應(yīng)用于印刷電子市場(chǎng)的十大傳感器的支撐技術(shù)和商業(yè)前景

當(dāng)被要求描繪一個(gè)你知道的印刷傳感器時(shí)，你很可能會(huì)想象一個(gè)用于測(cè)量血糖濃度的測(cè)試條，畢竟，這種測(cè)試條占據(jù)了印刷傳感器市場(chǎng)的大部分，全世界糖尿病患者每年使用數(shù)十億條這種測(cè)試條。然而，這種無處不在的應(yīng)用程序掩蓋了一個(gè)高度復(fù)雜、支離破碎、在某些情況下迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)，其應(yīng)用范圍從圖像傳感到可穿戴電極。

近日，IDTechEx發(fā)布新的報(bào)告，涵蓋了整個(gè)印刷和柔性傳感器領(lǐng)域，總的來說，印刷傳感器構(gòu)成了最大的印刷電子市場(chǎng)。據(jù)IDTechEx預(yù)測(cè)，盡管連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)（CGM）持續(xù)取代印刷葡萄糖測(cè)試條，但I(xiàn)DTechEx預(yù)測(cè)到2030年印刷傳感器市場(chǎng)將達(dá)到45億美元，因此，許多新的應(yīng)用和技術(shù)的興起推動(dòng)了該市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

當(dāng)前，在這個(gè)多樣化的應(yīng)用空間中，一些傳感器由一個(gè)非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)組成，只有幾層，而其他傳感器則要復(fù)雜得多，需要沉積多層和復(fù)雜的創(chuàng)新材料。有些傳感器采用逐張絲網(wǎng)印刷，而另一些傳感器則采用連續(xù)的逐卷印刷。大多數(shù)是在低成本的柔性大面積基板上，但也有一些是在CMOS器件或各種紡織基板上發(fā)現(xiàn)的。

每一個(gè)傳感器類別都試圖提供一個(gè)不同于現(xiàn)有技術(shù)的價(jià)值主張，并有一個(gè)使用印刷作為制造方法的特定動(dòng)機(jī)。此外，在走向廣泛采用的道路上，每種技術(shù)和商業(yè)都面臨著不同的挑戰(zhàn)。新的IDTechEx報(bào)告全面評(píng)估了支撐每個(gè)印刷傳感器類別的技術(shù)，以及參與者、市場(chǎng)定位和商業(yè)前景。

印刷和柔性傳感器包括廣泛的技術(shù)和應(yīng)用，包括有機(jī)和混合光電探測(cè)器、壓阻和壓電壓力傳感器、可伸縮應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、皮膚貼片印刷電極、生物傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器，電容式觸摸傳感器的ITO替代品。本文將簡(jiǎn)要回顧每種傳感器的支撐技術(shù)、市場(chǎng)前景。

一、混合圖像傳感器

混合圖像傳感器是一個(gè)特別有前途的類別。它們由有機(jī)半導(dǎo)體或印刷在硅讀出電路上的量子點(diǎn)的薄膜（幾百納米）組成。與現(xiàn)有的硅CMOS探測(cè)器相比，它們提供了三種不同的價(jià)值主張：可調(diào)諧的帶隙，可在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)NIR和SWIR成像；電壓依賴的靈敏度，使空間可變的中性密度濾波器成為可能；更快速的電荷收集，使之更易于實(shí)現(xiàn)全局而不是卷簾式快門。

關(guān)鍵的是，混合圖像傳感器可以使用重新調(diào)整用途的CMOS線制造，大大降低了資金要求，并促進(jìn)更快速的采用。CMOS上的OPD技術(shù)即將在廣播攝像機(jī)中推出，而CMOS上的QD技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)上可用，并且隨著材料的熱穩(wěn)定性和光通量穩(wěn)定性，將過渡到更高功率的室外應(yīng)用。因此，該技術(shù)可以從室內(nèi)微光檢測(cè)轉(zhuǎn)移到室外應(yīng)用，例如用于自主車輛的SWIR成像。

