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基于可印刷的 纳米材料热敏 电阻的、用于追踪体温的 温度 传感器

阅读：31发布：2023-03-09

专利汇可以提供基于可印刷的纳米材料热敏电阻的、用于追踪体温的温度传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种无线温度传感器。具有柔性、大面积印刷型热敏电阻的温度传感器可包括用于温度感测的负温度系数(NTC) 热敏电阻，与NTC热敏电阻电连接且用于获取NTC热敏电阻感测的温度值的控制电子线路，用于为NTC热敏电阻和控制电子线路供电的电源，以及用于支撑 NTC热敏电阻、控制电子线路和电源的框架元件，其中框架元件至少部分隔热，以在温度传感器内建立热平衡。由于传感器内快速建立的热平衡，温度传感器可以快速且精确的方式感测温度。，下面是基于可印刷的纳米材料热敏电阻的、用于追踪体温的温度传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于可印刷的热敏电阻的温度传感器，其特征在于，包括：
用于温度感测的NTC热敏电阻，其包括基底、印刷在所述基底上的Si-C膜、以及印刷在所述基底上且用于将所述Si-C膜与一控制电子线路连接的电极；
所述控制电子线路，其与所述NTC热敏电阻电连接，且用于获取所述NTC热敏电阻感测的温度值；
电源，用于为所述NTC热敏电阻和所述控制电子线路供电；以及
 框架元件，用于支撑所述NTC热敏电阻、所述控制电子线路和所述电源；其中所述框架元件的至少部分是隔热的，以在所述温度传感器内建立热平衡。
2.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述NTC热敏电阻还包括第一层积物和第二层积物，所述第一层积物设置在所述Si-C膜和所述电极上，所述第二层积物设置在所述第一层积物的与所述Si-C膜和所述电极相对的一侧上；所述第二层积物能够防止水分透入到所述NTC热敏电阻内。
3.如权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，所述第一层积物的WVTR约为1-100g/m2/天，所述第二层积物的WVTR低于约0.1g/m2/天；和/或
所述第一层积物由选自以下一组的材料制成：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚乙烯；以及所述第二层积物由选自以下一组的材料制成：金属箔、金属化高分子聚合物膜、以及具有无机氧化物涂层的高分子聚合物膜。
4.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述控制电子线路包括用恒定电流驱动所述NTC热敏电阻的恒流驱动电路，所述NTC热敏电阻按照如下公式生成随所述温度值变化的感测电压值：
V＝I恒定*R实时；
其中V代表所述感测电压值，I恒定代表由所述恒流驱动电路提供的所述恒定电流，以及R实时代表取决于所述温度的所述NTC热敏电阻的电阻值。
5.如权利要求4所述的温度传感器，其特征在于，所述恒流驱动电路包括运算放大器、至少一个电压源、第一晶体管和第二晶体管；所述至少一个电压源生成的第一驱动电压和第二驱动电压分别施加到所述运算放大器的两个输入端，以在所述运算放大器的输出端向所述第二晶体管提供偏置；所述第一晶体管和所述第二晶体管连接成一内反馈电路，以生成用于所述NTC热敏电阻的所述恒定电流。
6.如权利要求4所述的温度传感器，其特征在于，所述控制电子线路还包括测量电路；
所述测量电路包括用于采样和放大经由所述NTC热敏电阻的电极输出的感测电压值。
7.如权利要求6所述的温度传感器，其特征在于，还包括与所述控制电子线路通信的无线模块和模数转换器；模数转换器对放大的电压值进行转换来生成数据包，并将所述数据包传递给所述无线模块以用于发送；其中，所述无线模块选自以下一组：蓝牙模块、WiFi模块、Zigbee模块或RFID模块。
8.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述Si-C膜具有用于所述温度感测的保形接触表面，所述保形接触表面的面积约为1-2cm2；
和/或，
所述基底是WVTR约为0.01g/m2/天的LCP膜。
9.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述框架元件具有前侧和背侧，所述前侧和所述背侧彼此相对配置；所述NTC热敏电阻设置在所述框架元件的所述前侧上，且所述控制电子线路和所述电源设置在所述框架元件的所述背侧上；
所述框架元件用于设置所述NTC热敏电阻的至少一部分由聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯或橡胶制成；和/或至少与设置所述NTC热敏电阻相对应的这部分的所述框架元件的所述前侧上设置有隔热结构。
10.一种无线温度传感器，其特征在于，包括：
用于温度感测的NTC热敏电阻，其包括依次设置的基底、感测元件、内层积物和外层积物；所述感测元件包括印刷在所述基底上的Si-C膜和电极；其中所述电极将所述Si-C膜与一控制电子线路连接起来；所述内层积物的WVTR约为1-100g/m2/天，且所述外层积物的WVTR低于约0.1g/m2/天，以便防止水分透入所述NTC热敏电阻；
所述控制电子线路，其与所述NTC热敏电阻电连接，且用于获取所述NTC热敏电阻感测的温度值；所述控制电子线路包括恒流驱动电路和测量电路，所述恒流驱动电路用恒定电流驱动所述NTC热敏电阻，所述测量电路用于采样经由所述NTC热敏电阻的电极输出的感测电压，其中根据所述恒定电流和所述NTC热敏电阻的电阻值确定所述感测电压值；
无线模块，用于接收来自所述控制电子线路的感测电压值，且用于以无线方式发出所述感测电压值；
电源，用于为所述NTC热敏电阻、所述控制电子线路和所述无线模块供电；以及框架元件，用于支撑所述NTC热敏电阻、所述控制电子线路、所述无线模块和所述电源；
其中所述框架元件的至少部分是隔热的，以在所述温度传感器内建立热平衡。

