基于可印刷的納米材料熱敏電阻的、用于追蹤體溫的溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上設(shè)及體溫計(jì)領(lǐng)域，且特別設(shè)及基于可印刷的納米材料熱敏電阻的、 用于追蹤體溫的溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在傳統(tǒng)溫度感測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，用于體溫追蹤的智能/可穿戴設(shè)備正變得越來越 有挑戰(zhàn)。典型地，溫度電子傳感器由多個(gè)微小尖端組成，運(yùn)些微小尖端由負(fù)溫度系數(shù) (negativetemperaturecoefficient，NTC)陶瓷材料、銷（PT-100)、或紅外光設(shè)備制成。由 于熱接觸面積有限，運(yùn)些電子傳感器穿戴在人身上時(shí)感測(cè)溫度不夠準(zhǔn)確。對(duì)運(yùn)些傳感器而 言，環(huán)境溫度下與人體建立熱平衡是有挑戰(zhàn)的；因此運(yùn)些體溫計(jì)測(cè)量體溫時(shí)會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí) 間，例如花費(fèi)10-15分鐘或更長(zhǎng)。也存在一些柔性薄膜的銷溫度傳感器，但由于銷很貴，它們 的面積局限于因此，難W將傳統(tǒng)傳感器作為持續(xù)監(jiān)測(cè)和追蹤生理信號(hào)的智能/可 穿戴設(shè)備，特別是當(dāng)人體的生物計(jì)量信息幾乎每秒都在變化的情況下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在一個(gè)方面，基于可印刷型熱敏電阻的溫度傳感器可包括用于溫度感測(cè)的負(fù)溫度 系數(shù)(NTC)熱敏電阻，與該NTC熱敏電阻電連接、且用于獲取NTC熱敏電阻感測(cè)的溫度值的控 制電子線路，用于為NTC熱敏電阻和控制電子線路供電的電源，W及用于支撐NTC熱敏電阻、 控制電子線路和電源的框架元件，其中該框架元件的至少部分是隔熱的（thermally insulated)，W在該溫度傳感器內(nèi)建立熱平衡。
[0004] NTC熱敏電阻可包括基底、印刷在基底上的Si-c膜、W及印刷在基底上且電連接 Si-c膜和控制電子線路的電極。NTC熱敏電阻還可包括設(shè)置在Si-c膜和電極上的第一層積 物（laminate)，W及設(shè)置在該第一層積物的頂表面上的第二層積物，該第二層積物用于防 止水分透入NTC熱敏電阻內(nèi)部。
[0005] 在一些實(shí)施例中，控制電子線路可包括與NTC熱敏電阻的電極相連的恒流驅(qū)動(dòng)電 路。恒流驅(qū)動(dòng)電路可用一恒定電流、在低偏置下驅(qū)動(dòng)NTC熱敏電阻。該情況下，通過NTC熱敏 電阻的電流可保持恒定，因此其工作溫度可基本控制在一允許范圍內(nèi)，從而極大地避免Β?ο膜內(nèi)Si納米顆粒與C納米顆粒間的聚合物粘合劑的交聯(lián)發(fā)生降解，且確保印刷型Si-c膜的 膜質(zhì)量。
[0006]在另一方面，無線溫度傳感器可包括用于溫度感測(cè)的NTC熱敏電阻，與該NTC熱敏 電阻電連接、且用于獲取熱敏電阻感測(cè)的溫度值的控制電子線路，接收來自控制電子線 路的溫度值且W無線方式發(fā)出該溫度值的無線模塊，用于為NTC熱敏電阻、無線模塊和控制 電子線路供電的電源，W及用于支撐NTC熱敏電阻、控制電子線路、無線模塊和電源的框架 元件，其中該框架元件的至少部分是隔熱的，W在該溫度傳感器內(nèi)建立熱平衡。
[0007]NTC熱敏電阻可包括依次設(shè)置的基底、感測(cè)元件、內(nèi)層積物和外層積物。感測(cè)元件 可包括印刷在基底上的Si-c膜和電極，其中電極實(shí)現(xiàn)Si-c膜和控制電子線路的連接。內(nèi)層 積物的WVTR可約為1-lOOg/mV天，且外層積物的WVTR可低于約O.lg/mV天，W便防止水分透 入NTC熱敏電阻。
