Conjunto de sensores de temperatura impressos para alta

Jan 03, 2024

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14231 (2022) Citar este artigo

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Conjuntos de sensores de temperatura totalmente impressos — baseados em um substrato flexível e com alta resolução de temperatura espacial — são imensamente vantajosos em diversas disciplinas. Estas vão desde cuidados de saúde, qualidade e monitorização ambiental até tecnologias emergentes, como peles artificiais em robótica suave. Outras aplicações dignas de nota estendem-se aos campos da eletrônica de potência e microeletrônica, particularmente gerenciamento térmico para chips de processadores multi-core. No entanto, o escopo dos sensores de temperatura é atualmente dificultado por processos de fabricação caros e complexos. Enquanto isso, as versões impressas estão repletas de desafios relacionados ao tamanho da matriz e à densidade do sensor. Neste artigo, apresentamos um projeto de sensor de matriz passiva que consiste em dois eletrodos de prata separados que imprensam uma camada de material sensor, composto de poli (3,4-etilenodioxitiofeno): poliestireno sulfonato (PEDOT: PSS). Isso resulta em densidades de sensor apreciavelmente altas de 100 pixels de sensor por cm\(^2\) para leituras de temperatura espacial, enquanto um pequeno tamanho de matriz é mantido. Assim, um grande impedimento à aplicação expansiva destes sensores é resolvido de forma eficiente. Para realizar uma interpretação rápida e precisa dos dados do sensor, uma rede neural (NN) é treinada e empregada para previsões de temperatura. Isso explica com sucesso o potencial crosstalk entre sensores adjacentes. A resolução da temperatura espacial é investigada com uma estrutura de microaquecedor de prata especialmente impressa. Em última análise, é alcançada uma precisão de previsão de temperatura espacial bastante alta de 1,22 °C.

Com o advento dos sensores imprimíveis, a eletrônica convencional está agora equipada com uma nova geração de sensores que apresentam alta adaptabilidade e flexibilidade mecânica. Essas propriedades instrumentais dos sensores impressos agregam valor adicional a uma variedade de aplicações - na área da saúde1,2,3,4,5,6, robótica7,8,9, vigilância ambiental10,11,12,13 e garantia de qualidade na indústria alimentícia14, 15,16. Em particular, para aplicações microeletrônicas, a obtenção de mapas térmicos de circuitos integrados (ICs) de alta resolução capacita os desenvolvedores, bem como o sistema operacional, a tomar melhores decisões em tempo de projeto e tempo de execução, especialmente no que diz respeito ao gerenciamento da confiabilidade e da temperatura de chips de processador de muitos núcleos17,18,19. A maioria dos métodos utiliza as mudanças de resistência dos condutores ou o efeito Seebeck das combinações de materiais. Além disso, uma infinidade de técnicas de fabricação foram pioneiras nos últimos anos. As principais delas são as técnicas de impressão como jato de tinta20,21,22 e serigrafia20,23,24. A impressão a jato de tinta tornou-se particularmente proeminente na última década. Isto pode ser atribuído principalmente a uma combinação de: (a) prototipagem rápida e sem máscara, (b) consumo conservador de tinta e (c) número cada vez maior de tintas disponíveis22. A serigrafia é um processo de impressão industrial completo. Essa abordagem se beneficia de resultados consistentemente reproduzíveis e previsíveis, oferecendo alto rendimento mesmo com amostras em grande escala23. No que diz respeito ao material de detecção, várias abordagens provaram ser adequadas para sensores de temperatura impressos. Entre eles, foram relatados nanotubos de carbono (CNTs)8,25, nanofios/nanopartículas metálicas5,26,27, grafeno2,28 e diferentes polímeros29,30. Um exemplo polimérico proeminente é PEDOT:PSS. Diversas propriedades tornam este polímero um material sensor interessante e promissor porque pode ser modificado e tratado especialmente para alcançar alta estabilidade mecânica e sintonizabilidade elétrica . Entretanto, permanece fácil de utilizar e compatível com vários processos de impressão. Na prática, o PEDOT:PSS não é tóxico nem poluente para a água e, portanto, atraente para muitas aplicações. As tintas PEDOT:PSS também podem ser adaptadas a tecnologias de impressão específicas através do uso de aditivos33,34.