據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology，KIT）和斯圖加特大學(xué)（University of Stuttgar）的研究人員開(kāi)發(fā)出一款無(wú)源溫度傳感器陣列。這款傳感器陣列由兩個(gè)獨(dú)立的銀電極組成，它們夾在一層由聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）組成的傳感材料中。這為空間溫度讀數(shù)帶來(lái)了相當(dāng)高的傳感器密度——每平方厘米100個(gè)傳感器像素，同時(shí)還保持了較小的陣列尺寸。
這款無(wú)源溫度傳感器陣列有效解決了溫度傳感廣泛應(yīng)用的主要障礙。并且，為實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確的解釋，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）被用于溫度預(yù)測(cè)。這成功地解決了相鄰傳感器像素之間的潛在串?dāng)_問(wèn)題。研究人員使用特殊印刷的銀質(zhì)微加熱器結(jié)構(gòu)研究空間溫度分辨率。最終，達(dá)到了1.22°C的相當(dāng)高的空間溫度預(yù)測(cè)精度。
溫度傳感器陣列制作
這款溫度傳感器陣列的設(shè)計(jì)和制造步驟如下圖a所示，完整制造的傳感器陣列如圖b所示。所有樣品均在100μm厚的柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底上制備，用2-丙醇沖洗，氣槍干燥。制造過(guò)程由三個(gè)印刷步驟組成，每個(gè)步驟都單獨(dú)印刷一層絲網(wǎng)。而銀漿用于頂部和底部電極層。熱敏電阻的有源層通過(guò)PEDOT:PSS層的多道印刷沉積而成。
（a）溫度傳感器的分層結(jié)構(gòu)；（b）不同銀線寬度的全打印傳感器；（c）一個(gè)打印布局中不同設(shè)計(jì)的加熱器
微型加熱器的制作和表征
用于測(cè)試傳感器陣列空間分辨率的微型加熱器由一個(gè)100μm厚的柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯襯底和一個(gè)印刷銀層組成。打印過(guò)程類(lèi)似于溫度傳感器的基底銀電極的制作，單層厚度約4μm。研究人員的布局結(jié)合了幾種不同空間模式設(shè)計(jì)的加熱器，如上圖c。為了準(zhǔn)確表征打印微型加熱器，研究人員使用ImageIR 8300紅外（IR）攝像機(jī)40來(lái)捕捉印刷微型加熱器在給定輸入功率下的溫度響應(yīng)。
用于測(cè)量和評(píng)估的設(shè)置
這款溫度傳感器陣列的測(cè)量裝置如下圖a，用來(lái)驗(yàn)證其一般功能。它由溫度傳感器陣列、外圍電路以及熱電（Peltier）元件組成。通過(guò)調(diào)制其輸入電壓，Peltier元件可使研究人員通過(guò)加熱和冷卻傳感器陣列來(lái)生成受控溫度軌跡。這使得監(jiān)控和記錄溫度傳感器的響應(yīng)成為可能。通過(guò)將溫度傳感器陣列夾在兩層絕緣膠帶之間，可以確保適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱性和電絕緣性。這進(jìn)一步防止了經(jīng)由頂部或底部鋁板的短路。
（a）定制版基于peltier的測(cè)量設(shè)置；（b、c）將Peltier元件加熱到70°C觀察到的典型響應(yīng)，以及將其關(guān)閉后的冷卻階段
數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集電路如下圖所示。溫度傳感器陣列板的每一行和每一列都通過(guò)柔性印刷電路（FPC）連接器連接到多路復(fù)用器。整體設(shè)置由兩個(gè)柔性印刷電路連接器（一個(gè)用于行，一個(gè)用于列）構(gòu)成。每個(gè)柔性印刷電路都連接到一個(gè)模擬、低電阻（2.5 Ω）多路復(fù)用器上。這樣的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)跨陣列選擇要測(cè)量的每個(gè)單獨(dú)的傳感器。然后將多路復(fù)用器的模擬輸出傳遞到惠斯通電橋式電路。它通過(guò)使用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）集成HX711負(fù)載傳感器的放大器進(jìn)行放大和數(shù)字化。整個(gè)測(cè)量電路由樹(shù)莓派模型（Raspberry Pi Model）3B+管理，控制多路復(fù)用、定時(shí)、放大器讀出和數(shù)據(jù)采集。
銀電極形成規(guī)則的網(wǎng)格布局
用于溫度預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是使用scikit-learn庫(kù)在Python 3中實(shí)現(xiàn)的，由四層組成：一個(gè)輸入層、兩個(gè)隱藏層和一個(gè)輸出層。每個(gè)隱藏層由15個(gè)神經(jīng)元組成，總共有285個(gè)權(quán)重。單個(gè)神經(jīng)元由sigmoid函數(shù)（11+e-x）激活，使用的梯度下降算法是adam。如下圖a所示，研究人員連續(xù)記錄來(lái)自溫度傳感器陣列的所有讀數(shù)，同時(shí)跟蹤當(dāng)前參考溫度。
（a、b）陣列上兩個(gè)不同示例性溫度傳感器的訓(xùn)練和驗(yàn)證階段示例圖；（c）直方圖顯示了整個(gè)驗(yàn)證階段所有傳感器的溫度預(yù)測(cè)誤差分布
在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了一款基于傳感器材料PEDOT:PSS的新型全絲網(wǎng)印刷式無(wú)源溫度傳感器陣列。后者嵌入在兩個(gè)銀電極之間。這款溫度傳感器陣列的“三明治”設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高傳感器密度——1平方厘米面積集成100個(gè)傳感器像素。這款溫度傳感器陣列在20°C至90°C之間能成功且可靠地運(yùn)行。這兩種特性的結(jié)合使這款溫度傳感器陣列具有非常誘人的前景，不僅適用于醫(yī)療保健應(yīng)用、機(jī)器人技術(shù)和電子皮膚，還適用于電子設(shè)備和集成電路（IC），尤其是處理器芯片的溫度監(jiān)測(cè)。這款溫度傳感器陣列印刷在100μm厚的柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底上，使其適用于不同的用例和不同形狀的表面，即按照人體指尖的曲率，提供類(lèi)似于人體手指彎曲的靈活性。
審核編輯：劉清
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