長期以來，溫度測量對大多數工業和制造業務至關重要。它在智能建筑和家庭時代具有新的重要性，這些功能的自動化已經變得更加復雜，需要更精簡和更易于實施的解決方案。

測量和保持一致的溫度可以通過一個或多個溫度傳感器來完成，不同類型的傳感器根據應用或使用環境提供不同的優勢。硅傳感器的出現拓寬了測量溫度的方式，而印刷電子 （PE） 技術確實為這一重要功能帶來了新的靈活性。

溫度傳感器的類型通常，無論采用何種傳感器類型，溫度檢測電路都會監控環境溫度，讓系統了解實際溫度，并在溫度超過指定閾值范圍時發出通知。這種“早期警告”會觸發系統采取預防措施，根據需要降低或升高溫度。在深入研究當今最新的傳感技術之前，讓我們先了解一下溫度傳感器的主要類型及其基本優缺點。

表 1：典型溫度傳感器類型的比較。

熱敏電阻 — 熱敏電阻是熱敏電阻，由陶瓷或金屬氧化物制成，其電阻隨溫度變化呈指數變化。最常見的類型，負溫度系數（NTC）熱敏電阻，在低溫下提供非常高的電阻（即，隨著溫度的升高，電阻迅速下降）；因此，溫度的微小變化會迅速而準確地反映（在 0.05°C 至 1.5°C 范圍內）。由于 NTC 熱敏電阻是高度非線性的，如果用戶需要測量大范圍的溫度，則 NTC 熱敏電阻需要通過校準到多個溫度點進行線性化。有效工作范圍通常為 –100°C 至 325°C。此外，熱敏電阻會自熱。

熱電偶 - 與熱敏電阻不同，熱電偶由兩根不同金屬的線組成，連接在兩個點上。它不使用電阻，而是通過檢測兩種金屬結處的電壓變化來測量溫度。熱電偶是非線性的，用于溫度控制和補償時需要轉換，并且它們的精度較低（0.5°C 至 5°C）。然而，它們在很寬的溫度范圍內工作并且是自供電的。

電阻溫度檢測器 （RTD） — RTD，也稱為電阻溫度計，通過響應溫度升高電阻率的增加來工作。RTD 由纏繞在陶瓷或玻璃芯上的純金屬線組成。最精確的 RTD 使用鉑制成，但成本較低的 RTD 可以由鎳或銅制成。然而，鎳和銅版本在較低的溫度范圍內工作，并且不像鉑那樣穩定或可重復。鉑 RTD 提供相當線性的輸出，在 –200°C 至 850°C 范圍內具有高精度（0.1°C 至 1°C）。RTD 往往是最昂貴的溫度傳感器，但它們也用途廣泛。

基于半導體的傳感器 — 集成電路 （IC） 溫度傳感器的推出擴大了傳感范圍，超越了傳統功能，帶來了諸如低功耗、小尺寸以及對于某些應用而言設備成本低等優勢。它們還簡化了校準過程，因為 IC 傳感器在生產測試期間進行了校準。最常見的品種是模擬輸出設備、數字接口設備、遠程溫度傳感器和溫度開關。現代半導體溫度傳感器在約 –55°C 至 150°C 的工作范圍內提供高精度和高線性度。

上述所有溫度傳感器都以離散形式提供，并且不靈活。

提前印刷電子產品 在柔性基板上使用導電和非導電油墨代替光刻印刷電子產品開始成為主流，因為行業越來越意識到這項技術可以為無數應用帶來的好處。例如，它們可以將濕度傳感器和溫度傳感器的功能結合在一個靈活的外形尺寸中，可以進行調整以適應特定的形狀。此外，由于該技術幾乎可以從任何地方提取數據，這些傳感器使用戶能夠從大數據分析中獲益。

圖 1：帶有 16 個傳感器的印刷溫度傳感器陣列。插圖：印刷溫度傳感器。

印刷傳感器陣列（圖 1）具有設計、面積和外形尺寸方面的優勢，并且它們可以適應特定傳感器類型（熱敏電阻、RTD 等）的所需功能。與傳統傳感器不同，它們靈活且符合要求，并且可以適應各種最終產品尺寸。此外，印刷傳感器具有低成本、可擴展制造的優勢。

通常，用戶在尋找在狹窄區域內測量溫度時會尋找印刷柔性混合電子 （FHE） 系統，而典型的硅傳感器無法安裝這些狹窄區域。例如，可以打印一個薄陣列或將其連接到電池組（圖 2），以快速指示電池可能因故障而過熱的位置。這種能力——單個的、非靈活的傳感器無法執行——對于智能手機和精密設備等應用至關重要。