[0008] 控制電子線路可包括用恒定電流驅(qū)動(dòng)NTC熱敏電阻的恒流驅(qū)動(dòng)電路，且包括采樣 經(jīng)由NTC熱敏電阻的電極輸出的感測(cè)電壓的測(cè)量電路?；诤愣娏骱蚇TC熱敏電阻的電阻 值確定該感測(cè)電壓。
[0009] 本發(fā)明的各實(shí)施例可提供基于可印刷型熱敏電阻的溫度傳感器。該溫度傳感器可 配置有優(yōu)良的隔熱性能，從而當(dāng)將溫度傳感器附到人體上時(shí)，使得能夠有快速和準(zhǔn)確的體 溫追蹤。
【附圖說明】
[0010] W下結(jié)合附圖可更好地理解本發(fā)明中對(duì)各個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中相同結(jié)構(gòu)用 相同標(biāo)號(hào)表示。附圖中：
[0011] 圖1A是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的溫度傳感器的俯視圖，其中溫度傳感器集成有電 池和印刷電路板組件(printed-circuit-board-assembly，PCBA);
[0012] 圖IB是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的溫度傳感器的俯視圖，其中溫度傳感器集成有無 線模塊(無線1C)、電池和印刷電路板組件(PCBA);
[0013] 圖1C是圖1B中溫度傳感器的橫截面圖；
[0014] 圖2A是從頂部角度看具有封裝的印刷型熱敏電阻的透視圖；
[0015] 圖2B是圖2A中的印刷型熱敏電阻的橫截面圖；
[0016] 圖3是制造印刷型熱敏電阻的印刷工藝的設(shè)計(jì)圖；
[0017] 圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的、制造層積有防潮層(moisturebarrier)的印刷型溫 度傳感器的流程圖；
[0018] 圖5是溫度傳感器的控制電子線路的示意圖，其中該控制電子線路用作溫度傳感 器的可印刷型熱敏電阻的驅(qū)動(dòng)電路和讀出電路；
[0019]圖6是溫度傳感器的控制電子線路的電路圖；
[0020] 圖7A圖示了層積有PET的傳感器在80°C/90%畑下保持3天后的DC偏置測(cè)試結(jié)果；
[0021] 圖7B圖示了層積有A1錐的傳感器在80°C/90%RH下保持30天后的DC偏置測(cè)試結(jié) 果；
[0022] 圖8A圖示了在80°C/90%畑下保持213小時(shí)的加速測(cè)試前/后的電流對(duì)電壓（IV)的 測(cè)量結(jié)果；
[0023 ] 圖8B圖示了在80°C/90 %I?H下保持213小時(shí)的加速測(cè)試前/后的電阻值測(cè)量結(jié)果；
[0024] 圖9圖示了溫度升高/降低循環(huán)過程中NTC熱敏電阻的電阻值對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果；
[0025] 圖10A圖示了在80°C/90%RH下保持250小時(shí)的加速測(cè)試前/后的電流對(duì)電壓（IV) 的測(cè)量結(jié)果；
[0026] 圖10B圖示了在80°C/90%I?H下保持250小時(shí)的加速測(cè)試前/后的電阻值測(cè)量結(jié)果；
[0027] 圖11A圖示了PET/A1/EVA膜的WVTR測(cè)試結(jié)果，同時(shí)伴有該P(yáng)ET/A1/EVA膜的橫截面 沈姻像；
[002引圖11B圖示了 50皿-厚的LCP膜的WVTR測(cè)試結(jié)果；
[0029]圖12示出了有電流控制(CC模式)和沒有電流控制(CV模式）的溫度傳感器的溫度 響應(yīng)；W及
