印刷傳感器技術(shù)的顛覆性威脅

傳感器在現(xiàn)代生活中扮演著至關(guān)重要的角色，它可以測(cè)量大量指標(biāo)和參數(shù)，充當(dāng)物理世界和數(shù)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(jī)會(huì)。IDTechEx的新報(bào)告《2024-2034年印刷和柔性傳感器：技術(shù)、參與者和市場(chǎng)》預(yù)計(jì)，到2034年印刷傳感器市場(chǎng)將達(dá)到9.6億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為8.6%。

印刷傳感器應(yīng)用廣泛

印刷和柔性傳感器可以測(cè)量多種特性，包括觸摸、力、壓力、位移、溫度、電信號(hào)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，主要用于汽車座椅占用檢測(cè)。當(dāng)然，印刷傳感器也可以應(yīng)用于汽車、醫(yī)療保健、可穿戴設(shè)備、消費(fèi)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(rèn)為，雖然力傳感器市場(chǎng)已經(jīng)建立并占據(jù)了主要收入份額，但其他印刷和柔性傳感器技術(shù)在未來十年有望增長(zhǎng)。從筆記本電腦到電動(dòng)工具，印刷傳感器在消費(fèi)電子設(shè)備中的應(yīng)用還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。

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中，新興應(yīng)用包括電池健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)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，以滿足市場(chǎng)需求，對(duì)現(xiàn)有傳感器行業(yè)具有顛覆性潛力。

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(cè)器、溫度傳感器、應(yīng)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(dǎo)電油墨、納米技術(shù)和電子紡織品等領(lǐng)域的現(xiàn)有專業(yè)知識(shí)。

多功能印刷傳感器技術(shù)開啟市場(chǎng)新機(jī)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)顯著降低的大面積、大批量生產(chǎn)印刷傳感器的成本。

結(jié)合印刷電子技術(shù)的多功能混合傳感器正吸引著OEM的極大興趣。印刷意味著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(qiáng)大的功能，使功能可以輕松組合，例如：使用觸覺電容觸摸和壓阻傳感觸覺、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(jiān)測(cè)；使用OLED和光電探測(cè)器在智能手機(jī)顯示屏上進(jìn)行指紋識(shí)別。

Jack Howley博士表示：“協(xié)同結(jié)合互補(bǔ)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(jī)會(huì)。”

近年來，汽車無疑是多功能印刷傳感器的熱門應(yīng)用領(lǐng)域。受汽車電動(dòng)化和自主化趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)，以及汽車保有量的增加，汽車行業(yè)有望繼續(xù)實(shí)現(xiàn)印刷傳感器的增長(zhǎng)。

汽車制造商和Tier 1采用印刷傳感器由來已久，除了座椅占用傳感器，他們還在持續(xù)積極地參與開發(fā)用于熱管理、電池健康監(jiān)測(cè)以及用戶控制和界面等應(yīng)用的印刷傳感解決方案。

結(jié)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制造商提供了強(qiáng)大而引人注目的應(yīng)用方案。這些技術(shù)越來越受歡迎，尤其是用于電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾淼挠∷鞲衅?加熱器。不過，其挑戰(zhàn)仍然是與供應(yīng)鏈中已有的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

印刷傳感器的新進(jìn)展

印刷壓阻傳感器

從結(jié)構(gòu)上看，印刷壓阻傳感器有分流和直通兩種模式，分流模式測(cè)量水平電導(dǎo)率的變化，而直通模式測(cè)量垂直電導(dǎo)率的變化。

壓阻式傳感器原理

近年來，印刷傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展，隨著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(xù)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。汽車控制臺(tái)和消費(fèi)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傳感器的問題之一是需要物理變形才能工作，無法在堅(jiān)硬的玻璃屏幕下使用。如果傳感器更靈敏，就可以檢測(cè)到壓力的微小變化，意味著可以用于更廣泛的應(yīng)用。

三是減少或消除漂移。FSR傳感器的力/阻力曲線隨時(shí)間漂移，需要使用軟件重新校準(zhǔn)。Sensitronics聲稱開發(fā)出了一種無漂移材料，但它對(duì)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(fù)和長(zhǎng)期壓力的應(yīng)用中。

四是提高R2R（批次）處理的一致性。FSR傳感器對(duì)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(dǎo)致片材邊緣和中心之間的厚度不同。隨著產(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(cè)器（OPD）材料來看，OPD通常有三個(gè)不同的層。體異質(zhì)結(jié)（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(bǔ)充，這兩種材料的導(dǎo)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(dǎo)電材料，如ITO（銦錫金屬氧化物）、銀納米線。