说明书全文

基于可印刷的 纳米材料热敏 电阻的、用于追踪体温的 温度传

感器

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及体温计领域，且特别涉及基于可印刷的纳米材料热敏电阻的、用于追踪体温的温度传感器。

背景技术

[0002] 在传统温度感测技术的基础上，用于体温追踪的智能/可穿戴设备正变得越来越有挑战。典型地，温度电子传感器由多个微小尖端组成，这些微小尖端由负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)陶瓷材料、铂(PT-100)、或红外光设备制成。由于热接触面积有限，这些电子传感器穿戴在人身上时感测温度不够准确。对这些传感器而言，环境温度下与人体建立热平衡是有挑战的；因此这些体温计测量体温时会花费很长时间，例如花费10-15分钟或更长。也存在一些柔性薄膜的铂温度传感器，但由于铂很贵，它们的面积局限于1mm-2mm。因此，难以将传统传感器作为持续监测和追踪生理信号的智能/可穿戴设备，特别是当人体的生物计量信息几乎每秒都在变化的情况下。

发明内容

[0003] 在一个方面，基于可印刷型热敏电阻的温度传感器可包括用于温度感测的负温度系数(NTC)热敏电阻，与该NTC热敏电阻电连接、且用于获取NTC热敏电阻感测的温度值的控制电子线路，用于为NTC热敏电阻和控制电子线路供电的电源，以及用于支撑NTC热敏电阻、控制电子线路和电源的框架元件，其中该框架元件的至少部分是隔热的(thermally insulated)，以在该温度传感器内建立热平衡。

[0004] NTC热敏电阻可包括基底、印刷在基底上的Si-C膜、以及印刷在基底上且电连接Si-C膜和控制电子线路的电极。NTC热敏电阻还可包括设置在Si-C膜和电极上的第一层积物(laminate)，以及设置在该第一层积物的顶表面上的第二层积物，该第二层积物用于防止水分透入NTC热敏电阻内部。

[0005] 在一些实施例中，控制电子线路可包括与NTC热敏电阻的电极相连的恒流驱动电路。恒流驱动电路可用一恒定电流、在低偏置下驱动NTC热敏电阻。该情况下，通过NTC热敏电阻的电流可保持恒定，因此其工作温度可基本控制在一允许范围内，从而极大地避免Si-C膜内Si纳米颗粒与C纳米颗粒间的聚合物粘合剂的交联发生降解，且确保印刷型Si-C膜的膜质量。

[0006] 在另一方面，无线温度传感器可包括用于温度感测的NTC热敏电阻，与该NTC热敏电阻电连接、且用于获取NTC热敏电阻感测的温度值的控制电子线路，接收来自控制电子线路的温度值且以无线方式发出该温度值的无线模块，用于为NTC热敏电阻、无线模块和控制电子线路供电的电源，以及用于支撑NTC热敏电阻、控制电子线路、无线模块和电源的框架元件，其中该框架元件的至少部分是隔热的，以在该温度传感器内建立热平衡。

[0007] NTC热敏电阻可包括依次设置的基底、感测元件、内层积物和外层积物。感测元件可包括印刷在基底上的Si-C膜和电极，其中电极实现Si-C膜和控制电子线路的连接。内层积物的WVTR可约为1-100g/m2/天，且外层积物的WVTR可低于约0.1g/m2/天，以便防止水分透入NTC热敏电阻。

[0008] 控制电子线路可包括用恒定电流驱动NTC热敏电阻的恒流驱动电路，且包括采样经由NTC热敏电阻的电极输出的感测电压的测量电路。基于恒定电流和NTC热敏电阻的电阻值确定该感测电压。

[0009] 本发明的各实施例可提供基于可印刷型热敏电阻的温度传感器。该温度传感器可配置有优良的隔热性能，从而当将温度传感器附到人体上时，使得能够有快速和准确的体温追踪。附图说明

[0010] 以下结合附图可更好地理解本发明中对各个实施例的详细描述，其中相同结构用相同标号表示。附图中：

[0011] 图1A是根据本发明第一实施例的温度传感器的俯视图，其中温度传感器集成有电池和印刷电路板组件(printed-circuit-board-assembly，PCBA)；

