tǒng)傳感器只能測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)溫度。FHE 陣列是測(cè)量多點(diǎn)表面溫度的關(guān)鍵。多點(diǎn)溫度傳感器使您能夠更準(zhǔn)確地讀取給定空間中正在發(fā)生的事情，而不是單點(diǎn)測(cè)量，后者僅對(duì)整個(gè)房間中的一個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確。

假設(shè)您需要測(cè)量容器的表面溫度。雖然您可以測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的溫度并假設(shè)這一點(diǎn)代表整體，但多點(diǎn)溫度測(cè)量描繪了一幅更準(zhǔn)確的圖景。這種方法允許檢測(cè)容器內(nèi)的溫度梯度，以提供更好的加熱或冷卻控制反饋。

PE 技術(shù)允許在這些容器中常見的不規(guī)則表面和狹窄空間中進(jìn)行測(cè)量。此外，可以打印用于測(cè)試設(shè)備的傳感器陣列并快速應(yīng)用于眾多測(cè)試對(duì)象，從而無需繁瑣的離散傳感器放置。這不僅加快了設(shè)置時(shí)間，而且允許傳感器陣列以相同的方向放置在每個(gè)測(cè)試對(duì)象上。

在許多其他領(lǐng)域，能夠測(cè)量/監(jiān)控多個(gè)點(diǎn)的溫度變化不僅有價(jià)值，而且可以真正挽救生命。一些例子包括：

倉(cāng)庫(kù)——存放在這些房間內(nèi)的物品可能會(huì)因溫度的突然變化而損壞。一系列傳感器可以監(jiān)控溫度，在不希望的溫度條件下啟動(dòng)警報(bào)，并保護(hù)不必要的庫(kù)存損失。此外，它還可以保護(hù)倉(cāng)庫(kù)免受潛在的未經(jīng)授權(quán)的訪問。

溫室——假設(shè)你有一個(gè)溫室，里面種滿了你想要在冬天種植的植物。當(dāng)你打開房間的門時(shí)，它們的生長(zhǎng)是否會(huì)因?yàn)橥蝗坏臏囟茸兓艿接绊?？如果是這樣，他們需要多長(zhǎng)時(shí)間才能受到影響？

服務(wù)器機(jī)房——在確保服務(wù)器正常運(yùn)行時(shí)，供暖和制冷非常重要。了解房間的給定區(qū)域是否以及何時(shí)超出規(guī)范對(duì)于卸載該堆棧的使用至關(guān)重要，以便它可以根據(jù)需要冷卻。

筆記本電腦/手機(jī)/平板電腦——今天的移動(dòng)設(shè)備必須確保它們不會(huì)因不斷收到的使用量而過熱。必須嚴(yán)格避免因極端過熱而對(duì)用戶造成傷害。

PE 應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)幫助制造業(yè)人員了解溫度測(cè)量挑戰(zhàn)以及 PE 陣列帶來的好處至關(guān)重要。可以為制造設(shè)備定制解決方案，以確保滿足其特定系統(tǒng)的溫度管理需求。

PE 溫度陣列的關(guān)鍵價(jià)值之一是它們的快速響應(yīng)時(shí)間。手動(dòng)熱油浴測(cè)試的響應(yīng)時(shí)間為 175 毫秒，而自動(dòng)化測(cè)試的響應(yīng)時(shí)間可能更短。具有幾乎可以忽略的熱質(zhì)量的非常薄的印刷薄膜提供了高速。在設(shè)備上構(gòu)建正確的電子設(shè)備和軟件可以保持非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間，并能夠更快地做出可能影響用戶試圖將其保持在如此嚴(yán)格的溫度限制內(nèi)的關(guān)鍵對(duì)象的決策。

圖 3：印刷溫度傳感器在浸入/浸出熱油?。?60°C）時(shí)的響應(yīng)。

與任何溫度傳感設(shè)備一樣，用戶必須了解 PE 傳感器的任何限制。這些可能包括工作溫度范圍、精度、滯后和長(zhǎng)期漂移。研究每種傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)表將確保傳感器能夠產(chǎn)生所需的結(jié)果。

對(duì)于任何傳感器設(shè)備，都沒有“一刀切”；為您的應(yīng)用選擇最好的 PE 傳感器歸結(jié)為一個(gè)制造與購(gòu)買的問題。可以購(gòu)買現(xiàn)成的離散傳感器，將它們連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將傳感器放置在測(cè)量表面上，然后收集數(shù)據(jù)。對(duì)于單個(gè)測(cè)試，這有時(shí)是有意義的。

但是，如果需要在多個(gè)設(shè)備上復(fù)制測(cè)試，那么這項(xiàng)工作將成為一項(xiàng)耗時(shí)的任務(wù)。使用定制解決方案，可以大大減少構(gòu)建測(cè)試設(shè)備的實(shí)際時(shí)間，并且您可以獲得更具重現(xiàn)性的結(jié)果。

圖 4：印刷銀基溫度傳感器在 –20°C 至 120°C 范圍內(nèi)的極端線性行為。

經(jīng)過多年的研究和實(shí)驗(yàn)，柔性和印刷電子產(chǎn)品正在成為現(xiàn)實(shí)。通過正確選擇底物，材料和制造過程，可以提高印刷傳感器的性能。印刷溫度傳感器在 –20°C 至 100°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 0.5°C 的精度和 《2.0°C 的漂移（100°C/100 天），并且這些數(shù)字會(huì)越來越好。短期內(nèi)將帶來輕量級(jí)、低成本、靈活、合規(guī)和高效的智能產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有低成本、可制造的溫度測(cè)量等功能，引領(lǐng)各種應(yīng)用?！　?/p>