長期以來,溫度測量對大多數工業和製造業務至關重要。其在新時代的智慧建築和家居領域也扮演著重要角色,其功能的自動化變得更加複雜,並且需要更簡化和更容易實現的解決方案。

利用一個或多個溫度感測器,可測量和保持穩定的溫度,根據溫度測量的應用和環境,不同類型的感測器具有不同的優勢。矽感測器的出現拓寬了溫度測量方式,印刷電子(PE)技術確實為這一重要功能帶來了新的靈活性。

溫度感測器類型

通常,無論採用何種類型的感測器,溫度檢測電路都可監測環境溫度,保持系統適應實際溫度,並在溫度超過指定閾值範圍時發送通知。該「提前警報」可觸發系統,採取預防措施,依需求降溫或升溫。本文將介紹溫度感測器的主要類型及其基本優缺點,並深入探討當前最新的感測技術。

20190923TA31P1-1 表1 常用溫度感測器類型比較。

熱敏電阻

熱敏電阻為熱力敏感性的電阻裝置,由陶瓷或金屬氧化物製成,其電阻值隨溫度變化呈指數變化。最常見的類型為負溫度係數(NTC)熱敏電阻,其可提供良好的耐低溫性,即隨著溫度的增加,阻抗快速下降,從而快速準確地反映溫度變化(0.05~1.5℃)。由於NTC熱敏電阻為高度非線性,因此如使用者所需測量溫度的範圍很廣泛,則NTC熱敏電阻將透過線性校準,實現數個溫度點目標。有效工作範圍通常為-100~+325℃。另外,熱敏電阻可自加熱。

熱電偶

與熱敏電阻不同,熱電偶由兩根相連的不同金屬導線組成。其並非使用阻抗測溫,而是透過檢測兩種金屬連接處的電壓變化測溫。熱電偶為非線性,當用於溫度控制和補償時需要轉換,且精確度較低(0.5~5℃)。但是,其工作溫度範圍較廣泛,且為自供電。

電阻溫度檢測(RTD)

RTD也被稱為電阻溫度計,其在運作過程中,隨著溫度的升高而回應電阻率的增加。RTD由纏繞在陶瓷或玻璃芯上的純金屬線組成,最精確的RTD採用鉑金製造,但成本較低的RTD可以採用鎳或銅製造。但是,鎳和銅版本在較低溫度範圍內工作,且不像鉑那樣穩定或可重複。鉑RTD提供相當線性的輸出,在-200~+850℃範圍內具有高精確度(0.1~1℃)。RTD感測器是成本最高,但是通用型較好。

半導體感測器

積體電路(IC)溫度感測器擴大了傳統功能的感測範圍,實現更低功耗、更小佔用空間等優點,並且對於某些應用而言,設備成本較低。由於IC感測器在生產測試進行校準,因此其還簡化了校準程式。最常見的品項是類比輸出設備、數位周邊設備、遠端溫度感測器和溫度開關,現代半導體溫度感測器可在約-55~+150℃的工作範圍內提供高精確度和高線性度。

上述所有溫度感測器均以離散形式提供,靈活性不足。

印刷電子產品要求提高

採用軟性基材的印刷電子產品使用導電和非導電油墨代替微影,隨著各產業越來越意識到該技術可以為無數應用帶來好處,其目前已慢慢成為主流產品。例如,其可以將濕度感測器和溫度感測器的功能結合在一個軟性形狀因數中,該形狀因數可以調整以適合特定的形狀。此外,由於該技術幾乎可以從任何位置提取資料,因此這些感測器可以協助使用者獲益於大資料分析。

印刷感測器陣列(圖1)提供了設計、面積和形狀因數的優勢,其可以滿足特定感測器類型所需的功能,如熱敏電阻、RTD等。與傳統感測器不同,該感測器具有靈活性和舒適性,且可以適應各種終端產品尺寸。此外,印刷感測器具有低成本、可擴展製造的優勢。通常,使用者在需要測量狹窄區域的溫度時,典型的矽感測器無法契合,此時需使用印刷軟性混合電子(FHE)系統。例如,可以將薄陣列列印或附接到電池組(圖2),以快速指示電池故障時的過熱位置。單體、非軟性感測器無法執行該功能,因此該功能對智慧型手機和精密設備等應用至關重要。

