未来十年即将爆火的10大新兴印刷和柔性传感器技术

据IDTechEx预测,到2030年印刷和柔性传感器市场将达到45亿美元,许多新的应用和技术的兴起推动了该市场的增长。

  当被要求描绘一个你知道的印刷传感器时,你很可能会想象一个用于测量血糖浓度的测试条,毕竟,这种测试条占据了印刷传感器市场的大部分,全世界糖尿病患者每年使用数十亿条这种测试条。然而,这种无处不在的应用程序掩盖了一个高度复杂、支离破碎、在某些情况下迅速增长的市场,其应用范围从图像传感到可穿戴电极。

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  近日,IDTechEx发布新的报告,涵盖了整个印刷和柔性传感器领域,总的来说,印刷传感器构成了最大的印刷电子市场。据IDTechEx预测,尽管连续血糖监测(CGM)持续取代印刷葡萄糖测试条,但IDTechEx预测到2030年印刷传感器市场将达到45亿美元,因此,许多新的应用和技术的兴起推动了该市场的增长。

  当前,在这个多样化的应用空间中,一些传感器由一个非常简单的结构组成,只有几层,而其他传感器则要复杂得多,需要沉积多层和复杂的创新材料。有些传感器采用逐张丝网印刷,而另一些传感器则采用连续的逐卷印刷。大多数是在低成本的柔性大面积基板上,但也有一些是在CMOS器件或各种纺织基板上发现的。

  每一个传感器类别都试图提供一个不同于现有技术的价值主张,并有一个使用印刷作为制造方法的特定动机。此外,在走向广泛采用的道路上,每种技术和商业都面临着不同的挑战。新的IDTechEx报告全面评估了支撑每个印刷传感器类别的技术,以及参与者、市场定位和商业前景。

  印刷和柔性传感器包括广泛的技术和应用,包括有机和混合光电探测器、压阻和压电压力传感器、可伸缩应变传感器、温度传感器、皮肤贴片印刷电极、生物传感器、气体传感器、湿度传感器,电容式触摸传感器的ITO替代品。本文将简要回顾每种传感器的支撑技术、市场前景。

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  一、混合图像传感器

  混合图像传感器是一个特别有前途的类别。它们由有机半导体或印刷在硅读出电路上的量子点的薄膜(几百纳米)组成。与现有的硅CMOS探测器相比,它们提供了三种不同的价值主张:可调谐的带隙,可在更长的波长下实现NIR和SWIR成像;电压依赖的灵敏度,使空间可变的中性密度滤波器成为可能;更快速的电荷收集,使之更易于实现全局而不是卷帘式快门。

  关键的是,混合图像传感器可以使用重新调整用途的CMOS线制造,大大降低了资金要求,并促进更快速的采用。CMOS上的OPD技术即将在广播摄像机中推出,而CMOS上的QD技术已经在商业上可用,并且随着材料的热稳定性和光通量稳定性,将过渡到更高功率的室外应用。因此,该技术可以从室内微光检测转移到室外应用,例如用于自主车辆的SWIR成像。

  这种颠覆性的混合方法满足了真正的市场需求,表明将可打印的功能材料与标准技术和制造方法相结合,可以在降低采用门槛的同时显著提高性能。

  二、大面积图像传感器

  基于印刷有机光电二极管(OPDs)的大面积图像传感器是一项创新技术,它完全改变了传统的CMOS图像检测技术,超越了其他大面积图像传感器技术的优势。这项技术有两个相关的价值主张:与大面积a-Si图像探测器不同,它灵活轻便,并且原则上可以使用连续制造方法以低成本快速打印。

  但是,如今大面积图像传感器的制造商很少,这些制造商主要将生物识别技术作为一种相对高价值的应用,因此可以避免与CMOS竞争。在一个提议的应用中,屏幕下的大面积图像传感器使4个指纹能够同时成像,而现有技术要么成像单个手指,要么需要复杂的光学系统成像大面积。

  虽然技术上令人印象深刻,但大面积图像传感似乎主要是由技术推动而不是制造商的需求驱动的。值得怀疑的是,这种功能是否比现有方法有足够的优势来克服采用的入门障碍,尤其是在指纹识别必须与现有方法竞争的情况下。

  三、压阻传感器

  印刷压阻力传感器是一种长期的应用,广泛应用于汽车传感器、乐器、工业设备和一些医疗设备中。虽然这些市场有些商品化,但该行业正在创新,以获得新的、差异化的、更高价值的应用。

  一个例子是3D触摸面板,它可以测量作为功能位置的作用力,从而比现有的电容式触摸面板能够识别复杂的人机界面手势。供应商继续瞄准手机、电脑游戏和汽车内饰。其他创新包括检测接近度但需要用力驱动的混合电容/压阻传感器阵列、作为电动工具安全装置的压阻手柄,以及通过滚动进行加工制造。

  区分压阻传感器的挑战在于,许多应用不需要复杂的功能,如3D触摸或接近感测。此外,收入流可以随着不同的产品周期而广泛波动,需要非常积极地开发应用程序管道。相对较低的技术复杂性也可能意味着进入壁垒和价值捕获较低。这说服了一些人在价值链中向更高的方向发展,提供了完全集成的解决方案。

  四、压电传感器

  压电传感器产生的电压是对外力的响应,而不是改变其电阻。与压阻传感器一样,它们也可用于力传感,但制造成本更高,集成也不那么简单。因此,制造商主要针对利用其独特功能的应用,特别是对高频振动的敏感性。