[0012] 图1B是根据本发明第二实施例的温度传感器的俯视图，其中温度传感器集成有无线模块(无线IC)、电池和印刷电路板组件(PCBA)；

[0013] 图1C是图1B中温度传感器的横截面图；

[0014] 图2A是从顶部角度看具有封装的印刷型热敏电阻的透视图；

[0015] 图2B是图2A中的印刷型热敏电阻的横截面图；

[0016] 图3是制造印刷型热敏电阻的印刷工艺的设计图；

[0017] 图4是根据本发明实施例的、制造层积有防潮层(moisture barrier)的印刷型温度传感器的流程图；

[0018] 图5是温度传感器的控制电子线路的示意图，其中该控制电子线路用作温度传感器的可印刷型热敏电阻的驱动电路和读出电路；

[0019] 图6是温度传感器的控制电子线路的电路图；

[0020] 图7A图示了层积有PET的传感器在80℃/90％RH下保持3天后的DC偏置测试结果；

[0021] 图7B图示了层积有Al箔的传感器在80℃/90％RH下保持30天后的DC偏置测试结果；

[0022] 图8A图示了在80℃/90％RH下保持213小时的加速测试前/后的电流对电压(IV)的测量结果；

[0023] 图8B图示了在80℃/90％RH下保持213小时的加速测试前/后的电阻值测量结果；

[0024] 图9图示了温度升高/降低循环过程中NTC热敏电阻的电阻值对温度测量结果；

[0025] 图10A图示了在80℃/90％RH下保持250小时的加速测试前/后的电流对电压(IV)的测量结果；

[0026] 图10B图示了在80℃/90％RH下保持250小时的加速测试前/后的电阻值测量结果；

[0027] 图11A图示了PET/Al/EVA膜的WVTR测试结果，同时伴有该PET/Al/EVA膜的横截面SEM图像；

[0028] 图11B图示了50μm-厚的LCP膜的WVTR测试结果；

[0029] 图12示出了有电流控制(CC模式)和没有电流控制(CV模式)的温度传感器的温度响应；以及

[0030] 图13示出了无线体温计的快速响应，该无线体温计背侧隔热，且具有大面积的热敏电阻。

具体实施方式

[0031] 以下将结合附图和各实施例对本发明做进一步详细说明。

[0032] 本发明的各实施例中提供用于体温追踪的温度传感器(也可称作体温计)。通过印刷纳米颗粒技术可将包含有硅-碳纳米复合材料的温度感测元件制造成印刷型热敏电阻，从而准确和快速地测量人体温度。具有低WVTR和高WVTR的混合层积物可用来封装该印刷型热敏电阻，以便既获得最佳的印刷型膜固化条件，又获得更好的作为防潮层的层积物。温度传感器可与人皮肤表面呈保形接触(conformal contact)，以用于大面积的温度感测。该温度传感器可在背离人皮肤表面的背侧形成隔热性能，以便能够在体温计内部建立快速热平衡，且体温感测可快至约1-2秒。体温计还可设置有控制印刷型热敏电阻的工作温度的恒流(constant current，CC)驱动电流。

[0033] 图1A阐释了根据本发明第一实施例的温度传感器100，该温度传感器100可包括NTC热敏电阻11、电源、控制电子线路12和框架元件14，控制电子线路体现为PCBA，框架元件用于支撑NTC热敏电阻11、电源和PCBA。NTC热敏电阻11可用于感测穿戴有该温度传感器100的用户的体温。已知的是，热敏电阻在不同温度下可具有不同电阻值，因此可通过检测NTC热敏电阻的变化电阻值或NTC热敏电阻两端的变化电压来确定感测的温度值。控制电子线路12可读出NTC热敏电阻11感测的温度值，随后将该温度值展示给温度传感器100的用户。电源可为整个温度传感器100供电；即，电源可对NTC热敏电阻11、控制电子线路12和温度传感器100内的其他电子部件供电。在一些实施例中，薄的锂电池可用作电源，而不会极大地增大温度传感器100的厚度。该实施例中的温度传感器100可进一步配备有用于向用户显示感测温度值的显示面板。

[0034] 图1B是本发明另一实施例的温度传感器200。此处的温度传感器200也可包括NTC热敏电阻21、电源23、控制电子线路22和框架元件24，温度传感器200和温度传感器100感测温度的操作过程可大致相同。此外，第二实施例中的温度传感器200可进一步包括无线模块25，其用于接收并随后发出获取自控制电子线路22的感测温度值。无线模块25可与控制电子线路22一起集成在PCBA中。这样，温度传感器200可与其他具有无线接收单元的电子设备合作，以便降低其制造成本并以更灵活地方式来呈现感测结果。本文以下将具体描述具有无线功能的温度传感器200，同时其与第一实施例共有的部件也可被应用到第一实施例。

[0035] 如图1C所示，其是温度传感器200的横截面图。NTC热敏电阻21、电源23和PCBA(包括控制电子线路22和无线模块25)可支撑在框架元件24上。特别地，这些部件可支撑在框架元件24的相对两侧。框架元件24可具有面向用户体表的前侧241和背离体表的背侧242，其中前侧241和背侧242彼此相对配置。NTC热敏电阻21可设置在框架元件24的前侧241上、从而感测体温，而PCBA和电源23可设置在框架元件24的背侧242上。NTC热敏电阻21可粘附到框架元件24上。例如，EVA(或PVB、PMMA、硅胶)膜可充当将NTC热敏电阻21粘附到框架元件24表面的粘结剂。NTC热敏电阻21也可通过其他方式安装到框架元件24上，安装方式不会对本发明的范围有限制。

