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印刷传感器技术的颠覆性威胁

发布时间:2024-04-17 浏览:240次

传感器在现代生活中扮演着至关重要的角色,它可以测量大量指标和参数,充当物理世界和数字世界之间的接口。印刷传感器可以在柔性基板上大面积生产,降低成本并释放新的市场机会。IDTechEx的新报告《2024-2034年印刷和柔性传感器:技术、参与者和市场》预计,到2034年印刷传感器市场将达到9.6亿美元,复合年增长率为8.6%。

印刷传感器应用广泛

印刷和柔性传感器可以测量多种特性,包括触摸、力、压力、位移、温度、电信号和气体浓度。最早也是目前普遍使用的印刷传感器技术之一是印刷力传感器,主要用于汽车座椅占用检测。当然,印刷传感器也可以应用于汽车、医疗保健、可穿戴设备、消费电子、工业和物流等商业领域。

IDTechEx技术分析师Jack Howley博士认为,虽然力传感器市场已经建立并占据了主要收入份额,但其他印刷和柔性传感器技术在未来十年有望增长。从笔记本电脑到电动工具,印刷传感器在消费电子设备中的应用还会继续增长。

此外,大面积、轻量化传感使印刷和柔性传感器非常适合集成在汽车中,新兴应用包括电池健康监测和人机界面,如采用印刷传感器进行压力、力、气体和温度传感。具体而言,除了解锁全新的传感解决方案外,多功能印刷传感器正在迅速发展,以满足市场需求,对现有传感器行业具有颠覆性潜力。

印刷和柔性传感器市场大约有8种技术,包括压阻传感器和力传感器(FSR)、压电传感器、光电探测器、温度传感器、应变传感器、气体传感器、电容触摸传感器和可穿戴电极。制造印刷传感器的创新包括新兴的材料选择以及制造过程中的工艺技术,如可穿戴技术、柔性电子、可拉伸和保形电子、智能包装、导电油墨、纳米技术和电子纺织品等领域的现有专业知识。

多功能印刷传感器技术开启市场新机遇

印刷和柔性是传感器的一个子集,是使用溶液可加工功能油墨印刷在刚性或柔性基底上的传感器。因此,可以利用已有制造技术显著降低的大面积、大批量生产印刷传感器的成本。

结合印刷电子技术的多功能混合传感器正吸引着OEM的极大兴趣。印刷意味着传感层可以紧密地集成在一起,同时总体上保持较小的尺寸和强大的功能,使功能可以轻松组合,例如:使用触觉电容触摸和压阻传感触觉、力敏的笔记本电脑控制;使用温度和压阻式压力传感器的电池健康监测;使用OLED和光电探测器在智能手机显示屏上进行指纹识别。

Jack Howley博士表示:“协同结合互补的印刷电子技术创造了一个引人注目的价值主张,多功能印刷传感器正在引领许多已确定的商业化机会。”

近年来,汽车无疑是多功能印刷传感器的热门应用领域。受汽车电动化和自主化趋势的驱动,以及汽车保有量的增加,汽车行业有望继续实现印刷传感器的增长。

汽车制造商和Tier 1采用印刷传感器由来已久,除了座椅占用传感器,他们还在持续积极地参与开发用于热管理、电池健康监测以及用户控制和界面等应用的印刷传感解决方案。

结合多种相关功能(如双重传感、印刷加热)的印刷传感解决方案为汽车制造商提供了强大而引人注目的应用方案。这些技术越来越受欢迎,尤其是用于电动汽车电池热管理的印刷传感器/加热器。不过,其挑战仍然是与供应链中已有的产品竞争。

印刷传感器的新进展

印刷压阻传感器

从结构上看,印刷压阻传感器有分流和直通两种模式,分流模式测量水平电导率的变化,而直通模式测量垂直电导率的变化。


压阻式传感器原理

近年来,印刷传感器技术得到了快速发展,随着新材料和印刷电子技术的不断发展,印刷传感器的性能将持续提升。目前,印刷压阻传感器的研发集中在四大领域。

一是提高透明度。汽车控制台和消费品中的许多按钮均为背光,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传感器与显示器兼容,距离不受限制。

二是提高灵敏度。FSR传感器的问题之一是需要物理变形才能工作,无法在坚硬的玻璃屏幕下使用。如果传感器更灵敏,就可以检测到压力的微小变化,意味着可以用于更广泛的应用。

三是减少或消除漂移。FSR传感器的力/阻力曲线随时间漂移,需要使用软件重新校准。Sensitronics声称开发出了一种无漂移材料,但它对温度高度敏感,因此还不可用。漂移的消除将使FSR能够用于施加重复和长期压力的应用中。

四是提高R2R(批次)处理的一致性。FSR传感器对传感器厚度的不一致性高度敏感。由于片材被拉紧(在张力下)并被馈通,R2R工艺可能导致片材边缘和中心之间的厚度不同。随着产量增加,消除传感器片间的不均匀性非常重要。

从薄膜光电探测器(OPD)材料来看,OPD通常有三个不同的层。体异质结(BHJ)层是在光子吸收时产生光激发电荷载流子(电子和空穴)的光敏材料。BHJ层由电子提取层(EEL)和空穴传输层补充,这两种材料的导带能和价带能分别适用于有效的电子和空穴传输。