這種顛覆性的混合方法滿足了真正的市場(chǎng)需求，表明將可打印的功能材料與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和制造方法相結(jié)合，可以在降低采用門檻的同時(shí)顯著提高性能。

二、大面積圖像傳感器

基于印刷有機(jī)光電二極管（OPDs）的大面積圖像傳感器是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，它完全改變了傳統(tǒng)的CMOS圖像檢測(cè)技術(shù)，超越了其他大面積圖像傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)有兩個(gè)相關(guān)的價(jià)值主張：與大面積a-Si圖像探測(cè)器不同，它靈活輕便，并且原則上可以使用連續(xù)制造方法以低成本快速打印。

但是，如今大面積圖像傳感器的制造商很少，這些制造商主要將生物識(shí)別技術(shù)作為一種相對(duì)高價(jià)值的應(yīng)用，因此可以避免與CMOS競(jìng)爭(zhēng)。在一個(gè)提議的應(yīng)用中，屏幕下的大面積圖像傳感器使4個(gè)指紋能夠同時(shí)成像，而現(xiàn)有技術(shù)要么成像單個(gè)手指，要么需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)成像大面積。

雖然技術(shù)上令人印象深刻，但大面積圖像傳感似乎主要是由技術(shù)推動(dòng)而不是制造商的需求驅(qū)動(dòng)的。值得懷疑的是，這種功能是否比現(xiàn)有方法有足夠的優(yōu)勢(shì)來克服采用的入門障礙，尤其是在指紋識(shí)別必須與現(xiàn)有方法競(jìng)爭(zhēng)的情況下。

三、壓阻傳感器

印刷壓阻力傳感器是一種長(zhǎng)期的應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于汽車傳感器、樂器、工業(yè)設(shè)備和一些醫(yī)療設(shè)備中。雖然這些市場(chǎng)有些商品化，但該行業(yè)正在創(chuàng)新，以獲得新的、差異化的、更高價(jià)值的應(yīng)用。

一個(gè)例子是3D觸摸面板，它可以測(cè)量作為功能位置的作用力，從而比現(xiàn)有的電容式觸摸面板能夠識(shí)別復(fù)雜的人機(jī)界面手勢(shì)。供應(yīng)商繼續(xù)瞄準(zhǔn)手機(jī)、電腦游戲和汽車內(nèi)飾。其他創(chuàng)新包括檢測(cè)接近度但需要用力驅(qū)動(dòng)的混合電容/壓阻傳感器陣列、作為電動(dòng)工具安全裝置的壓阻手柄，以及通過滾動(dòng)進(jìn)行加工制造。

區(qū)分壓阻傳感器的挑戰(zhàn)在于，許多應(yīng)用不需要復(fù)雜的功能，如3D觸摸或接近感測(cè)。此外，收入流可以隨著不同的產(chǎn)品周期而廣泛波動(dòng)，需要非常積極地開發(fā)應(yīng)用程序管道。相對(duì)較低的技術(shù)復(fù)雜性也可能意味著進(jìn)入壁壘和價(jià)值捕獲較低。這說服了一些人在價(jià)值鏈中向更高的方向發(fā)展，提供了完全集成的解決方案。

四、壓電傳感器

壓電傳感器產(chǎn)生的電壓是對(duì)外力的響應(yīng)，而不是改變其電阻。與壓阻傳感器一樣，它們也可用于力傳感，但制造成本更高，集成也不那么簡(jiǎn)單。因此，制造商主要針對(duì)利用其獨(dú)特功能的應(yīng)用，特別是對(duì)高頻振動(dòng)的敏感性。

