KIT《AMT.》：Aerosol Jet印制在散热器上的二维温度传感器阵列进行 CPU 集成监控

引言

导语

服务器、工控主机、高性能处理器长期面临过热降频、硬件老化、恶意算力攻击等问题。现有 CPU 测温方案存在明显短板：芯片内置传感器数量稀少，仅能获取单点温度，无法绘制完整内核热分布；红外测温需拆除散热器、无法长期在线监测；外接柔性传感薄膜贴合差、导热受阻，影响原有散热效率。本文提出气溶胶喷射一体化制造 NTC 负温度系数传感阵列，直接在铝制 CPU 水冷散热器绝缘层打印 396 像素二维测温网格，无需改动芯片本体，50ms 即可捕捉单内核热点热指纹，兼顾散热性能与全天候实时热成像，为算力设备硬件测温、网络安全监测提供全新增材制造方案。

正文

一、核心研究摘要

本研究基于 Optomec 气溶胶喷射系统，在抛光铝水冷散热基底旋涂超薄 PI 绝缘层，分层打印银导电线路与 NTC 热敏电阻层，制备 18×22（396 像素）二维测温阵列，搭载零电位扫描读出电路完成高性能 CPU 实测验证，核心成果如下：

散热器原位一体化四层气溶胶传感堆叠结构

整套传感器由下层引出线、底电极、NTC 热敏层、顶层电极四层气溶胶直写成型，单芯片监测区域仅 9×22mm；电极线宽 60–80μm，像素尺寸 60×60μm，超薄膜层不增加额外热阻。

高灵敏度 NTC 热敏传感性能

热敏电阻具备优异负温系数，20℃时 TCR＜-3.8%/℃，100℃仍保持 - 2.2%/℃；单像素功耗仅 2μW，自发热可忽略，测温读出帧率达 20Hz。

毫秒级内核热点识别能力

搭载 Intel i9 八核处理器实测，单内核加压 50ms 内即可捕捉局部温升，长时间负载下热点轮廓清晰区分 8 个独立内核，形成专属热指纹图谱。

低干扰无源矩阵读出方案

自研零电位扫描驱动电路，消除行列串扰；采用通用四阶多项式校准，单基线缩放即可统一全部像素测温精度，无需逐点单独标定。

不破坏原有散热体系

基底仅 5μm 聚酰亚胺绝缘层，热阻增量极低；无需开盖长期在线监测，替代间歇性红外热成像，可 7×24 小时实时采集 CPU 热分布数据，用于硬件健康与恶意代码识别。

二、气溶胶喷射全套制备工艺流程与核心工艺优势

（一）完整散热器传感阵列制备流程

铝制水冷散热板抛光清洗，旋涂 5μm 超薄 PI 绝缘膜，350℃高温固化实现电气隔离；
Optomec 气溶胶设备超声雾化银纳米水基油墨，打印宽幅引出导线，脉冲光烧结提升导电性；
更换小口径喷头打印 60μm 细密底层电极，再次光固化；
稀释改性 NTC 热敏墨水，气动雾化连续蛇形铺覆热敏传感层，120℃长时间烘箱均匀固化；
顶层电极与底层垂直交叉气溶胶打印，低温退火释放薄膜内应力；
搭配 FFC 柔性排线与专用读出板，贴合裸 CPU 完成整机测温测试。

