Gedruckte Temperatursensor-Arrays mit hoher räumlicher Auflösung

In der heutigen technologiegetriebenen Welt ist Sensorik ein unverzichtbares Instrument geworden, um den Anforderungen an Automatisierung und Vernetzung im Alltag gerecht zu werden. Von der Industrie bis in die Unterhaltungselektronik steigt das Maß der Datenerfassung, was sich unmittelbar in den massiven Wachstumsraten im Sensormarkt widerspiegelt. Mit der Erschließung neuer Anwendungsgebiete geht auch die Entwicklung neuer Sensorik einher, was sich unmittelbar bei den Anforderungen an die Fertigungsverfahren niederschlägt. Dabei stellt die gedruckte Elektronik im Bereich elektronischer Bauteile eine Revolution dar. ... mehrZwar kann die Technologie auf einige Jahrzehnte der Entwicklung zurückschauen, doch zuletzt nahm das Thema weiter an Fahrt auf. Gründe sind unter anderem neue oder verbesserte Druckverfahren, aber auch die Erforschung neuer Materialien. Im Gegensatz zu traditionellen, halbleiterbasierten Fertigungsmethoden, können leichte und flexible Substrate eingesetzt werden. Darüber hinaus können elektronische Schaltungen auch direkt auf dreidimensionalen Oberflächen aufgebracht werden, weshalb in diesem Zusammenhang häufig der Begriff der additiven Fertigung verwendet wird. Neue Materialien eröffnen außerdem die Möglichkeit neue Bauteilklassen zu fertigen, sodass gedruckte Elektronik inzwischen auch zur Herstellung von aktiven Komponenten eingesetzt wird. Zwar ist traditionelle Elektronik noch immer in Bezug auf Effizienz, Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit überlegen, doch die Alleinstellungsmerkmale und Vorteile bei Skalierbarkeit und Kosten der Flüssigprozessierung befeuern in diesem Bereich die weitere Forschung.

Inzwischen lassen sich im Druckverfahren eine Vielzahl verschiedener Sensoren, wie beispielsweise organische Photodioden, Pulssensoren oder Dehnungssensoren, realisieren. Einer der bedeutsamsten Sensoren sind dabei Thermometer. Die Temperatur ist eine der grundlegendsten physikalischen Messgrößen und ein entscheidender Prozessparameter in vielen Abläufen. Diese Arbeit befasst sich damit, gedruckte Elektronik und Temperatursensorik zusammenzubringen. Es wird ein vollständig gedrucktes Temperatursensor-Array präsentiert, das aus 625 einzelnen Sensorpixel auf einer Fläche von $12$\,mm~x~$12$\,mm besteht. Somit kann nicht nur die lokale Temperatur bestimmt, sondern durch den Sensorverbund die Temperaturverteilung über eine zweidimensionale Oberfläche erfasst werden. Die Verwendung eines hybriden Druckverfahrens erlaubt dabei das schnelle und effiziente Aufbringen großflächiger Zuleitungsstrukturen durch Siebdruck, während für die feingliedrige Sensorstruktur ein Aerosol-Jet-Drucker zum Einsatz kommt. Auf diese Weise können nacheinander, mit hoher Präzession, drei Materiallagen zu einem Schichtsystem aufgebaut werden. Ein solches Thermometer, bestehend aus zwei Elektroden und einer Polymer-Komposit-Schicht, wird als Thermistor bezeichnet. Das zugrundeliegende Messprinzip beruht auf der Messung des elektrischen Widerstands, der eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist.\\
Vorgestellt werden zwei speziell entworfene Ausleseelektroniken für das Temperatursensor-Array. Die erste Version bietet einen erweiterten Messbereich, während die zweite für eine verbesserte Fehlerkorrektur und schnelles Auslesen konzipiert ist. Damit ist es schließlich möglich mit dem Temperatursensor-Array, einen auf die Sensorfläche fokussierten Laserstrahl zeitlich und räumlich nachzuverfolgen sowie zu analysieren. Beim Auftreffen des Lasers auf der Sensoroberfläche wird punktuell Wärme induziert. Durch die Auswertung des gemessenen Temperaturprofils, lässt sich unter Berücksichtigung einer Kalibrierung auf den Laserstrahldurchmesser und die Laserintensität schließen. Somit stellt die Verwendung des Sensors als Strahlprofilmessgerät für Wellenlängen jenseits des sichtbaren Bereiches eine attraktive Alternative zu kommerziellen Lösungen dar.