圖 2：a） 連接到鋰離子電池前后的印刷溫度傳感器陣列；b） 溫度映射輸出。

在陣列或傳感器系統中提供印刷電子傳感器的一個關鍵優勢是能夠同時測量多個點的溫度變化，而無需連接單個傳感器，而傳統傳感器只能測量單個點的絕對溫度。FHE 陣列是測量多點表面溫度的關鍵。多點溫度傳感器使您能夠更準確地讀取給定空間中正在發生的事情，而不是單點測量，后者僅對整個房間中的一個點準確。

假設您需要測量容器的表面溫度。雖然您可以測量一個點的溫度并假設這一點代表整體，但多點溫度測量描繪了一幅更準確的圖景。這種方法允許檢測容器內的溫度梯度，以提供更好的加熱或冷卻控制反饋。

PE 技術允許在這些容器中常見的不規則表面和狹窄空間中進行測量。此外，可以打印用于測試設備的傳感器陣列并快速應用于眾多測試對象，從而無需繁瑣的離散傳感器放置。這不僅加快了設置時間，而且允許傳感器陣列以相同的方向放置在每個測試對象上。

在許多其他領域，能夠測量/監控多個點的溫度變化不僅有價值，而且可以真正挽救生命。一些例子包括：

倉庫——存放在這些房間內的物品可能會因溫度的突然變化而損壞。一系列傳感器可以監控溫度，在不希望的溫度條件下啟動警報，并保護不必要的庫存損失。此外，它還可以保護倉庫免受潛在的未經授權的訪問。

溫室——假設你有一個溫室，里面種滿了你想要在冬天種植的植物。當你打開房間的門時，它們的生長是否會因為突然的溫度變化而受到影響？如果是這樣，他們需要多長時間才能受到影響？

服務器機房——在確保服務器正常運行時，供暖和制冷非常重要。了解房間的給定區域是否以及何時超出規范對于卸載該堆棧的使用至關重要，以便它可以根據需要冷卻。

筆記本電腦/手機/平板電腦——今天的移動設備必須確保它們不會因不斷收到的使用量而過熱。必須嚴格避免因極端過熱而對用戶造成傷害。

PE 應對挑戰幫助制造業人員了解溫度測量挑戰以及 PE 陣列帶來的好處至關重要。可以為制造設備定制解決方案，以確保滿足其特定系統的溫度管理需求。

PE 溫度陣列的關鍵價值之一是它們的快速響應時間。手動熱油浴測試的響應時間為 175 毫秒，而自動化測試的響應時間可能更短。具有幾乎可以忽略的熱質量的非常薄的印刷薄膜提供了高速。在設備上構建正確的電子設備和軟件可以保持非常快的響應時間，并能夠更快地做出可能影響用戶試圖將其保持在如此嚴格的溫度限制內的關鍵對象的決策。

圖 3：印刷溫度傳感器在浸入/浸出熱油浴（160°C）時的響應。

與任何溫度傳感設備一樣，用戶必須了解 PE 傳感器的任何限制。這些可能包括工作溫度范圍、精度、滯后和長期漂移。研究每種傳感技術的數據表將確保傳感器能夠產生所需的結果。

對于任何傳感器設備，都沒有“一刀切”；為您的應用選擇最好的 PE 傳感器歸結為一個制造與購買的問題。可以購買現成的離散傳感器，將它們連接到數據采集系統，將傳感器放置在測量表面上，然后收集數據。對于單個測試，這有時是有意義的。

但是，如果需要在多個設備上復制測試，那么這項工作將成為一項耗時的任務。使用定制解決方案，可以大大減少構建測試設備的實際時間，并且您可以獲得更具重現性的結果。

圖 4：印刷銀基溫度傳感器在 –20°C 至 120°C 范圍內的極端線性行為。

經過多年的研究和實驗，柔性和印刷電子產品正在成為現實。通過正確選擇底物，材料和制造過程，可以提高印刷傳感器的性能。印刷溫度傳感器在 –20°C 至 100°C 范圍內實現了 0.5°C 的精度和 《2.0°C 的漂移（100°C/100 天），并且這些數字會越來越好。短期內將帶來輕量級、低成本、靈活、合規和高效的智能產品，這些產品具有低成本、可制造的溫度測量等功能，引領各種應用。