高温用のプリント温度センサーアレイ

Jan 03, 2024

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14231 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

フレキシブル基板をベースにし、高い空間温度分解能を特徴とする完全にプリントされた温度センサー アレイは、多くの分野にわたって非常に有利です。 その範囲は、ヘルスケア、品質、環境モニタリングから、ソフトロボット工学における人工皮膚などの新興技術にまで及びます。 その他の注目すべきアプリケーションは、パワー エレクトロニクスおよびマイクロエレクトロニクスの分野、特にマルチコア プロセッサ チップの熱管理にまで及びます。 しかし、現在、温度センサーの範囲は、コストが高く複雑な製造プロセスによって妨げられています。 一方、印刷版には、アレイのサイズとセンサー密度に関する課題が山積しています。 この論文では、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリスチレンスルホン酸 (PEDOT:PSS) で構成されるセンシング材料の 1 層を挟む 2 つの別々の銀電極で構成されるパッシブ マトリックス センサーの設計について説明します。 これにより、小さなアレイ サイズが維持されながら、空間温度の読み取りに関して 1 cm\(^2\) あたり 100 センサー ピクセルというかなり高いセンサー密度が得られます。 したがって、これらのセンサーの広範な応用に対する主要な障害は効率的に解決されます。 センサー データの高速かつ正確な解釈を実現するために、ニューラル ネットワーク (NN) がトレーニングされ、温度予測に使用されます。 これにより、隣接するセンサー間の潜在的なクロストークがうまく考慮されます。 空間温度分解能は、特別に印刷された銀のマイクロヒーター構造を使用して調査されます。 最終的に、1.22 °C というかなり高い空間温度予測精度が達成されました。

印刷可能なセンサーの出現により、従来のエレクトロニクスには、高い適応性と機械的柔軟性を特徴とする新世代のセンサーが搭載されるようになりました。 印刷センサーのこれらの機器特性は、ヘルスケア 1、2、3、4、5、6、ロボット工学 7、8、9、環境監視 10、11、12、13、食品業界の品質保証 14 など、さまざまな用途にさらなる価値をもたらします。 15、16。 特に、マイクロエレクトロニクス アプリケーションの場合、集積回路 (IC) の高解像度サーマル マップを取得すると、開発者だけでなくオペレーティング システムも、特に回路の信頼性と温度の管理に関して、設計時および実行時の意思決定を改善できるようになります。メニーコアプロセッサチップ17、18、19。 ほとんどの方法は、導体の抵抗変化または材料の組み合わせによるゼーベック効果を利用します。 さらに、過去数年間に多数の製造技術が開発されてきました。 その中で主なものは、インクジェット 20、21、22 やスクリーン印刷 20、23、24 などの印刷技術です。 インクジェット印刷は、過去 10 年間で特に注目を集めてきました。 これは主に、(a) 迅速なマスクレス プロトタイピング、(b) 控えめなインク消費、および (c) 利用可能なインクの数の着実な増加の組み合わせに起因すると考えられます22。 スクリーン印刷は本格的な工業用印刷プロセスです。 このアプローチでは、一貫して再現可能で予測可能な結果が得られ、大規模なサンプルでも高いスループットが得られます23。 感知材料に関しては、さまざまなアプローチが印刷された温度センサーに適していることが証明されています。 その中には、カーボンナノチューブ (CNT)8,25、金属ナノワイヤ/ナノ粒子 5,26,27、グラフェン 2,28、およびさまざまなポリマー 29,30 が報告されています。 顕著なポリマーの例の 1 つは PEDOT:PSS です。 このポリマーは、修飾や特別な処理を行って高い機械的安定性と電気的調整性を実現できるため、いくつかの特性により興味深く有望なセンシング材料となっています 4,31,32。 同時に、ユーザーフレンドリーであり、さまざまな印刷プロセスと互換性があります。 実際には、PEDOT:PSS は有毒でも水質汚染物質でもないため、多くの用途に適しています。 PEDOT:PSS インクは、添加剤を使用することで特定の印刷技術に適応させることもできます 33,34。