[0036] 此处的框架元件24可至少部分隔热，以便在温度传感器200内建立热平衡。框架元件24自身可隔热，和/或一隔热结构可附连到或嵌入在框架元件24上，以便建立热平衡。框架元件24可全部隔热；替代地，框架元件24的一侧或一部分可以设计为具有隔热性。在一实例中，至少一部分框架元件24(例如用于设置NTC热敏电阻21的那一部分)的前侧241和/或背侧242可以是隔热的。由于该隔热配置，在整个体温计200与人体之间能够快速建立热平衡，而且体温感测可快至约1-2秒。用于隔热的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氟乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)或其他塑料、或一些厚度约为0.5mm-1mm的软质橡胶板。

[0037] 进一步参考图1B，NTC热敏电阻21可以是可印刷型热敏电阻，而其感测区域被印刷到温度传感器200内。PCBA可通过各向异性导电薄膜(anisotropic conductive film，ACF)带与NTC热敏电阻21结合到一起。控制电子线路22可采样和放大感测结果，处理后的结果传递到无线模块25以用于发送。控制电子线路22和无线模块25可集成到PCBA上，且还可通过ACF带与NTC热敏电阻21电连接。NTC热敏电阻21可更好地与水分隔离，且可使用基于控制电子线路22的恒流设计的恒定电流驱动NTC热敏电阻21。

[0038] 图2A和图2B分别图示了可用在本发明的温度传感器100和200中的NTC热敏电阻21。NTC热敏电阻21可包括基底211、Si-C膜212和电极213。为改进防水性，NTC热敏电阻21还可包括用于封装Si-C膜212和电极213的混合层积物。Si-C膜212和电极213可充当感测元件，这两者均可印刷到基底211上，且电极213可使Si-C膜212与控制电子线路22电连接。本发明中，硅-碳纳米复合材料可用来产生印刷型Si-C膜212，硅-碳纳米复合材料的配方和制造过程将在特定实例中得以描述。

[0039] 图3是制造印刷型热敏电阻的印刷工艺的设计图。可使用银导体在LCP基底211上沉积两个互相交叉的银电极213。该银电极213可制备有十对指状物2131，指状物的宽度约为0.3mm，两个相邻指状物间的距离约为1mm。随后用Si-C纳米复合膏(nanocomposite paste)印刷生产Si-C膜时，Si-C膜的面积可限定为约15mm*25mm，印刷型Si-C膜可叠在电极213的指状物2131上。该设计下，温度传感器100和200能够与人体皮肤形成保形的热接触，其中印刷型感测元件可形成有约从几平方毫米到几平方米的感测面积。在特定实例中，感测面积可约为1.5cm*2.0cm，以便形成本发明中的大面积温度传感器。

[0040] 硅-碳纳米颗粒(nanoparticles，NPs)在周围环境中较为稳定，但基于Si-C NPs的温度传感器需要良好封装到足以防止水分透入到核心设备中。此外，当柔性温度传感器充当可穿戴体温计时，还需要防止皮肤水分透过皮肤接触区域的表面阻挡膜。为此，具有优良防水性能的材料可用来制造基底211。同样，因为温度传感器200是穿戴在体表，也应该考虑生物兼容性。在实例中，由于LCP的高界面粘附性、生物兼容性和极低的吸湿度，基底211可优选由液晶聚合物(liquid-crystal-polymer，LCP)制成，或LCP膜可优选用作基底211。其生物兼容性使得LCP封装的传感器在皮肤表面为稳定的、且不会有皮肤敏感，其水分阻隔性可限定为约0.01g/m2/天的水蒸气透过率(water vapor transmission rate，WVTR)。在一些实例中，诸如Al箔的另一层积物可层积到LCP膜的外表面，从而进一步改进NTC热敏电阻21的防水性能。

[0041] 设置在Si-C膜212和电极213上的混合层积物可从顶部方位封装NTC热敏电阻21，且可同时具有高WVTR和低WVTR。即，Si-C膜212和电极213可设置在基底211与混合层积物之间。混合层积物可包括内层积物214和外层积物215，其中内层积物214位于感测元件与外层积物之间；即，外层积物215和感测元件设置在内层积物214的相对两侧上。在图2B所示的方位下，内层积物214可直接设置在Si-C膜212和电极213的上方，且外层积物215设置在内层积物214的顶表面上。内层积物214可具有约为1-100g/m2/天的高WVTR。这可为NTC热敏电阻21提供最佳的热固化条件，以至于聚合物粘合剂可在硅纳米颗粒和碳纳米颗粒间生成更好的交联，且可使得溶剂残余物进一步蒸发。该内层积物214可由选自以下一组的化合物制
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成：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯等等。外层积物215可具有低于约0.1g/m/天的低WVTR，从而为NTC热敏电阻21提供优良的防水功能。外层积物215可以是金属箔(Al、Cu、不锈钢)、金属化高分子聚合物膜、或具有无机氧化物涂层(SiOx、AlOx、TiOx，等等)制成的防潮层的高分子聚合物膜、等等。