20190923TA31P1 圖1 帶有16個感測器的印刷溫度感測器陣列。

20190923TA31P2 圖2 (a)印刷溫度感測器陣列連接到鋰離子電池的正面和背面、(b)溫度映射輸出。

當在陣列或感測器系統中使用時,印刷電子感測器的優勢在於可同步測量多點溫度變化,無需單獨感測器接線,而傳統感測器只能測量單點的絕對溫度。FHE陣列是測量多點表面溫度的關鍵,可透過多點溫度感測器,擷取給定空間的準確讀數,不需要僅擷取房間單個點準確資料的單點測量。

假設需要測量容器的表面溫度。當可測量單點溫度時,假設該單點即表示整體,多點溫度測量準確性更改。可利用該方法,檢測容器內的溫度梯度,以提供關於加熱或冷卻控制的更好回饋。印刷電子技術可測量這些容器中常見的不規則表面和狹窄空間。此外,可列印測試設備的感測器陣列,並將其快速應用至大量測試物件,從而消除了繁瑣的離散感測器位移需求。這不僅可節省安裝時間,還可將感測器陣列置於所有測試物件的相同方向。

還可測量/監測許多其他領域中的多點溫度變化,不僅具有價值,還可真正節省時間。部分示例包括:

˙倉庫:倉庫內儲存的物品可能因溫度突變而損壞。感測器陣列可監控溫度,啟動警報以回應異常溫度狀態,保護不必要的庫存損失。此外,還可保護倉庫免遭未授權進入。

˙溫室:假設有一間種滿植物的溫室,希望在冬季中期種植,當打開溫室門時,植物的生長是否會受到溫度突然變化的影響?如有影響,影響的時間多長?

˙伺服器機房:若要確保伺服器正常運作,加熱和冷卻非常重要。及時瞭解指定房間區域規格出現異常非常重要,其可卸載該堆疊的使用,以便可以根據需要暫時冷卻。

˙筆記型電腦/手機/平板電腦:如今,行動裝置必須確保不會因為持續使用而過熱,必須避免因極端串音而對用戶造成傷害。

印刷電子挑戰

協助製造產業瞭解溫度測量的挑戰,以及印刷電子陣列帶來的好處非常重要。可以為製造設備定制解決方案,以確保滿足特定系統的溫度管理需求。

對於印刷電子陣列,利用邊緣運算是製造應用中的關鍵。使用者可在雲端儲存和保留其資訊,以追蹤趨勢,同時保留設備本身的處理能力,以有助於關鍵決策,這兩種功能都非常重要。

快速回應時間是印刷電子溫度陣列的關鍵值之一。手動熱油浴試驗中,可觀察到回應時間為175毫秒,如採用自動化測試可能更短。極薄、印刷膜的熱品質幾乎可以忽略不計,可提供較高速度。在設備上內建電子設備和軟體,可非常快速保持回應時間,實現更快速決策,影響使用者試圖在嚴格溫度限制範圍內保留的關鍵物件。

在使用任何溫度感測設備時,使用者必須注意任何印刷電子感測器限制,這些可包括工作溫度範圍、精確度、滯後和長期漂移。研究每種感測技術的資料表,可確保感測器能夠產生所需結果。感測器設備中,沒有任何一種的尺寸能適合所有應用;要為應用選擇理想的印刷電子感測器,歸根究底是製造與購買問題。可在商店購買離散感測器,將其連接到資料擷取系統,將感測器放在測量表面,並收集資料;對於單個測試,有時很有意義。但如果要求在多個設備上複製測試,則這將成為一項耗時的任務。透過定制解決方案,可以大大減少建構測試設備的實際時間,並且可以獲得更優異的重複結果。

20190923TA31P3 圖3 浸入/取出熱油浴(160℃)時印刷溫度感測器的回應。

在經過多年的研究和試驗後,軟性和印刷電子元件正在逐漸投入使用。透過基材、材料和生產製程的適當選擇,增強了印刷感測器的性能。印刷感測器已實現(-20°C, +100°C) 範圍內精確度 0.5°C,偏移(100℃/100 日) < 2.0°C,這些指標還將不斷改進。近期,Brewer Science將推出輕便、低成本、靈活、舒適和高效的智慧產品,其將具有低成本可製造溫度測量等功能,可用於各種應用領域。

20190923TA31P4 圖 4 銀制印刷溫度感測器在(-20℃, +120℃)範圍內的極端線性特性。

本文同步刊登於EE Times Taiwan 9月號雜誌