智能感知 | 印刷傳感器技術的顛覆性威脅

傳感器在現代生活中扮演著至關重要的角色，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，降低成本并釋放新的市場機會。IDTechEx的新報告《2024-2034年印刷和柔性傳感器：技術、參與者和市場》預計，到2034年印刷傳感器市場將達到9.6億美元，復合年增長率為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之一是印刷力傳感器，主要用于汽車座椅占用檢測。當然，印刷傳感器也可以應用于汽車、醫(yī)療保健、可穿戴設備、消費電子、工業(yè)和物流等商業(yè)領域。

IDTechEx技術分析師Jack Howley博士認為，雖然力傳感器市場已經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在未來十年有望增長。從筆記本電腦到電動工具，印刷傳感器在消費電子設備中的應用還會繼續(xù)增長。

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，新興應用包括電池健康監(jiān)測和人機界面，如采用印刷傳感器進行壓力、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，以滿足市場需求，對現有傳感器行業(yè)具有顛覆性潛力。

2024-2034年按技術細分的印刷傳感器年收入

印刷和柔性傳感器市場大約有8種技術，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程中的工藝技術，如可穿戴技術、柔性電子、可拉伸和保形電子、智能包裝、導電油墨、納米技術和電子紡織品等領域的現有專業(yè)知識。

多功能印刷傳感器技術開啟市場新機遇

印刷和柔性是傳感器的一個子集，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顯著降低的大面積、大批量生產印刷傳感器的成本。

結合印刷電子技術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；使用OLED和光電探測器在智能手機顯示屏上進行指紋識別。

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

多功能印刷傳感器技術開啟新的市場機遇

近年來，汽車無疑是多功能印刷傳感器的熱門應用領域。受汽車電動化和自主化趨勢的驅動，以及汽車保有量的增加，汽車行業(yè)有望繼續(xù)實現印刷傳感器的增長。

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)測以及用戶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汽車監(jiān)控新機會

結合多種相關功能（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大而引人注目的應用方案。這些技術越來越受歡迎，尤其是用于電動汽車電池熱管理的印刷傳感器/加熱器。不過，其挑戰(zhàn)仍然是與供應鏈中已有的產品競爭。

印刷傳感器在汽車中的應用

印刷傳感器的新進展

• 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，印刷傳感器技術得到了快速發(fā)展，隨著新材料和印刷電子技術的不斷發(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)集中在四大領域。

一是提高透明度。汽車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傳感器的問題之一是需要物理變形才能工作，無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/阻力曲線隨時間漂移，需要使用軟件重新校準。Sensitronics聲稱開發(fā)出了一種無漂移材料，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。隨著產量增加，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）材料來看，OPD通常有三個不同的層。體異質結（BHJ）層是在光子吸收時產生光激發(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。

?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優(yōu)化不同參數。例如，提取層的阻擋作用對于OPD來說更為重要，并且不需要匹配半導體帶隙來獲取太陽光譜。相反，通常需要將靈敏度轉移到更長的波長。

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彈性體（DE）組成。電介質材料是一種電絕緣體，當施加電場時會發(fā)生極化。由于材料是絕緣體，電荷不會在材料中流動，而是移動并導致極化。

電介質電活性聚合物（EAP）通常以夾在兩個電極之間的電介質彈性體的形式來有效充當電容器。當通過拉伸或壓縮材料將兩個電極壓在一起時，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子類，適用于光電探測器等應用。當壓電材料被壓縮時，在板上會產生電壓。相反，在沒有施加外部電壓時，介電材料不會在板上產生電壓。

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。許多生產商正專注于ITO上印刷的TCF的價值主張，以實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要求

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

新興傳感應用的機會

• 可穿戴電極技術

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。濕電極應用很普及，新興的選擇正在尋求擴展用例、減少布線需求、減少皮膚刺激、使其更加獨立或時尚。

濕電極與干電極

轉向定制（通常為干電極）電極的一個突出優(yōu)點是延長磨損時間。通過開發(fā)電極材料、粘合劑和整個器件結構，以實現更長的磨損時間。電極和互連是柔性和印刷電子產品的一個重要領域，高度柔性的基板和皮膚粘合劑也是器件的關鍵部分。

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量；便宜（通常是一次性的）而易于實現；使用過程中磨損時間有限，保質期有限會變干；對某些皮膚類型或長期使用會引起皮膚刺激。

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，需要在信號質量和其他益處之間進行權衡，如更長的佩戴時間或更少的刺激。它可能延長磨損和儲存時間，減少刺激，但電極和皮膚之間的阻抗會增加，可能導致信號質量較差。

• 環(huán)境氣體傳感器

IDTechEx預計，2034年氣體傳感器市場將達到95億美元，復合年增長率6.6%。氣體傳感器的價值在于量化無形，使整個社會的基本健康和安全基礎設施成為可能。其主要挑戰(zhàn)在于如何展示智能家居、智能建筑、電動汽車和消費電子產品在新興市場的價值和可操作性；新興市場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玻璃的市場份額，其挑戰(zhàn)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與挑戰(zhàn)

• CNT油墨的導電性

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油墨很少單獨用于導電性。而當其與混合材料中的銀納米線一起用于生產電容觸膜、加熱器和天線的透明導體時，便獲得了應用吸引力；功能化CNT油墨（如化學或生物受體）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于其熱性能和結構性能，而不是電學性能。

寫在最后

印刷傳感器本身和采用的技術可謂五花八門，能夠取代傳統傳感器實現各種各樣的應用，或滿足傳統傳感器無法實現的一些特殊要求。現在，印刷傳感器的應用領域正在不斷拓寬，從智能家居到醫(yī)療監(jiān)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，降低了生產過程中的污染和能耗。同時，印刷傳感器的制造過程也更加高效，可以實現大規(guī)模、低成本生產，為廣泛應用提供了有力支持。

綜上所述，印刷傳感器在技術進步、應用拓展和環(huán)保制造等方面都取得了顯著的進展。隨著科技的不斷發(fā)展，印刷傳感器有望在更多領域發(fā)揮重要作用，為人類生活帶來更多的便利和效益。