[0042] 在实例中(图4)，电极和Si-C膜可相继印刷到基底上。随后，厚度约为25μm且具有较高WVTR的高分子膜可层积在印刷型Si-C膜212和电极213上。在此之后，可在热烘箱内在80℃-135℃下进行30min-3小时的热固化。然后将具有防潮层的第二层积物层积在第一层积物的表面上，即第二层积物。第二层积物的WVTR非常低，以便防止水分透入到NTC热敏电阻21内。

[0043] 在另一实例中，诸如Al箔的其他层积物还可层积到外层积物的外表面上，从而进一步改进NTC热敏电阻21的防潮功能。

[0044] 再次参考图2A，具有良好防水性的NTC热敏电阻21可通过其电极213与PCBA电连接。相应地，控制电子线路22可通过电极213与NTC热敏电阻21电连接，从而采样感测温度值。

[0045] 已知的是，印刷型Si-C NPs温度传感器100和200可以负温度系数(NTC)体温计的形式运行。当NTC热敏电阻用于温度测量时，其可连接到相应的测量电路。最为常见的是，测量电路是分压器或桥式电路(例如惠斯登电桥(Wheastone Bridge))。然而，由于热敏电阻的强非线性特性(例如指数型)，当用惠斯登电桥驱动温度传感器时，印刷型Si-C NPs膜的两端可施加有恒定电压(constant voltage，CV)，且施加的电压固定，而通过Si-C NPs的电流可随着温度从室温到接近体温增加超过一个数量级。高温度下的高电流将在热敏电阻内诱导产生补偿加热效应和充电效应，并使Si-C NPs之间聚合物粘合剂的交联降解和使印刷型Si-C NPs的膜质量降低。因此，需要针对电阻式温度检测器控制读出系统的电流，以便扩展其工作温度范围。

[0046] 为进行电流控制，控制电子线路22中可设有恒流驱动电路221，从而用恒定电流(CC)驱动NTC热敏电阻21。图5中示出了CC偏置模式的示例性设计图，同时图6示例性示出了特定的CC驱动电路221。CC驱动电阻221可提供在很低偏置下驱动印刷型NTC热敏电阻21的恒定电流，这样由于通过NTC热敏电阻21的电流保持恒定，NTC热敏电阻21的工作温度可控制在允许范围内。

[0047] 在恒定电流的作用下，从NTC热敏电阻21读出的感测结果可与其自身的电阻值强相关，而其电阻值则进一步根据用户的体表温度得以确定。特定地，NTC热敏电阻21可按照如下公式生成随感测温度值变化的感测电压值：

[0048] V＝I恒定*R实时

[0049] 其中V代表感测电压值，I恒定代表CC驱动电路221提供的恒定电流，以及R实时代表取决于温度的NTC热敏电阻21的电阻值。

[0050] 如图6所示，运算放大器(Op-Amp，Texas Instruments OPA4330)可用来提供用以驱动印刷型Si-C NPs热敏电阻的恒定电流源。CC驱动电路可包括有电压源，该电压源可生成第一驱动电压V1和第二驱动电压V1+。第一驱动电压V1和第二驱动电压V1+可施加到运算放大器(U2A OPA4330)的两个输入端，从而在该运算放大器的输出端为第二晶体管Q2(BC 807-25)提供偏置状态。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可形成典型的内反馈，并生成用以驱动NTC热敏电阻的恒定电流。在其他实例中，各自两个电压源可用来为运算放大器提供第一驱动电压和第二驱动电压。

[0051] 控制电子线路22还可包括充当NTC热敏电阻21的读出电路的测量电路222。这里的测量电路222可包括用于采样和放大经由NTC热敏电阻21的电极输出的感测温度值(本发明中为感测电压值)的至少一个放大器。在一实例中，测量电路222设置有三级放大器(例如，U2B OPA4330，U2C OPA4330和U2D OPA4330)，读出值Vout可被这三级放大器放大，以便于传送或展示。

[0052] 无线模块25可与控制电子线路22通信，来获取该放大电压。蓝牙模块(Texas Instruments CC2541)可用作此处的无线模块25。读出值Vout可在放大后传递到无线模块25。可进一步设置诸如模数(A/D)转换器的数据转换器26，从而使本发明的控制电子线路22与无线模块25通信。在12-位的A/D转换后，无线模块25可处理转换后的数据，生成数据包，并通过天线将该数据包发送到其他无线读取器。要注意的是，尽管数据转换器26体现为无线模块25的嵌入部件，但数据转换器26也可与无线模块25分开设置。无线模块25和数据转换器26的具体布局并不会限制本发明的保护范围。

[0053] 在另一实例中，可提供诸如模数(A/D)转换器的数据转换器，使得本发明的控制电子线路22与显示部件通信连接。在12-位的A/D转换后，显示部件可向用户显示转换后的数据。

[0054] 上述实施例可提供柔性的、低成本和大面积的温度传感器，该温度传感器由于具有优良的隔热性能，因此可实现快速温度感测。同样，这些温度传感器可进一步有效防止水分透入，并在恒定电流驱动的作用下保持在允许的工作温度范围内。