  当前的印刷和柔性传感器中,涵盖了两种可印刷压电材料:聚合物和含无机物的复合材料。前者在商业上有了更大的发展,但两者仍在发展中。印刷压电传感器的商业困难在于,它们的性能介于两种简单的技术之间:价格合理的压阻式压力传感器和敏感的刚性陶瓷压电传感器。因此,压电传感应用相当小众,除非能量收集的技术准备水平显着提高以实现自供电传感器。

  在这些材料具有独特性能的情况下,一个更好的价值主张是用于柔性高频驱动器(即用于医疗治疗的可穿戴超声发生器)。

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  五、电容式触摸的ITO替代品

  长期以来,ITO(Indium Tin Oxides:氧化物半导体-氧化铟锡)替代品的开发一直受到ITO缺点的推动:灵活性有限,导电性有限,以及铟价格和供应链的影响。新兴的替代品包括银纳米线、碳纳米管和各种形式的金属网膜。这些替代品提供了较低的板材阻力,较高的灵活性,有时甚至是三维成型应用的可拉伸性。

  有趣的是,更多的替代品被印刷,或解决方案处理。Ag纳米线和碳纳米管可以溶液涂覆,而精细特征线的混合或直接印刷的进展使得部分或完全印刷的金属网膜的线宽小于3um。

  尽管近20年来一直试图将其解封,但ITO仍然是目前用于触摸屏的透明导电材料。这种流离失所的部分原因受到诸如稳定性或雾度之类的技术问题的阻碍,特别是,ITO供应商奉行的保护市场份额的主导战略,以及此前铟价下跌的支撑,推动了市场的艰难整合。

  尽管如此,这些替代品终于在柔性或3D形状的物体、大面积多点触控电容式触摸屏上找到了市场,甚至在如今的低成本触摸屏上也找到了市场。IDTechEx的这份报告包括对不同技术选择的详细的技术和商业基准、应用路线图以及由Ag纳米线、碳纳米管、ITO膜和各种形式的混合或印刷金属网分割的市场预测。

  六、电容式应变传感器

  多年来,各种部分或完全印刷的可拉伸应变传感器已经开发和商业化。事实证明,基础技术演示相对容易,但并不是每个供应商都能以较低的成本成功过渡到大批量生产能力。

  主要的挑战是,柔性应变传感器一般不会取代现有的产品,这意味着需要开发全新的市场。为了应对这一挑战并获取更多价值,许多供应商提供垂直集成的“解决方案”。

  经过多年的发展,在工业位移传感、可穿戴电子设备和连续病人监测方面的机会正在出现。

  七、温度传感器

  印刷也可以用来制造温度传感器,使用硅纳米颗粒或碳纳米管的复合油墨。鉴于温度测量需要基于共形衬底的良好热接触传感器,这似乎提供了一个明确的价值主张。

  他们面临的主要挑战是成本低、重量轻,并且普遍采用非常成熟的解决方案,如热敏电阻和电阻式温度探测器。它们可以与柔性热导体一起部署,从而在一定程度上抵消了印刷温度传感器的价值主张。因此,它们最适合需要使用共形阵列的空间分辨率的应用,例如监测皮肤投诉。监测电动汽车电池的温度是另一种可能的应用,但这种应用尚未被广泛采用,可以通过多个热敏电阻来实现。

  八、气体和湿度传感器

  气体和湿度传感器也可以打印,虽然目前大多数是由陶瓷而不是有机材料制成。其中一些陶瓷被印刷成具有极高固化温度的“厚膜”,使它们与柔性基底不兼容。新兴的方法是基于功能化碳纳米管和其他有机半导体。多个性质稍有不同的传感器可以组合成一个“电子鼻”,它们的复合输出对每个分析物显示不同的“指纹”。

  气体传感器已经在许多工业环境中使用,并且随着人们对空气污染的担忧增加,它可能会越来越多地被采用。与某些行业不同,敏感度和分析物差异化的空间很大,导致市场分散。另一个有前途的长期应用,其中印刷气体传感器提供独特的能力,是直接印刷到食品包装上,以测量食品降解。然而,这可能需要开发柔性混合电子,通过持续制造,以及开发诸如柔性集成电路等使能技术,使这种能力具有成本效益。

  九、生物传感器

  按收入和产量计算,最大的印刷传感器类别是印刷生物传感器,主要由葡萄糖测试条构成,年需求量达数十亿。然而,由于采用方便的连续血糖监测,使用量正在逐渐下降,这一趋势将继续增长。与此同时,由于监管者试图控制测试价格,削弱了利润率,出现了巨大的价格压力和商品化。尽管如此,这仍然是印刷和灵活传感器领域最大的业务量和收入。重要的是,印刷生物传感器不局限于葡萄糖传感,一系列其他传感器正在出现。

  十、可穿戴电极

  如今,大多数中间电极都是由一个金属扣件和一个电解凝胶组成,但这些扣件只能在短时间内使用。为了持续监测,印刷电极正逐渐被应用到皮肤贴片中,因为它们使用时间更长,可以与导电互连(也可以印刷)一起集成到产品中,并且具有灵活性。可穿戴电极也非常适合健身环境,并已集成到电子纺织品中,以舒适的方式监测心率。随着用于连续监测的软件的发展,印刷可穿戴电极的医疗和健身应用可能会增加,从而产生更大的需求,尽管电子纺织品的耐用性仍然是消费者关注的问题。

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