Darüber hinaus bietet sich die hohe Sensordichte auch zur Überwachung kritischer IT-Infrastruktur, zum Beispiel eines Prozessors, an. Durch die Erkennung von Hitzestau kann eine frühzeitige Degradation der empfindlichen Schaltkreise verhindert werden. Interessant ist dies außerdem im Bereich der Cybersicherheit, indem eine plötzliche, ungewöhnliche Hitzeentwicklung erkannt und das System zur Sicherheit kontrolliert heruntergefahren wird.
Im Prozessor sind zwar bereits Temperatursensoren integriert, jedoch bieten diese nicht die nötige räumliche Auflösung für eine detaillierte Temperaturanalyse. Das in dieser Arbeit entwickelte Sensorarray, weist eine entsprechend hohe räumliche Auflösung auf und kann gleichzeitig durch additive Fertigung direkt auf einem Kühlkörper aufgedruckt werden. Somit lässt sich durch nur eine geringe Modifikation des Computersystems die laterale Temperaturverteilung der CPU messen. Die Ergebnisse demonstrieren nicht nur ein schnelles Ansprechen der Sensorpixel auf eine Temperaturänderung, sondern erlauben auch eine detaillierte Darstellung der Temperaturverhältnisse auf der Oberfläche des Prozessors. Selbst einzelne Rechenkerne der CPU können auf Basis dieser Daten eindeutig lokalisiert werden. Mit dem Ziel die Sicherheit und Leistung der IT-Infrastruktur weiter zu erhöhen, ist die Modellierung der Temperaturentwicklung eines Prozessors heute ein wichtiger Teil der Forschung. Hierzu kann das vorgestellte Temperatursensor-Array einen entscheidenden Beitrag liefern.

Über die gezeigten Anwendungsbeispiele hinaus bietet die laterale Temperaturmessung das Potential den Weg für weitere spannende Anwendungen im Bereich der Umweltsensorik, im Gesundheitswesen und Prozessüberwachung zu ebnen. Neben der Entwicklung der eigentlichen Sensorik können ebenfalls Fortschritte bei den Herstellungsverfahren verzeichnet und im Rahmen der gedruckten Elektronik erschlossen werden.

In today's technology-driven world, sensor technology has become an indispensable tool for meeting the demands of automation and connectivity in everyday life. From industry to consumer electronics, the level of data collection is increasing, which is directly reflected in the massive growth rates of the sensor market. The establishment of new applications is accompanied by the development of new sensor technology, which is also directly reflected in the requirements for the manufacturing processes. Printed electronics is a revolution in the field of electronic components. ... mehrAlthough the technology has developed for several decades, it has recently gained further momentum. The reasons for this include new or improved printing processes but also research into new materials. In contrast to traditional manufacturing methods, lightweight and flexible substrates can be used. In addition, electronic circuits can be applied directly to three-dimensional surfaces, which is why the term additive manufacturing is often used in this context. New materials are also opening up the possibility of producing new classes of devices, so printed electronics are now being used to create active components. While traditional electronics are still superior in efficiency, performance, and durability, the unique selling points, such as scalability and cost advantages of liquid processing are driving further research in this area.

Meanwhile, a wide variety of different sensors, such as organic photodiodes, pulse sensors or strain sensors, can be realized with printing. In this regard, the thermometer is an essential sensor. Temperature is one of the most fundamental physical measurements and is a critical process parameter in many operations. This work is concerned with bringing printed electronics and temperature sensing together. A fully printed temperature sensor array is presented, consisting of 625 individual sensor pixels on a $12$\,mm~x~$12$\,mm area. The sensor allows not only to determine the local temperature but also the temperature distribution over a two-dimensional surface to be detected by the sensor array. Combining two printing methods in a hybrid process allows large-area feed structures to be applied quickly and efficiently by screen printing. At the same time, an aerosol jet printer is used for the fine-grained sensor structure. In this way, three layers of material can be built up in succession to form a highly precise layered system. Such a thermometer, consisting of two electrodes and a polymer composite layer, is called a thermistor. The fundamental measurement principle is based on the measurement of electrical resistance, which is highly dependent on temperature.

Two specially designed readout electronics for the temperature sensor array are presented. The first version offers an extended measurement range, while the second is designed for improved error correction and faster readout. Finally, the temperature sensor array is capable of tracking and analyzing the temporal and spacial properties of a laser beam, which is focused on the sensor surface. Heat is induced at specific points when the laser hits the sensor surface. By evaluating the measured temperature profile, it is possible to deduce the laser beam diameter and intensity, considering a calibration. Using the sensor as a beam profiler offers an attractive alternative to commercial solutions for wavelengths beyond the visible range.

In addition, the high sensor density also lends itself to monitoring critical IT infrastructure, such as a processor. By detecting heat build-up, premature degradation of sensitive circuits can be prevented. This is also of interest in cyber security, as a sudden, unusual build-up of heat can be detected and the system ist shut down in a controlled manner for safety reasons. The temperature sensors already embedded into the processor usually do not provide the spatial resolution required for detailed temperature analysis. Additive manufacturing allows the temperature sensor array to be integrated directly onto a heat sink. This allows to measure the lateral temperature distribution of a CPU implying only minor modifications to the computer system. The results not only show a fast response of the sensor pixels to a change in temperature but also allow a detailed representation of the temperature conditions on the surface of the processor. The lateral resolution provided is sufficient to locate even the individual processing cores of the CPU. To further increase the security and performance of IT infrastructure, modeling the temperature evolution of a processor is an essential part of today's research. The presented temperature sensor array can make a decisive contribution to this.

Beyond the application examples shown, lateral temperature measurement offers the potential for other exciting applications in the fields of environmental sensors, healthcare and process monitoring. In addition to advances in sensor technology, these includes the advantages and possibilities of new manufacturing processes.