[0055] 为更好地理解本发明中温度传感器的各个实施例，以下将提供若干实例来解释例如一些特定温度传感器的制造工艺、制造配方、材料选择、传感器组装等等。实例1涉及根据图3的设计在80μm-厚的PET基底上产生的可完全印刷的NTC热敏电阻。实例2和3分别涉及根据图3的设计在LCP基底上产生的可完全印刷的NTC热敏电阻。实例4涉及NTC热敏电阻21的层积物的材料选择。实例5和6分别涉及完整组装的温度传感器，该温度传感器具有根据图1A和图1B的读出电路和柔性锂电池。

[0056] 实例1

[0057] 根据图3的设计在80μm-厚的PET基底上产生可完全印刷的NTC热敏电阻。使用DuPont 5064H银导体材料印刷距离约为1mm的两个电极，其随后在环境条件下固化。随后用含有Si NPs和石墨薄片的印刷膏进行印刷，印刷面积为15mm*20mm，且使形成的连续膜覆盖在两个Ag电极上(如图3所示)。混合Si NPs和石墨薄片形成Si-C复合物。硅纳米材料是购自MTI Corporation的非-掺杂硅纳米粉，其颗粒大小约为80nm，而且有凭借等离子合成产生的单晶纳米结构。石墨薄片是购自Angstron Materials Inc.的极性石墨烯片，其厚度约为10-20nm，侧向尺寸小于14μm。约10％的石墨薄片混合在Si-C复合物中。Si-C膏的详细配方如以下的配方1所示。最后，在行星式搅拌机(Thinky AR-100)中将整个混合物混匀2分钟，并获得用于丝网印刷的Si-C纳米复合膏。在印刷了Si-C纳米复合膏之后，在室温下使整个设备缓慢干燥。然后通过热压粘合工艺，在140℃的温度和0.9MPa的压力下，将25μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙烯-醋酸乙烯酯(PET/EVA)膜层积在印刷型设备上，该热压过程持续2分钟。随后，整个样本在热烘箱中在125℃下固化2小时。80℃/90％相对湿度(relative humidity，RH)的条件下进行加速测试3天后，在3V DC偏置下观察到明显的衰减，如图7A所示1分钟内为12.9％左右。水分可透入到印刷型Si-C NPs膜内，并使高分子粘合剂的质量降低。为改善印刷型热敏电阻的封装性能(PET基底和PET层积物，命名为第一层积物)，通过热压将25μm-厚的Al箔层积在以上层积有PET的样本的底表面和顶表面上，该热压在140℃和
0.9MPa的条件下进行了2分钟(命名为第二层积物)。Al箔的防潮性能比PET膜的防潮性能好很多，具有Al层积物的印刷型热敏电阻即使在80℃/90％RH的条件下处理30天后，也没有体现出明显的衰减。3V的DC偏置持续1分钟的过程中，如图7B所示变化量小于5％。

[0058] 形成Si-C膏的配方1：

[0059] 通过声波降解法将0.2g双酚A二缩水甘油醚(diglycidyl ether of bisphenol A，DGEBA)环氧树脂YD-128(Huntsman Corporation供应)溶解在1ml的丙酮中，该声波降解处理时间为10分钟；

[0060] 通过行星式搅拌机(Thinky AR-100)内的混合操作将0.2g极性石墨烯粉末(Angstron Materials Inc.供应，N006-P)和0.3g Si纳米粉添加到环氧树脂溶液中，该混合过程持续2分钟；

[0061] 通过行星式搅拌机(Thinky AR-100)内的混合操作进一步添加0.5g Si纳米粉，该混合过程持续2分钟；

[0062] 逐渐重复添加0.5g Si NPs两次，最终使1.8g总量的Si NPS与0.2g的石墨烯粉末均匀混合，形成环氧树脂溶液；

[0063] 在通风橱中使丙酮从Si-C膏中蒸发掉，该过程持续约30分钟；

[0064] 添加作为溶剂的1ml分析级的乙二醇(ethylene glycol，EG)，并混合2分钟；

[0065] 添加60mg JEFFAMINE D-230胺，混合2分钟，其中JEFFAMINE D-230胺是充当环氧树脂YD-128的固化剂的聚醚二胺，其由Huntsman Corporation供应。