（二）五大核心工艺（光刻 / 丝网 / 柔性贴膜对比）

异形金属散热器直接共形打印

无需单独 PI 薄膜转印，直接在金属散热构件表面成型传感电路，贴合度更高，消除薄膜与散热器之间空气隔热层。

微米级高精度多层精准套印

气溶胶数控定位多层堆叠，电极交叉像素对齐误差极小，实现近 400 点高密度测温阵列，丝网印刷无法实现微像素网格。

超薄低阻薄膜，几乎不影响散热

单层导电膜仅 3–4μm、绝缘层 5μm，整体附加热阻远低于市售柔性测温薄膜，不会造成 CPU 升温加剧。

多墨水兼容一体化连续打印

银导电油墨、NTC 热敏介质可切换雾化模块单设备成型，不用多道转产、多次基材贴合工序。

数字化快速迭代，适配各类芯片散热器

CAD 直接修改阵列像素数量、电极间距，服务器、工控、消费级 CPU 散热器均可快速打样，无需开光刻掩膜。

三、五大核心技术创新点

创新 1 全球创新制备气溶胶直写散热器集成 CPU 二维热传感阵列

打破测温传感器外置思路，直接在散热结构表面增材制造高密度测温网格，实现处理器无改造长期在线热成像。

创新 2 连续蛇形打印 + 掩膜裁切工艺解决热敏层厚薄不均

针对气溶胶气流波动缺陷，采用连续长幅蛇形打印 + 遮光掩膜裁切，大幅缩小像素间电阻偏差，阵列一致性显著提升。

创新 3 低功耗无源矩阵 + 零电位扫描读出架构

规避传统矩阵串扰难题，单像素微功耗运行，高帧率稳定输出全域温度分布，适配长时间不间断监测。

创新 4 全局多项式统一校准算法

仅采集一次基线温度，通过缩放系数修正全部像素偏差，大幅缩短阵列出厂标定工时，适合批量散热器量产。

创新 5 硬件热指纹安全识别体系

依托毫秒级内核热点分辨能力，通过热分布图谱区分正常程序与木马、挖矿恶意算力程序，开辟硬件侧网络安全监测新路径。

四、工艺现存难点与对应突破方案

难点 1 金属散热器导电，传感层易短路，绝缘膜过厚影响散热

✅突破旋涂 5μm 超薄耐高温 PI 绝缘层，隔绝金属同时新增热阻可忽略，兼顾绝缘与导热需求。

难点 2 气溶胶间歇启停造成热敏层厚薄不均，像素温差大

✅突破全程连续蛇形无间断打印，配合遮光掩膜去除边缘瑕疵，多层叠加提升薄膜均匀度。

难点 3 多层电极交叉打印易错位，测温像素失效

✅气溶胶高精度数控运动系统，搭配定位标定点，多层套印偏差控制在微米级。

难点 4 传统矩阵电路行列串扰，温度读数失真

✅配套零电位扫描读出电路，未选中行列统一等电位，消除寄生电流干扰。

难点 5 红外测温只能离线短时监测，无法 7×24 小时在线

✅传感器与散热器一体化集成，整机密封状态持续采集热数据，无需拆机、不中断设备运行。

五、未来多元产业化应用场景

1 数据中心服务器集群在线热管理

批量服务器散热器预制气溶胶测温阵列，实时定位过热节点，智能调节水冷风扇，降低机房能耗与硬件故障率。

2 工控 / 军工高性能处理器安全监测

工业主机、军工算力设备实时捕捉异常热指纹，识别挖矿程序、硬件侧信道攻击，保障系统安全稳定。

3 笔记本 / 台式游戏 CPU 散热优化

新品散热器快速打印测温阵列，快速迭代鳍片、水路结构，缩短散热方案研发周期。

4 功率半导体 IGBT、MOS 散热监测

逆变器、充电桩功率器件铝水冷板一体化测温网格，实时预警过热烧毁风险。

5 芯片研发实验室快速热表征平台

各类处理器散热器快速定制传感阵列，低成本完成内核热分布测绘，替代昂贵红外热像仪长期测试。

图文导读

图1. a）二维被动矩阵印刷传感器阵列的制造工艺流程：首先，在制备聚酰亚胺层之前，需对铝表面进行研磨处理以实现抛光；该层兼具电绝缘功能，并作为印刷基底；其次，使用气溶胶喷墨打印机自下而上依次印刷所有传感器层：(1)连接线层、(2)底部接触线层、(3)热敏电阻材料层、(4)顶部接触线层；每一步印刷均需经过固化或烧结处理。b）完全成型的传感器阵列示意图，包含由各沉积层构成的单个传感器像素的特写视图。

图2. a）测试装置示意图，包含配备CPU的主板、冷却单元及外部控制装置。传感器阵列倒置安装于已拆盖的CPU芯片表面。实际实验装置的实物照片见图S2（支持信息）。b）图表展示了三个典型像素在温度变化时呈现的非线性NTC响应特性。尽管已采取多种措施消除不均匀性，每个像素仍表现出略微不同的电阻值。c）读出装置在1V偏压下测量电流值，该值取决于像素电阻，并通过模数转换器（ADC）进行转换。可使用四阶多项式为每个传感器像素单独建立校准函数。总体而言，采用统一平均拟合函数（黑色曲线所示）可获得更一致的结果；为使该平均函数适用于各像素，引入了比例系数调整。此校准函数后续用于将ADC测量值转换为温度值。

图3. a）为全面观察裸露的CPU芯片，原装散热器已被移除。所使用的英特尔酷睿i9 9900K处理器包含八个核心，这些核心排列成两排相对分布。本研究仅观察了各核心的运行状态[43]。b–d）图像展示了CPU在负载条件下温度变化过程。所有图像均未使用CPU散热器拍摄：(b)显示芯片空闲时的状态；(c)揭示了第二个核心受载后立即出现的局部热点区域；(d)展示了第二个核心持续承受负载时的热分布情况，蓝色框标出了包含八个核心的区域；e–g）作为对比，图像还展示了印刷式温度传感器阵列在第二个核心受载时的响应情况。其中(d)与(g)之间存在显著差异：(g)中的热分布仍局限于单一区域。

图4. a）根据热力图显示，核心二位于第8号线上（该位置用红色方框标出）。b）该图像展示了第8号线温度随时间变化的演变趋势。测量初始阶段，核心二处于静止状态，第8号线所有像素点均呈现均匀温度分布；对核心二施加应力后，温度立即上升，且升高幅度主要集中在受力区域顶部及对应位置；随着较冷区域开始升温，温度持续攀升；最终核心恢复静止状态时，温度随之下降并恢复至与之前相近的水平。

图5. (a–h)展示了印刷传感器阵列对CPU各独立受力核心的温度响应曲线。右侧图表呈现了用红色框标出的传感器像素点的温度分布情况。总体而言，测得的温度分布特征与图3a所示官方CPU设计图中各核心的位置高度吻合；热点区域的x、y坐标位置可清晰区分各个核心的具体位置。

结语

总结

该研究开创气溶胶喷射金属散热基底一体化测温传感制造路线，在 CPU 水冷散热器表面四层堆叠打印 396 像素高密度 NTC 测温阵列，解决传统单点片上传感器分辨率不足、红外无法在线监测、外置薄膜隔热三大痛点。50ms 内核热点识别、20Hz 高帧率全域热成像，既可以用于硬件散热性能优化，也可依托专属热指纹实现恶意程序硬件级检测。整套无掩模数字化增材工艺可直接量产集成测温散热器，在数据中心算力设备、工业控制、军工芯片、功率半导体热监控领域具备极高落地价值。

原文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202301631