?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(jī)光伏）所需的非常相似，因?yàn)槠骷軜?gòu)基本相同。不同之處在于，需要選擇特定材料和加工條件以優(yōu)化不同參數(shù)。例如，提取層的阻擋作用對(duì)于OPD來說更為重要，并且不需要匹配半導(dǎo)體帶隙來獲取太陽(yáng)光譜。相反，通常需要將靈敏度轉(zhuǎn)移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。

印刷光電探測(cè)器

印刷光電探測(cè)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(dāng)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(dǎo)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)彈性體的形式來有效充當(dāng)電容器。當(dāng)通過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，適用于光電探測(cè)器等應(yīng)用。當(dāng)壓電材料被壓縮時(shí)，在板上會(huì)產(chǎn)生電壓。相反，在沒有施加外部電壓時(shí)，介電材料不會(huì)在板上產(chǎn)生電壓。

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

新興傳感的機(jī)會(huì)在于：人機(jī)界面（HMI）輸入、交互式墻壁/表面、漏水檢測(cè)；TCF的無感知機(jī)會(huì)在于，TCF涂層對(duì)非傳感應(yīng)用越來越有用，許多公司在探索將它與傳感結(jié)合起來的應(yīng)用，包括：印刷加熱器、天線、EMI/EDS屏蔽。

可穿戴電極技術(shù)

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

轉(zhuǎn)向定制（通常為干電極）電極的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)磨損時(shí)間。通過開發(fā)電極材料、粘合劑和整個(gè)器件結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)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(hào)質(zhì)量；便宜（通常是一次性的）而易于實(shí)現(xiàn)；使用過程中磨損時(shí)間有限，保質(zhì)期有限會(huì)變干；對(duì)某些皮膚類型或長(zhǎng)期使用會(huì)引起皮膚刺激。

干電極是一種不太常見的替代解決方案，電極在沒有凝膠層的情況下與皮膚直接接觸，需要在信號(hào)質(zhì)量和其他益處之間進(jìn)行權(quán)衡，如更長(zhǎng)的佩戴時(shí)間或更少的刺激。它可能延長(zhǎng)磨損和儲(chǔ)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(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量較差。

環(huán)境氣體傳感器

IDTechEx預(yù)計(jì)，2034年氣體傳感器市場(chǎng)將達(dá)到95億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率6.6%。氣體傳感器的價(jià)值在于量化無形，使整個(gè)社會(huì)的基本健康和安全基礎(chǔ)設(shè)施成為可能。其主要挑戰(zhàn)在于如何展示智能家居、智能建筑、電動(dòng)汽車和消費(fèi)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(duì)靈敏度的要求更高，成本和功耗要求更低。

透明導(dǎo)電膜傳感

現(xiàn)在，更薄、更堅(jiān)固、更柔性的ITO薄膜正在奪走ITO玻璃的市場(chǎng)份額，其挑戰(zhàn)是柔性有限、導(dǎo)電性差、不適合大面積使用。

CNT油墨的導(dǎo)電性

使用銀納米線/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(dú)用于導(dǎo)電性。而當(dāng)其與混合材料中的銀納米線一起用于生產(chǎn)電容觸膜、加熱器和天線的透明導(dǎo)體時(shí)，便獲得了應(yīng)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(yīng)用往往依賴于其熱性能和結(jié)構(gòu)性能，而不是電學(xué)性能。

寫在最后

印刷傳感器本身和采用的技術(shù)可謂五花八門，能夠取代傳統(tǒng)傳感器實(shí)現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用，或滿足傳統(tǒng)傳感器無法實(shí)現(xiàn)的一些特殊要求?，F(xiàn)在，印刷傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓寬，從智能家居到醫(yī)療監(jiān)護(hù)，從環(huán)保檢測(cè)到消費(fèi)電子設(shè)備，都展現(xiàn)出了廣闊應(yīng)用前景。

此外，印刷傳感器的制造過程也更加環(huán)保和高效。與傳統(tǒng)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)過程中的污染和能耗。同時(shí)，印刷傳感器的制造過程也更加高效，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本生產(chǎn)，為廣泛應(yīng)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(yīng)用拓展和環(huán)保制造等方面都取得了顯著的進(jìn)展。隨著科技的不斷發(fā)展，印刷傳感器有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類生活帶來更多的便利和效益。