[0066] 逐渐添加乙二醇(每次0.2ml)，直至黏度适于丝网印刷，使用Thinky AR-100对Si-C膏进行2分钟的去泡沫处理。

[0067] 实例2

[0068] 在第二实例中，根据图3的设计生产可完全印刷的NTC热敏电阻。使用DuPont 5064H银导体材料，通过丝网印刷在50μm-厚的LCP基底上沉积两个相互交叉的银电极。Ag电极制备有十对指状物，指状物的宽度约为0.3mm，相互分开的距离约为1mm。然后，将Si-C纳米复合膏的印刷面积限定为15mm*25mm。混合Si NPs和石墨薄片形成Si-C复合物。硅纳米材料是购自MTI Corporation的非-掺杂硅纳米粉，其颗粒大小约为80nm，而且有凭借等离子合成产生的单晶纳米结构。石墨薄片是购自Angstron Materials Inc.的极性石墨烯片，其厚度约为10-20nm，侧向尺寸小于14μm。约10％的石墨薄片混合在Si-C复合物中。Si-C膏的配方遵循上述配方1。通过热压将25μm-厚的PET/EVA用作第一层积物，该热压过程在140℃和0.9MPa的条件下进行2分钟。随后，整个样本在热烘箱中在125℃下固化2小时。通过热压将双层的PET/Al/EVA用作PET层积物表面的第二层积物，该热压过程在140℃和0.9MPa的条件下进行2分钟。对这些具有强层积物的样本进行80℃/90％RH条件下的加速测试。这些样本能够通过213个小时的80℃/90％RH条件下的加速测试。图8A中示出，在80℃/90％RH条件下保持213小时之前和之后对这些样本进行了电流对电压(IV)测量。发现这两条IV曲线的偏差非常小(即，<5％)。如图8B所示，80℃/90％RH的加速测试之后，3V DC偏置下的电阻值变化也非常小。图9示出了在温度升高和温度降低的循环过程中(20℃-45℃)对这些热敏电阻进行的电阻值对温度值(R-T)的测量结果。该温度变化循环中，考虑到测试系统的精度是+/-0.5℃，R-T曲线偏移量非常小(＜0.3℃)。

[0069] 实例3

[0070] 在第三实例中，根据图3的设计还制造另一可完全印刷的NTC热敏电阻。使用DuPont 5064H银导体材料，通过丝网印刷在50μm-厚的LCP基底上沉积两个相互交叉的银电极。Ag电极制备有十对指状物，指状物的宽度约为0.3mm，相互分开的距离约为1mm。然后，将Si-C纳米复合膏的印刷面积限定为15mm*25mm。混合Si NPs和石墨薄片形成Si-C复合物。硅纳米材料是购自MTI Corporation的非-掺杂硅纳米粉，其颗粒大小约为80nm，而且有凭借等离子合成产生的单晶纳米结构。石墨薄片是购自Angstron Materials Inc.的极性石墨烯片，其厚度约为10-20nm，侧向尺寸小于14μm。约10％的石墨薄片混合在Si-C复合物中。Si-C膏的配方遵循上述配方1。通过热压将25μm-厚的PET/EVA用作第一层积物，该热压过程在140℃和0.9MPa的条件下进行2分钟。随后，整个样本在热烘箱中在125℃下固化2小时。使用EVA粘结剂的膜，通过热压将将50μm-厚的LCP膜用作PET层积物表面上的第二层积物，该热压过程在140℃和0.9MPa的条件下进行2分钟。对这些具有LCP层积物的样本进行80℃/
90％RH条件下的加速测试。这些样本能够通过250个小时的80℃/90％RH条件下的加速测试。图10A中示出，在80℃/90％RH条件下保持250小时之前和之后对这些样本进行了电流对电压(IV)测量。发现这两条IV曲线的偏差非常小(即，<5％)。如图10B所示，80℃/90％RH条件下进行250小时的加速测试之后，3V DC偏置下的电阻值变化也非常小。

[0071] 实例4

[0072] 对不同膜的水分透过性进行了研究，以便找到适用于印刷型Si-C NPs传感器的层积物，所研究的膜包括PET、PI、PET/EVA、PET/Al/EVA(Al膜为3μm)、液晶聚合物(LCP)、Al箔、Cu箔等等。通过MOCON 3/33MA在38℃/100％RH的条件下测量水蒸气透过率(WVTR)。图11A示出了25μm-厚的PET/Al/EVA膜的WVTR测量结果。经测试，PET/Al/EVA膜在38℃/100％RH的条件下具有0.673002g/m2/天的WVTR；SEM图像证实3μm-厚的Al为PET/Al/EVA膜的夹层结构。2
如图11B所示，50μm-厚的LCP膜在38℃/100％RH的条件下的WVTR为0.179296g/m /天。更多膜的WVTR测量结果在表1中示出，以供参考。Al箔和Cu箔的WVTR低于MOCON 3/33MA的检测限，5*10-3g/m2/天。多层PET/Al/EVA可层积到一起，从而获得更低的WVTR。双层的25μm的PET/Al/EVA膜的WVTR低至0.267845g/m2/天，五层的25μm的PET/Al/EVA膜能够提供更好的
2
防潮性，其WVTR为0.073883g/m/天。

[0073] 表1 不同膜的WVTR结果

[0074]

