柔性传感器为温度测量带来新优势

长期以来，温度测量对大多数工业和制造业务至关重要。它在智能建筑和家庭时代具有新的重要性，这些功能的自动化已经变得更加复杂，需要更精简和更易于实施的解决方案。

测量和保持一致的温度可以通过一个或多个温度传感器来完成，不同类型的传感器根据应用或使用环境提供不同的优势。硅传感器的出现拓宽了测量温度的方式，而印刷电子 （PE） 技术确实为这一重要功能带来了新的灵活性。

温度传感器的类型通常，无论采用何种传感器类型，温度检测电路都会监控环境温度，让系统了解实际温度，并在温度超过指定阈值范围时发出通知。这种“早期警告”会触发系统采取预防措施，根据需要降低或升高温度。在深入研究当今最新的传感技术之前，让我们先了解一下温度传感器的主要类型及其基本优缺点。

表 1：典型温度传感器类型的比较。

热敏电阻 — 热敏电阻是热敏电阻，由陶瓷或金属氧化物制成，其电阻随温度变化呈指数变化。最常见的类型，负温度系数（NTC）热敏电阻，在低温下提供非常高的电阻（即，随着温度的升高，电阻迅速下降）；因此，温度的微小变化会迅速而准确地反映（在 0.05°C 至 1.5°C 范围内）。由于 NTC 热敏电阻是高度非线性的，如果用户需要测量大范围的温度，则 NTC 热敏电阻需要通过校准到多个温度点进行线性化。有效工作范围通常为 –100°C 至 325°C。此外，热敏电阻会自热。

热电偶 - 与热敏电阻不同，热电偶由两根不同金属的线组成，连接在两个点上。它不使用电阻，而是通过检测两种金属结处的电压变化来测量温度。热电偶是非线性的，用于温度控制和补偿时需要转换，并且它们的精度较低（0.5°C 至 5°C）。然而，它们在很宽的温度范围内工作并且是自供电的。

电阻温度检测器 （RTD） — RTD，也称为电阻温度计，通过响应温度升高电阻率的增加来工作。RTD 由缠绕在陶瓷或玻璃芯上的纯金属线组成。最精确的 RTD 使用铂制成，但成本较低的 RTD 可以由镍或铜制成。然而，镍和铜版本在较低的温度范围内工作，并且不像铂那样稳定或可重复。铂 RTD 提供相当线性的输出，在 –200°C 至 850°C 范围内具有高精度（0.1°C 至 1°C）。RTD 往往是最昂贵的温度传感器，但它们也用途广泛。

基于半导体的传感器 — 集成电路 （IC） 温度传感器的推出扩大了传感范围，超越了传统功能，带来了诸如低功耗、小尺寸以及对于某些应用而言设备成本低等优势。它们还简化了校准过程，因为 IC 传感器在生产测试期间进行了校准。最常见的品种是模拟输出设备、数字接口设备、远程温度传感器和温度开关。现代半导体温度传感器在约 –55°C 至 150°C 的工作范围内提供高精度和高线性度。

上述所有温度传感器都以离散形式提供，并且不灵活。

提前印刷电子产品 在柔性基板上使用导电和非导电油墨代替光刻印刷电子产品开始成为主流，因为行业越来越意识到这项技术可以为无数应用带来的好处。例如，它们可以将湿度传感器和温度传感器的功能结合在一个灵活的外形尺寸中，可以进行调整以适应特定的形状。此外，由于该技术几乎可以从任何地方提取数据，这些传感器使用户能够从大数据分析中获益。

图 1：带有 16 个传感器的印刷温度传感器阵列。插图：印刷温度传感器。

印刷传感器阵列（图 1）具有设计、面积和外形尺寸方面的优势，并且它们可以适应特定传感器类型（热敏电阻、RTD 等）的所需功能。与传统传感器不同，它们灵活且符合要求，并且可以适应各种最终产品尺寸。此外，印刷传感器具有低成本、可扩展制造的优势。

通常，用户在寻找在狭窄区域内测量温度时会寻找印刷柔性混合电子 （FHE） 系统，而典型的硅传感器无法安装这些狭窄区域。例如，可以打印一个薄阵列或将其连接到电池组（图 2），以快速指示电池可能因故障而过热的位置。这种能力——单个的、非灵活的传感器无法执行——对于智能手机和精密设备等应用至关重要。