典型材料包括:

• 共轭聚合物,尤其是那些带隙较小的聚合物。

• 富勒烯衍生物(如PCBM),以及可能的非富勒烯受体。

• 透明导电材料,如ITO(铟锡金属氧化物)、银纳米线。

• 电子提取层,如ZnO(氧化锌)。

• 空穴提取层,如PEDOT(空穴注入层)/PSS(聚苯乙烯磺酸)

OPD所需的材料与OPV(有机光伏)所需的非常相似,因为器件架构基本相同。不同之处在于,需要选择特定材料和加工条件以优化不同参数。例如,提取层的阻挡作用对于OPD来说更为重要,并且不需要匹配半导体带隙来获取太阳光谱。相反,通常需要将灵敏度转移到更长的波长。

印刷光电探测器

印刷光电探测器通常由电介质弹性体(DE)组成。电介质材料是一种电绝缘体,当施加电场时会发生极化。由于材料是绝缘体,电荷不会在材料中流动,而是移动并导致极化。

电介质电活性聚合物(EAP)通常以夹在两个电极之间的电介质弹性体的形式来有效充当电容器。当通过拉伸或压缩材料将两个电极压在一起时,板间距减小,板面积增加,增加了电容。

压电材料是介电材料的一个子类,适用于光电探测器等应用。当压电材料被压缩时,在板上会产生电压。相反,在没有施加外部电压时,介电材料不会在板上产生电压。

印刷电容传感器的保形和曲面触摸传感应用正在兴起,目前在向透明导电膜(TCF)的替代应用转变。许多生产商正专注于ITO上印刷的TCF的价值主张,以实现涂覆在曲面上的大面积共形电容传感。

新兴传感的机会在于:人机界面(HMI)输入、交互式墙壁/表面、漏水检测;TCF的无感知机会在于,TCF涂层对非传感应用越来越有用,许多公司在探索将它与传感结合起来的应用,包括:印刷加热器、天线、EMI/EDS屏蔽。

可穿戴电极技术

目前大致有四种主要的可穿戴电极类型:湿电极、干电极、微针和电子皮肤。湿电极应用很普及,新兴的选择正在寻求扩展用例、减少布线需求、减少皮肤刺激、使其更加独立或时尚。

转向定制(通常为干电极)电极的一个突出优点是延长磨损时间。通过开发电极材料、粘合剂和整个器件结构,以实现更长的磨损时间。电极和互连是柔性和印刷电子产品的一个重要领域,高度柔性的基板和皮肤粘合剂也是器件的关键部分。

湿电极要在电极和皮肤之间使用凝胶(通常是水凝胶),以作为粘合剂并降低皮肤和电极之间的阻抗。通常,低阻抗可获得更好的信号质量;便宜(通常是一次性的)而易于实现;使用过程中磨损时间有限,保质期有限会变干;对某些皮肤类型或长期使用会引起皮肤刺激。

干电极是一种不太常见的替代解决方案,电极在没有凝胶层的情况下与皮肤直接接触,需要在信号质量和其他益处之间进行权衡,如更长的佩戴时间或更少的刺激。它可能延长磨损和储存时间,减少刺激,但电极和皮肤之间的阻抗会增加,可能导致信号质量较差。

环境气体传感器

IDTechEx预计,2034年气体传感器市场将达到95亿美元,复合年增长率6.6%。气体传感器的价值在于量化无形,使整个社会的基本健康和安全基础设施成为可能。其主要挑战在于如何展示智能家居、智能建筑、电动汽车和消费电子产品在新兴市场的价值和可操作性;新兴市场对灵敏度的要求更高,成本和功耗要求更低。

透明导电膜传感

现在,更薄、更坚固、更柔性的ITO薄膜正在夺走ITO玻璃的市场份额,其挑战是柔性有限、导电性差、不适合大面积使用。

CNT油墨的导电性

使用银纳米线/CNT(碳纳米管)混合材料可以获得优异性能,但CNT油墨很少单独用于导电性。而当其与混合材料中的银纳米线一起用于生产电容触膜、加热器和天线的透明导体时,便获得了应用吸引力;功能化CNT油墨(如化学或生物受体)也在传感方面获得了一些兴趣。即便如此,CNT最有前途的应用往往依赖于其热性能和结构性能,而不是电学性能。

写在最后

印刷传感器本身和采用的技术可谓五花八门,能够取代传统传感器实现各种各样的应用,或满足传统传感器无法实现的一些特殊要求。现在,印刷传感器的应用领域正在不断拓宽,从智能家居到医疗监护,从环保检测到消费电子设备,都展现出了广阔应用前景。

此外,印刷传感器的制造过程也更加环保和高效。与传统传感器制造方法相比,印刷传感器采用更环保的材料和工艺,降低了生产过程中的污染和能耗。同时,印刷传感器的制造过程也更加高效,可以实现大规模、低成本生产,为广泛应用提供了有力支持。

综上所述,印刷传感器在技术进步、应用拓展和环保制造等方面都取得了显著的进展。随着科技的不断发展,印刷传感器有望在更多领域发挥重要作用,为人类生活带来更多的便利和效益。

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