[0075] 实例5

[0076] 在第五实例中，根据图1A中示出的设计，展示了具有读出电子线路和柔性锂电池的完整组装的温度传感器。将具有LCP基底和PET/Al层积物的15mm*20mm的温度热敏电阻(类似于实例2的热敏电阻)结合到0.5mm-厚的PP框架上，该框架具有良好隔热性。PP框架表面上薄至50μm的EVA膜其功能是通过热压将热敏电阻结合到表面的粘合剂，该热压在130℃和0.1MPa的条件下持续1min。PP框架约35mm宽和60mm长，热敏电阻安装在PP框架一侧，而PCBA和相连的电池安装在PP框架的另一侧。各向异性导电薄膜(ACF)带(3M 9703)用于在70℃和0.1MPa的条件下，将印刷型热敏电阻的Ag电极结合到PCB衬垫上。柔性电池(锂-陶瓷电池，型号FLCB033034AH1XAA，Prologium Technology Co.Ltd.供应)用于为整个传感器系统供电。其具有的标称容量约为10.5mAh，标称电压约为3.7V，厚度约为0.35mm。锂电池可再充电，且与通过锡焊设置在PCBA上的电源衬垫相连接。该实例中PCBA的尺寸约为15mm*35mm。图6中示出了传感器数据的读出电子线路。通过运算放大器(U2A OPA4330)对印刷型热敏电阻进行偏置。通过三级放大器U2B OPA4330、U2C OPA4330和U2D OPA4330放大其输出电压Vout。放大的信号随后被传递给蓝牙模块(Texas Instruments CC2541)。

[0077] 根据图6的电路设计，低至0.5μA的恒定电流用于偏置该大面积热敏电阻(这可命名为CC模式)。电流控制对温度传感器的长期可靠性和高精度至关重要。图12中，采用电流控制(CC模式)比对没有电流控制(CV模式)的方式分别对该印刷型热敏电阻进行偏置处理，从而解释电流控制的效果。当热敏电阻从室温升温到体温时，具有温度控制的传感器系统能快速且精确地追踪温度变化。但如图12所表明的，偏置为3V恒定电压(CV)的印刷型热敏电阻无法跟随温度的升高和降低。印刷型NTC传感器在高温下会轻微衰减，这是因为它们在没有任何电流控制的情况下运行，且大电流通过了该大面积印刷型膜。

[0078] 实例6

[0079] 在第六实例中，展示了根据图6的具有读出电子线路和柔性锂电池的另一完整组装的温度传感器。将具有LCP基底和LCP层积物的15mm*20mm的温度热敏电阻(类似于实例3的热敏电阻)结合到0.5mm-厚的PP框架上，该框架具有良好隔热性。PP框架表面上薄至50μm的EVA膜其功能是通过热压将热敏电阻结合到表面的粘合剂，该热压在130℃和0.1MPa的条件下持续1min。PP框架约35mm宽和60mm长，热敏电阻安装在PP框架一侧，而PCBA和相连的电池安装在PP框架的另一侧。各向异性导电薄膜(ACF)带(3M 9703)用于在70℃和0.1MPa的条件下，将印刷型热敏电阻的Ag电极结合到PCB衬垫上。柔性电池(锂-聚合物电池062329S，Guangzhou Fullriver Battery New Technology Co.,Ltd供应)用于为整个传感器系统供电。其具有的标称容量约为20mAh，标称电压约为3.7V，厚度约为0.7mm。锂电池可再充电，且与PCBA上的电源衬垫相连接。约5μA的恒定电流用于对该大面积热敏电阻做偏置处理(CC模式)。当手指触碰到无线体温计的接触区域时，其如图13所示那样快地做出响应，并在几秒之后最终稳定下来。发现的是温度升高和降低可在1-2秒内完成。

[0080] 在本发明的各个实施例和实例中，可提供具有LCP基底和混合层积物的NTC热敏电阻，这样可防止水分从顶表面和底表面进入NTC热敏电阻。在本发明的各个实施例和实例中，可提供具有优良隔热性和电流控制的温度传感器(特别是无线温度传感器)，以便温度传感器可以更快和更精确的操作感测温度。

[0081] 在本发明的各个实施例和实例中，NTC热敏电阻、各层积物或各框架可描述为具有顶表面和底表面。要注意的是，术语“顶”和“底”是相对于附连有温度传感器的人体表面进行定义的。面向人体表面的表面可定义为顶表面，而背离人体表面的表面可定义为底表面；反之亦然。

[0082] 在本发明的各个实施例和实例中，NTC热敏电阻、各层积物或各框架可描述为具有前侧和背侧。要注意的是，术语“前侧”和“背侧”是相对于附连有温度传感器的人体表面进行定义的。面向人体表面的一侧可定义为前侧，而背离人体表面的一侧可定位为背侧；反之亦然。

[0083] 尽管图中的框架示出为平面结构，但这些图仅是用于示例性地显示框架上NTC热敏电阻、电池和PCBA的布局。替代性地，框架可用来支撑温度传感器的各必要部件，并使诸如PCBA和电池的内部部件不会暴露于用户。框架的特定设计不会限制本发明的保护范围。

[0084] 该书面描述使用包括了最佳模式的实例来公开该发明，而且使得本领域任何技术人员都能够制造和使用本发明。本发明的可授权范围由权利要求来定义，可包括对本领域技术人员来说能想到的其他实例。如果这些实例的结构元件与权利要求的字面语言区分不开，或者如果这些实例包括了与权利要求的字面语言相比没有实质区别的等同结构元件，则这些其他实例将被认为是落入权利要求的范围内。

[0085] 在不背离本发明精神的情况下可对本发明做出许多其他的改变和调整。所有变化的范围从所附的权利要求来看将变得显而易见。

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