智能感知 | 印刷傳感器技術(shù)的顛覆性威脅

傳感器在現代生活中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，它可以測量大量指標和參數，充當物理世界和數字世界之間的接口。印刷傳感器可以在柔性基板上大面積生產(chǎn)，降低成本并釋放新的市場(chǎng)機會(huì )。IDTechEx的新報告《2024-2034年印刷和柔性傳感器：技術(shù)、參與者和市場(chǎng)》預計，到2034年印刷傳感器市場(chǎng)將達到9.6億美元，復合年增長(cháng)率為8.6%。

印刷傳感器應用廣泛

印刷和柔性傳感器可以測量多種特性，包括觸摸、力、壓力、位移、溫度、電信號和氣體濃度。最早也是目前普遍使用的印刷傳感器技術(shù)之一是印刷力傳感器，主要用于汽車(chē)座椅占用檢測。當然，印刷傳感器也可以應用于汽車(chē)、醫療保健、可穿戴設備、消費電子、工業(yè)和物流等商業(yè)領(lǐng)域。

IDTechEx技術(shù)分析師Jack Howley博士認為，雖然力傳感器市場(chǎng)已經(jīng)建立并占據了主要收入份額，但其他印刷和柔性傳感器技術(shù)在未來(lái)十年有望增長(cháng)。從筆記本電腦到電動(dòng)工具，印刷傳感器在消費電子設備中的應用還會(huì )繼續增長(cháng)。

此外，大面積、輕量化傳感使印刷和柔性傳感器非常適合集成在汽車(chē)中，新興應用包括電池健康監測和人機界面，如采用印刷傳感器進(jìn)行壓力、力、氣體和溫度傳感。具體而言，除了解鎖全新的傳感解決方案外，多功能印刷傳感器正在迅速發(fā)展，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，對現有傳感器行業(yè)具有顛覆性潛力。

2024-2034年按技術(shù)細分的印刷傳感器年收入

印刷和柔性傳感器市場(chǎng)大約有8種技術(shù)，包括壓阻傳感器和力傳感器（FSR）、壓電傳感器、光電探測器、溫度傳感器、應變傳感器、氣體傳感器、電容觸摸傳感器和可穿戴電極。制造印刷傳感器的創(chuàng )新包括新興的材料選擇以及制造過(guò)程中的工藝技術(shù)，如可穿戴技術(shù)、柔性電子、可拉伸和保形電子、智能包裝、導電油墨、納米技術(shù)和電子紡織品等領(lǐng)域的現有專(zhuān)業(yè)知識。

多功能印刷傳感器技術(shù)開(kāi)啟市場(chǎng)新機遇

印刷和柔性是傳感器的一個(gè)子集，是使用溶液可加工功能油墨印刷在剛性或柔性基底上的傳感器。因此，可以利用已有制造技術(shù)顯著(zhù)降低的大面積、大批量生產(chǎn)印刷傳感器的成本。

結合印刷電子技術(shù)的多功能混合傳感器正吸引著(zhù)OEM的極大興趣。印刷意味著(zhù)傳感層可以緊密地集成在一起，同時(shí)總體上保持較小的尺寸和強大的功能，使功能可以輕松組合，例如：使用觸覺(jué)電容觸摸和壓阻傳感觸覺(jué)、力敏的筆記本電腦控制；使用溫度和壓阻式壓力傳感器的電池健康監測；使用OLED和光電探測器在智能手機顯示屏上進(jìn)行指紋識別。

Jack Howley博士表示：“協(xié)同結合互補的印刷電子技術(shù)創(chuàng )造了一個(gè)引人注目的價(jià)值主張，多功能印刷傳感器正在引領(lǐng)許多已確定的商業(yè)化機會(huì )?！?/p>

多功能印刷傳感器技術(shù)開(kāi)啟新的市場(chǎng)機遇

近年來(lái)，汽車(chē)無(wú)疑是多功能印刷傳感器的熱門(mén)應用領(lǐng)域。受汽車(chē)電動(dòng)化和自主化趨勢的驅動(dòng)，以及汽車(chē)保有量的增加，汽車(chē)行業(yè)有望繼續實(shí)現印刷傳感器的增長(cháng)。

汽車(chē)制造商和Tier 1采用印刷傳感器由來(lái)已久，除了座椅占用傳感器，他們還在持續積極地參與開(kāi)發(fā)用于熱管理、電池健康監測以及用戶(hù)控制和界面等應用的印刷傳感解決方案。

多功能印刷傳感器帶來(lái)汽車(chē)監控新機會(huì )