图 2：a） 连接到锂离子电池前后的印刷温度传感器阵列；b） 温度映射输出。

在阵列或传感器系统中提供印刷电子传感器的一个关键优势是能够同时测量多个点的温度变化，而无需连接单个传感器，而传统传感器只能测量单个点的绝对温度。FHE 阵列是测量多点表面温度的关键。多点温度传感器使您能够更准确地读取给定空间中正在发生的事情，而不是单点测量，后者仅对整个房间中的一个点准确。

假设您需要测量容器的表面温度。虽然您可以测量一个点的温度并假设这一点代表整体，但多点温度测量描绘了一幅更准确的图景。这种方法允许检测容器内的温度梯度，以提供更好的加热或冷却控制反馈。

PE 技术允许在这些容器中常见的不规则表面和狭窄空间中进行测量。此外，可以打印用于测试设备的传感器阵列并快速应用于众多测试对象，从而无需繁琐的离散传感器放置。这不仅加快了设置时间，而且允许传感器阵列以相同的方向放置在每个测试对象上。

在许多其他领域，能够测量/监控多个点的温度变化不仅有价值，而且可以真正挽救生命。一些例子包括：

仓库——存放在这些房间内的物品可能会因温度的突然变化而损坏。一系列传感器可以监控温度，在不希望的温度条件下启动警报，并保护不必要的库存损失。此外，它还可以保护仓库免受潜在的未经授权的访问。

温室——假设你有一个温室，里面种满了你想要在冬天种植的植物。当你打开房间的门时，它们的生长是否会因为突然的温度变化而受到影响？如果是这样，他们需要多长时间才能受到影响？

服务器机房——在确保服务器正常运行时，供暖和制冷非常重要。了解房间的给定区域是否以及何时超出规范对于卸载该堆栈的使用至关重要，以便它可以根据需要冷却。

笔记本电脑/手机/平板电脑——今天的移动设备必须确保它们不会因不断收到的使用量而过热。必须严格避免因极端过热而对用户造成伤害。

PE 应对挑战帮助制造业人员了解温度测量挑战以及 PE 阵列带来的好处至关重要。可以为制造设备定制解决方案，以确保满足其特定系统的温度管理需求。

PE 温度阵列的关键价值之一是它们的快速响应时间。手动热油浴测试的响应时间为 175 毫秒，而自动化测试的响应时间可能更短。具有几乎可以忽略的热质量的非常薄的印刷薄膜提供了高速。在设备上构建正确的电子设备和软件可以保持非常快的响应时间，并能够更快地做出可能影响用户试图将其保持在如此严格的温度限制内的关键对象的决策。

图 3：印刷温度传感器在浸入/浸出热油浴（160°C）时的响应。

与任何温度传感设备一样，用户必须了解 PE 传感器的任何限制。这些可能包括工作温度范围、精度、滞后和长期漂移。研究每种传感技术的数据表将确保传感器能够产生所需的结果。

对于任何传感器设备，都没有“一刀切”；为您的应用选择最好的 PE 传感器归结为一个制造与购买的问题。可以购买现成的离散传感器，将它们连接到数据采集系统，将传感器放置在测量表面上，然后收集数据。对于单个测试，这有时是有意义的。

但是，如果需要在多个设备上复制测试，那么这项工作将成为一项耗时的任务。使用定制解决方案，可以大大减少构建测试设备的实际时间，并且您可以获得更具重现性的结果。

图 4：印刷银基温度传感器在 –20°C 至 120°C 范围内的极端线性行为。

经过多年的研究和实验，柔性和印刷电子产品正在成为现实。通过正确选择底物，材料和制造过程，可以提高印刷传感器的性能。印刷温度传感器在 –20°C 至 100°C 范围内实现了 0.5°C 的精度和 《2.0°C 的漂移（100°C/100 天），并且这些数字会越来越好。短期内将带来轻量级、低成本、灵活、合规和高效的智能产品，这些产品具有低成本、可制造的温度测量等功能，引领各种应用。