[0030]圖13示出了無線體溫計(jì)的快速響應(yīng)，該無線體溫計(jì)背側(cè)隔熱，且具有大面積的熱 敏電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0031]W下將結(jié)合附圖和各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032]本發(fā)明的各實(shí)施例中提供用于體溫追蹤的溫度傳感器(也可稱作體溫計(jì)）。通過印 刷納米顆粒技術(shù)可將包含有娃-碳納米復(fù)合材料的溫度感測(cè)元件制造成印刷型熱敏電阻， 從而準(zhǔn)確和快速地測(cè)量人體溫度。具有低WVTR和高WVTR的混合層積物可用來封裝該印刷型 熱敏電阻，W便既獲得最佳的印刷型膜固化條件，又獲得更好的作為防潮層的層積物。溫度 傳感器可與人皮膚表面呈保形接觸(conformalcontact)，W用于大面積的溫度感測(cè)。該溫 度傳感器可在背離人皮膚表面的背側(cè)形成隔熱性能，W便能夠在體溫計(jì)內(nèi)部建立快速熱平 衡，且體溫感測(cè)可快至約1-2秒。體溫計(jì)還可設(shè)置有控制印刷型熱敏電阻的工作溫度的恒流 (consent州rrent，CC)驅(qū)動(dòng)電流。
[0033]圖1A闡釋了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的溫度傳感器100,該溫度傳感器100可包括 NTC熱敏電阻11、電源、控制電子線路12和框架元件14,控制電子線路體現(xiàn)為PCBA，框架元件 用于支撐NTC熱敏電阻11、電源和PCBAdNTC熱敏電阻11可用于感測(cè)穿戴有該溫度傳感器100 的用戶的體溫。已知的是，熱敏電阻在不同溫度下可具有不同電阻值，因此可通過檢測(cè)NTC 熱敏電阻的變化電阻值或NTC熱敏電阻兩端的變化電壓來確定感測(cè)的溫度值。控制電子線 路12可讀出NTC熱敏電阻11感測(cè)的溫度值，隨后將該溫度值展示給溫度傳感器100的用戶。 電源可為整個(gè)溫度傳感器100供電；即，電源可對(duì)NTC熱敏電阻11、控制電子線路12和溫度傳 感器100內(nèi)的其他電子部件供電。在一些實(shí)施例中，薄的裡電池可用作電源，而不會(huì)極大地 增大溫度傳感器100的厚度。該實(shí)施例中的溫度傳感器100可進(jìn)一步配備有用于向用戶顯示 感測(cè)溫度值的顯示面板。
[0034]圖1B是本發(fā)明另一實(shí)施例的溫度傳感器200。此處的溫度傳感器200也可包括NTC 熱敏電阻21、電源23、控制電子線路22和框架元件24,溫度傳感器200和溫度傳感器100感測(cè) 溫度的操作過程可大致相同。此外，第二實(shí)施例中的溫度傳感器200可進(jìn)一步包括無線模塊 25,其用于接收并隨后發(fā)出獲取自控制電子線路22的感測(cè)溫度值。無線模塊25可與控制電 子線路22-起集成在PCBA中。運(yùn)樣，溫度傳感器200可與其他具有無線接收單元的電子設(shè)備 合作，W便降低其制造成本并W更靈活地方式來呈現(xiàn)感測(cè)結(jié)果。本文W下將具體描述具有 無線功能的溫度傳感器200,同時(shí)其與第一實(shí)施例共有的部件也可被應(yīng)用到第一實(shí)施例。
[0035] 如圖1C所示，其是溫度傳感器200的橫截面圖。NTC熱敏電阻21、電源23和PCBA(包 括控制電子線路22和無線模塊25)可支撐在框架元件24上。特別地，運(yùn)些部件可支撐在框架 元件24的相對(duì)兩側(cè)?？蚣茉?4可具有面向用戶體表的前側(cè)241和背離體表的背側(cè)242,其 中前側(cè)241和背側(cè)242彼此相對(duì)配置。NTC熱敏電阻21可設(shè)置在框架元件24的前側(cè)241上、從 而感測(cè)體溫，而PCBA和電源23可設(shè)置在框架元件24的背側(cè)242上。NTC熱敏電阻21可粘附到 框架元件24上。例如，EVA(或PVB、PMMA、硅膠)膜可充當(dāng)將NTC熱敏電阻21粘附到框架元件24 表面的粘結(jié)劑。NTC熱敏電阻21也可通過其他方式安裝到框架元件24上，安裝方式不會(huì)對(duì)本 發(fā)明的范圍有限制。
[0036]此處的框架元件24可至少部分隔熱，W便在溫度傳感器200內(nèi)建立熱平衡?？蚣茉?件24自身可隔熱，和/或一隔熱結(jié)構(gòu)可附連到或嵌入在框架元件24上，W便建立熱平衡?？?架元件24可全部隔