結合多種相關(guān)功能（如雙重傳感、印刷加熱）的印刷傳感解決方案為汽車(chē)制造商提供了強大而引人注目的應用方案。這些技術(shù)越來(lái)越受歡迎，尤其是用于電動(dòng)汽車(chē)電池熱管理的印刷傳感器/加熱器。不過(guò)，其挑戰仍然是與供應鏈中已有的產(chǎn)品競爭。

印刷傳感器在汽車(chē)中的應用

印刷傳感器的新進(jìn)展

• 印刷壓阻傳感器

從結構上看，印刷壓阻傳感器有分流和直通兩種模式，分流模式測量水平電導率的變化，而直通模式測量垂直電導率的變化。

壓阻式傳感器原理

近年來(lái)，印刷傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展，隨著(zhù)新材料和印刷電子技術(shù)的不斷發(fā)展，印刷傳感器的性能將持續提升。目前，印刷壓阻傳感器的研發(fā)集中在四大領(lǐng)域。

一是提高透明度。汽車(chē)控制臺和消費品中的許多按鈕均為背光，引入的力敏控制需要一定的透明度。完全透明的界面可以使傳感器與顯示器兼容，距離不受限制。

二是提高靈敏度。FSR傳感器的問(wèn)題之一是需要物理變形才能工作，無(wú)法在堅硬的玻璃屏幕下使用。如果傳感器更靈敏，就可以檢測到壓力的微小變化，意味著(zhù)可以用于更廣泛的應用。

三是減少或消除漂移。FSR傳感器的力/阻力曲線(xiàn)隨時(shí)間漂移，需要使用軟件重新校準。Sensitronics聲稱(chēng)開(kāi)發(fā)出了一種無(wú)漂移材料，但它對溫度高度敏感，因此還不可用。漂移的消除將使FSR能夠用于施加重復和長(cháng)期壓力的應用中。

四是提高R2R（批次）處理的一致性。FSR傳感器對傳感器厚度的不一致性高度敏感。由于片材被拉緊（在張力下）并被饋通，R2R工藝可能導致片材邊緣和中心之間的厚度不同。隨著(zhù)產(chǎn)量增加，消除傳感器片間的不均勻性非常重要。

從薄膜光電探測器（OPD）材料來(lái)看，OPD通常有三個(gè)不同的層。體異質(zhì)結（BHJ）層是在光子吸收時(shí)產(chǎn)生光激發(fā)電荷載流子（電子和空穴）的光敏材料。BHJ層由電子提取層（EEL）和空穴傳輸層補充，這兩種材料的導帶能和價(jià)帶能分別適用于有效的電子和空穴傳輸。

典型材料包括：

?共軛聚合物，尤其是那些帶隙較小的聚合物。

?富勒烯衍生物（如PCBM），以及可能的非富勒烯受體。

?透明導電材料，如ITO（銦錫金屬氧化物）、銀納米線(xiàn)。

?電子提取層，如ZnO（氧化鋅）。

?空穴提取層，如PEDOT（空穴注入層）/PSS（聚苯乙烯磺酸）

OPD所需的材料與OPV（有機光伏）所需的非常相似，因為器件架構基本相同。不同之處在于，需要選擇特定材料和加工條件以?xún)?yōu)化不同參數。例如，提取層的阻擋作用對于OPD來(lái)說(shuō)更為重要，并且不需要匹配半導體帶隙來(lái)獲取太陽(yáng)光譜。相反，通常需要將靈敏度轉移到更長(cháng)的波長(cháng)。

薄膜圖像傳感器應用的屬性重要性

• 印刷光電探測器

印刷光電探測器通常由電介質(zhì)彈性體（DE）組成。電介質(zhì)材料是一種電絕緣體，當施加電場(chǎng)時(shí)會(huì )發(fā)生極化。由于材料是絕緣體，電荷不會(huì )在材料中流動(dòng)，而是移動(dòng)并導致極化。

電介質(zhì)電活性聚合物（EAP）通常以?shī)A在兩個(gè)電極之間的電介質(zhì)彈性體的形式來(lái)有效充當電容器。當通過(guò)拉伸或壓縮材料將兩個(gè)電極壓在一起時(shí)，板間距減小，板面積增加，增加了電容。

壓電材料是介電材料的一個(gè)子類(lèi)，適用于光電探測器等應用。當壓電材料被壓縮時(shí)，在板上會(huì )產(chǎn)生電壓。相反，在沒(méi)有施加外部電壓時(shí)，介電材料不會(huì )在板上產(chǎn)生電壓。

壓電材料原理

印刷電容傳感器的保形和曲面觸摸傳感應用正在興起，目前在向透明導電膜（TCF）的替代應用轉變。許多生產(chǎn)商正專(zhuān)注于ITO上印刷的TCF的價(jià)值主張，以實(shí)現涂覆在曲面上的大面積共形電容傳感。

