Réseau de capteurs de température imprimés pour une température élevée

Jan 03, 2024

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14231 (2022) Citer cet article

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Les réseaux de capteurs de température entièrement imprimés, basés sur un substrat flexible et dotés d'une résolution spatiale de température élevée, sont extrêmement avantageux dans une multitude de disciplines. Celles-ci vont des soins de santé, de la qualité et de la surveillance environnementale aux technologies émergentes, telles que les peaux artificielles dans la robotique douce. D'autres applications notables s'étendent aux domaines de l'électronique de puissance et de la microélectronique, notamment la gestion thermique des puces de processeurs multicœurs. Cependant, la portée des capteurs de température est actuellement entravée par des processus de fabrication coûteux et complexes. Pendant ce temps, les versions imprimées regorgent de défis liés à la taille des réseaux et à la densité des capteurs. Dans cet article, nous présentons une conception de capteur à matrice passive composée de deux électrodes d'argent distinctes qui prennent en sandwich une couche de matériau de détection, composé de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS). Cela se traduit par des densités de capteur sensiblement élevées de 100 pixels de capteur par cm\(^2\) pour les lectures de température spatiale, tout en conservant une petite taille de réseau. Ainsi, un obstacle majeur à l’application étendue de ces capteurs est résolu efficacement. Pour réaliser une interprétation rapide et précise des données du capteur, un réseau neuronal (NN) est formé et utilisé pour les prévisions de température. Cela tient compte avec succès de la diaphonie potentielle entre les capteurs adjacents. La résolution spatiale de la température est étudiée avec une structure de micro-chauffage en argent spécialement imprimée. En fin de compte, une précision de prévision spatiale de la température assez élevée de 1,22 °C est atteinte.

Avec l’avènement des capteurs imprimables, l’électronique conventionnelle est désormais équipée d’une nouvelle génération de capteurs dotés d’une grande adaptabilité et flexibilité mécanique. Ces propriétés instrumentales des capteurs imprimés ajoutent de la valeur à diverses applications : dans les soins de santé1,2,3,4,5,6, la robotique7,8,9, la surveillance environnementale10,11,12,13 et l'assurance qualité dans l'industrie alimentaire14, 15,16. En particulier, pour les applications microélectroniques, l'obtention de cartes thermiques haute résolution des circuits intégrés (CI) permet aux développeurs ainsi qu'au système d'exploitation de prendre de meilleures décisions en matière de conception et d'exécution, notamment en ce qui concerne la gestion de la fiabilité et de la température des composants. puces de processeur multicœurs17,18,19. La plupart des méthodes utilisent soit les changements de résistance des conducteurs, soit l'effet Seebeck de combinaisons de matériaux. De plus, une multitude de techniques de fabrication ont été mises au point au cours des dernières années. Les principales d’entre elles sont les techniques d’impression telles que le jet d’encre20,21,22 et la sérigraphie20,23,24. L’impression jet d’encre est devenue particulièrement importante au cours de la dernière décennie. Cela peut être principalement attribué à une combinaison de : (a) un prototypage rapide et sans masque, (b) une consommation d’encre conservatrice et (c) un nombre constamment croissant d’encres disponibles22. La sérigraphie est un procédé d’impression industriel à part entière. Cette approche bénéficie de résultats constamment reproductibles et prévisibles, offrant un débit élevé même avec des échantillons à grande échelle23. En ce qui concerne le matériau de détection, diverses approches se sont révélées adaptées aux capteurs de température imprimés. Parmi eux, des nanotubes de carbone (CNT)8,25, des nanofils/nanoparticules métalliques5,26,27, du graphène2,28 et différents polymères29,30 ont été rapportés. Un exemple polymère important est PEDOT:PSS. Plusieurs propriétés font de ce polymère un matériau de détection intéressant et prometteur car il peut être modifié et spécialement traité pour obtenir une stabilité mécanique et une accordabilité électrique élevées4,31,32. Parallèlement, il reste convivial et compatible avec divers processus d’impression. En pratique, le PEDOT:PSS n’est ni toxique ni polluant pour l’eau et est donc intéressant pour de nombreuses applications. Les encres PEDOT:PSS peuvent également être adaptées à des technologies d'impression spécifiques grâce à l'utilisation d'additifs33,34.