Array di sensori di temperatura stampato per alta

Jan 03, 2024

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14231 (2022) Citare questo articolo

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Gli array di sensori di temperatura completamente stampati, basati su un substrato flessibile e caratterizzati da un'elevata risoluzione della temperatura spaziale, sono immensamente vantaggiosi in una serie di discipline. Si va dall’assistenza sanitaria, al monitoraggio della qualità e dell’ambiente alle tecnologie emergenti, come le pelli artificiali nella robotica morbida. Altre applicazioni degne di nota si estendono ai campi dell'elettronica di potenza e della microelettronica, in particolare alla gestione termica per chip di processori multi-core. Tuttavia, la portata dei sensori di temperatura è attualmente ostacolata da processi di produzione costosi e complessi. Nel frattempo, le versioni stampate sono piene di sfide relative alle dimensioni dell’array e alla densità del sensore. In questo articolo presentiamo il design di un sensore a matrice passiva costituito da due elettrodi d'argento separati che racchiudono uno strato di materiale di rilevamento, composto da poli(3,4-etilendiossitiofene):polistirene solfonato (PEDOT:PSS). Ciò si traduce in densità di sensore apprezzabilmente elevate di 100 pixel del sensore per cm\(^2\) per letture della temperatura spaziale, mentre viene mantenuta una dimensione ridotta dell'array. Pertanto, uno dei principali ostacoli all’ampia applicazione di questi sensori viene risolto in modo efficiente. Per realizzare un'interpretazione rapida e accurata dei dati del sensore, una rete neurale (NN) viene addestrata e utilizzata per le previsioni della temperatura. Ciò tiene conto con successo della potenziale diafonia tra sensori adiacenti. La risoluzione spaziale della temperatura viene studiata con una struttura di microriscaldatore in argento appositamente stampata. Alla fine si ottiene una precisione di previsione della temperatura spaziale abbastanza elevata di 1,22 °C.

Con l'avvento dei sensori stampabili, l'elettronica convenzionale è ora dotata di una nuova generazione di sensori caratterizzati da elevata adattabilità e flessibilità meccanica. Queste proprietà strumentali dei sensori stampati aggiungono ulteriore valore a una varietà di applicazioni: nel settore sanitario1,2,3,4,5,6, nella robotica7,8,9, nella sorveglianza ambientale10,11,12,13 e nel controllo qualità nell'industria alimentare14, 15,16. In particolare, per le applicazioni microelettroniche, l'ottenimento di mappe termiche ad alta risoluzione dei circuiti integrati (IC) consente agli sviluppatori e al sistema operativo di prendere decisioni migliori in fase di progettazione e di esecuzione, in particolare per quanto riguarda la gestione dell'affidabilità e della temperatura dei circuiti integrati. chip del processore multi-core17,18,19. La maggior parte dei metodi utilizza le variazioni di resistenza dei conduttori o l'effetto Seebeck delle combinazioni di materiali. Inoltre, negli ultimi anni sono state sperimentate numerose tecniche di fabbricazione. Le principali tra queste sono le tecniche di stampa come il getto d'inchiostro20,21,22 e la serigrafia20,23,24. La stampa a getto d’inchiostro è diventata particolarmente importante negli ultimi dieci anni. Ciò può essere principalmente attribuito a una combinazione di: (a) prototipazione rapida e senza maschera, (b) consumo conservatore di inchiostro e (c) numero in costante aumento di inchiostri disponibili22. La serigrafia è un vero e proprio processo di stampa industriale. Questo approccio beneficia di risultati costantemente riproducibili e prevedibili, offrendo una produttività elevata anche con campioni su larga scala23. Per quanto riguarda il materiale sensibile, diversi approcci si sono rivelati adatti per i sensori di temperatura stampati. Tra questi, sono stati segnalati nanotubi di carbonio (CNT)8,25, nanofili/nanoparticelle metalliche5,26,27, grafene2,28 e diversi polimeri29,30. Un importante esempio polimerico è PEDOT:PSS. Numerose proprietà rendono questo polimero un materiale di rilevamento interessante e promettente perché può essere modificato e trattato in modo speciale per ottenere un'elevata stabilità meccanica e sintonizzabilità elettrica4,31,32. Nel frattempo, rimane facile da usare e compatibile con vari processi di stampa. In pratica, PEDOT:PSS non è né tossico né inquinante per l'acqua e, quindi, attraente per molte applicazioni. Gli inchiostri PEDOT:PSS possono anche essere adattati a specifiche tecnologie di stampa attraverso l'uso di additivi33,34.