薄膜光電探測器應用技術(shù)要求

新興傳感的機會(huì )在于：人機界面（HMI）輸入、交互式墻壁/表面、漏水檢測；TCF的無(wú)感知機會(huì )在于，TCF涂層對非傳感應用越來(lái)越有用，許多公司在探索將它與傳感結合起來(lái)的應用，包括：印刷加熱器、天線(xiàn)、EMI/EDS屏蔽。

新興傳感應用的機會(huì )

• 可穿戴電極技術(shù)

目前大致有四種主要的可穿戴電極類(lèi)型：濕電極、干電極、微針和電子皮膚。濕電極應用很普及，新興的選擇正在尋求擴展用例、減少布線(xiàn)需求、減少皮膚刺激、使其更加獨立或時(shí)尚。

濕電極與干電極

轉向定制（通常為干電極）電極的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是延長(cháng)磨損時(shí)間。通過(guò)開(kāi)發(fā)電極材料、粘合劑和整個(gè)器件結構，以實(shí)現更長(cháng)的磨損時(shí)間。電極和互連是柔性和印刷電子產(chǎn)品的一個(gè)重要領(lǐng)域，高度柔性的基板和皮膚粘合劑也是器件的關(guān)鍵部分。

濕電極要在電極和皮膚之間使用凝膠（通常是水凝膠），以作為粘合劑并降低皮膚和電極之間的阻抗。通常，低阻抗可獲得更好的信號質(zhì)量；便宜（通常是一次性的）而易于實(shí)現；使用過(guò)程中磨損時(shí)間有限，保質(zhì)期有限會(huì )變干；對某些皮膚類(lèi)型或長(cháng)期使用會(huì )引起皮膚刺激。

干電極是一種不太常見(jiàn)的替代解決方案，電極在沒(méi)有凝膠層的情況下與皮膚直接接觸，需要在信號質(zhì)量和其他益處之間進(jìn)行權衡，如更長(cháng)的佩戴時(shí)間或更少的刺激。它可能延長(cháng)磨損和儲存時(shí)間，減少刺激，但電極和皮膚之間的阻抗會(huì )增加，可能導致信號質(zhì)量較差。

• 環(huán)境氣體傳感器

IDTechEx預計，2034年氣體傳感器市場(chǎng)將達到95億美元，復合年增長(cháng)率6.6%。氣體傳感器的價(jià)值在于量化無(wú)形，使整個(gè)社會(huì )的基本健康和安全基礎設施成為可能。其主要挑戰在于如何展示智能家居、智能建筑、電動(dòng)汽車(chē)和消費電子產(chǎn)品在新興市場(chǎng)的價(jià)值和可操作性；新興市場(chǎng)對靈敏度的要求更高，成本和功耗要求更低。

氣體傳感器行業(yè)路線(xiàn)圖

• 透明導電膜傳感

現在，更薄、更堅固、更柔性的ITO薄膜正在奪走ITO玻璃的市場(chǎng)份額，其挑戰是柔性有限、導電性差、不適合大面積使用。

透明導電膜傳感的機會(huì )與挑戰

• CNT油墨的導電性

使用銀納米線(xiàn)/CNT（碳納米管）混合材料可以獲得優(yōu)異性能，但CNT油墨很少單獨用于導電性。而當其與混合材料中的銀納米線(xiàn)一起用于生產(chǎn)電容觸膜、加熱器和天線(xiàn)的透明導體時(shí)，便獲得了應用吸引力；功能化CNT油墨（如化學(xué)或生物受體）也在傳感方面獲得了一些興趣。即便如此，CNT最有前途的應用往往依賴(lài)于其熱性能和結構性能，而不是電學(xué)性能。

寫(xiě)在最后

印刷傳感器本身和采用的技術(shù)可謂五花八門(mén)，能夠取代傳統傳感器實(shí)現各種各樣的應用，或滿(mǎn)足傳統傳感器無(wú)法實(shí)現的一些特殊要求?，F在，印刷傳感器的應用領(lǐng)域正在不斷拓寬，從智能家居到醫療監護，從環(huán)保檢測到消費電子設備，都展現出了廣闊應用前景。

此外，印刷傳感器的制造過(guò)程也更加環(huán)保和高效。與傳統傳感器制造方法相比，印刷傳感器采用更環(huán)保的材料和工藝，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的污染和能耗。同時(shí)，印刷傳感器的制造過(guò)程也更加高效，可以實(shí)現大規模、低成本生產(chǎn)，為廣泛應用提供了有力支持。

綜上所述，印刷傳感器在技術(shù)進(jìn)步、應用拓展和環(huán)保制造等方面都取得了顯著(zhù)的進(jìn)展。隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，印刷傳感器有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類(lèi)生活帶來(lái)更多的便利和效益。