Печатная матрица датчиков температуры для высоких

Jan 03, 2024

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 14231 (2022) Цитировать эту статью

3092 Доступа

5 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Полностью напечатанные массивы датчиков температуры, основанные на гибкой подложке и обладающие высоким пространственным температурным разрешением, имеют огромные преимущества во многих дисциплинах. Они варьируются от здравоохранения, мониторинга качества и окружающей среды до новых технологий, таких как искусственная кожа в мягкой робототехнике. Другие заслуживающие внимания области применения распространяются на области силовой электроники и микроэлектроники, в частности на управление температурным режимом многоядерных процессорных микросхем. Однако применение датчиков температуры в настоящее время затруднено дорогостоящими и сложными производственными процессами. Между тем, печатные версии изобилуют проблемами, связанными с размером матрицы и плотностью датчиков. В этой статье мы представляем конструкцию датчика с пассивной матрицей, состоящую из двух отдельных серебряных электродов, между которыми находится один слой чувствительного материала, состоящего из поли(3,4-этилендиокситиофена):полистиролсульфоната (PEDOT:PSS). Это приводит к значительно высокой плотности датчиков — 100 сенсорных пикселей на см\(^2\) для измерения пространственной температуры при сохранении небольшого размера массива. Таким образом, основное препятствие на пути широкого применения этих датчиков эффективно устранено. Чтобы обеспечить быструю и точную интерпретацию данных датчиков, нейронная сеть (НС) обучается и используется для прогнозирования температуры. Это успешно учитывает потенциальные перекрестные помехи между соседними датчиками. Пространственно-температурное разрешение исследуется с помощью специально напечатанной структуры серебряного микронагревателя. В конечном итоге достигается довольно высокая точность прогнозирования пространственной температуры — 1,22 °C.

С появлением датчиков, допускающих печать, традиционная электроника теперь оснащена датчиками нового поколения, которые обладают высокой адаптируемостью и механической гибкостью. Эти инструментальные свойства печатных датчиков повышают ценность различных приложений — в здравоохранении1,2,3,4,5,6, робототехнике7,8,9, экологическом надзоре10,11,12,13 и обеспечении качества в пищевой промышленности14, 15,16. В частности, для микроэлектронных приложений получение тепловых карт интегральных микросхем (ИС) с высоким разрешением позволяет разработчикам, а также операционной системе принимать более эффективные решения во время проектирования и выполнения, особенно в отношении управления надежностью и температурой интегральных схем. многоядерные процессорные микросхемы17,18,19. Большинство методов используют либо изменения сопротивления проводников, либо эффект Зеебека от комбинаций материалов. Кроме того, за последние несколько лет было освоено множество технологий изготовления. Главными среди них являются такие методы печати, как струйная20,21,22 и трафаретная печать20,23,24. Струйная печать стала особенно популярной за последнее десятилетие. В основном это можно объяснить сочетанием: (а) быстрого прототипирования без маски, (б) консервативного потребления чернил и (в) постоянно растущего количества доступных чернил22. Трафаретная печать – это полноценный промышленный полиграфический процесс. Преимуществами этого подхода являются стабильно воспроизводимые и предсказуемые результаты, а также высокая производительность даже при работе с крупномасштабными образцами23. Что касается чувствительного материала, для печатных датчиков температуры оказались пригодными различные подходы. Среди них сообщалось об углеродных нанотрубках (УНТ)8,25, металлических нанопроволоках/наночастицах5,26,27, графене2,28 и различных полимерах29,30. Одним из ярких примеров полимеров является PEDOT:PSS. Ряд свойств делают этот полимер интересным и многообещающим чувствительным материалом, поскольку его можно модифицировать и специально обрабатывать для достижения высокой механической стабильности и электрической настраиваемости4,31,32. При этом он остается удобным для пользователя и совместимым с различными процессами печати. На практике PEDOT:PSS не токсичен и не загрязняет воду, поэтому подходит для многих применений. Чернила PEDOT:PSS также можно адаптировать к конкретным технологиям печати за счет использования добавок33,34.