當(dāng)前的印刷和柔性傳感器中，涵蓋了兩種可印刷壓電材料：聚合物和含無機(jī)物的復(fù)合材料。前者在商業(yè)上有了更大的發(fā)展，但兩者仍在發(fā)展中。印刷壓電傳感器的商業(yè)困難在于，它們的性能介于兩種簡(jiǎn)單的技術(shù)之間：價(jià)格合理的壓阻式壓力傳感器和敏感的剛性陶瓷壓電傳感器。因此，壓電傳感應(yīng)用相當(dāng)小眾，除非能量收集的技術(shù)準(zhǔn)備水平顯著提高以實(shí)現(xiàn)自供電傳感器。

在這些材料具有獨(dú)特性能的情況下，一個(gè)更好的價(jià)值主張是用于柔性高頻驅(qū)動(dòng)器（即用于醫(yī)療治療的可穿戴超聲發(fā)生器）。

五、電容式觸摸的ITO替代品

長(zhǎng)期以來，ITO（Indium Tin Oxides：氧化物半導(dǎo)體-氧化銦錫）替代品的開發(fā)一直受到ITO缺點(diǎn)的推動(dòng)：靈活性有限，導(dǎo)電性有限，以及銦價(jià)格和供應(yīng)鏈的影響。新興的替代品包括銀納米線、碳納米管和各種形式的金屬網(wǎng)膜。這些替代品提供了較低的板材阻力，較高的靈活性，有時(shí)甚至是三維成型應(yīng)用的可拉伸性。

有趣的是，更多的替代品被印刷，或解決方案處理。Ag納米線和碳納米管可以溶液涂覆，而精細(xì)特征線的混合或直接印刷的進(jìn)展使得部分或完全印刷的金屬網(wǎng)膜的線寬小于3um。

盡管近20年來一直試圖將其解封，但I(xiàn)TO仍然是目前用于觸摸屏的透明導(dǎo)電材料。這種流離失所的部分原因受到諸如穩(wěn)定性或霧度之類的技術(shù)問題的阻礙，特別是，ITO供應(yīng)商奉行的保護(hù)市場(chǎng)份額的主導(dǎo)戰(zhàn)略，以及此前銦價(jià)下跌的支撐，推動(dòng)了市場(chǎng)的艱難整合。

盡管如此，這些替代品終于在柔性或3D形狀的物體、大面積多點(diǎn)觸控電容式觸摸屏上找到了市場(chǎng)，甚至在如今的低成本觸摸屏上也找到了市場(chǎng)。IDTechEx的這份報(bào)告包括對(duì)不同技術(shù)選擇的詳細(xì)的技術(shù)和商業(yè)基準(zhǔn)、應(yīng)用路線圖以及由Ag納米線、碳納米管、ITO膜和各種形式的混合或印刷金屬網(wǎng)分割的市場(chǎng)預(yù)測(cè)。

六、電容式應(yīng)變傳感器

多年來，各種部分或完全印刷的可拉伸應(yīng)變傳感器已經(jīng)開發(fā)和商業(yè)化。事實(shí)證明，基礎(chǔ)技術(shù)演示相對(duì)容易，但并不是每個(gè)供應(yīng)商都能以較低的成本成功過渡到大批量生產(chǎn)能力。

主要的挑戰(zhàn)是，柔性應(yīng)變傳感器一般不會(huì)取代現(xiàn)有的產(chǎn)品，這意味著需要開發(fā)全新的市場(chǎng)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)并獲取更多價(jià)值，許多供應(yīng)商提供垂直集成的“解決方案”。

經(jīng)過多年的發(fā)展，在工業(yè)位移傳感、可穿戴電子設(shè)備和連續(xù)病人監(jiān)測(cè)方面的機(jī)會(huì)正在出現(xiàn)。

七、溫度傳感器

印刷也可以用來制造溫度傳感器，使用硅納米顆粒或碳納米管的復(fù)合油墨。鑒于溫度測(cè)量需要基于共形襯底的良好熱接觸傳感器，這似乎提供了一個(gè)明確的價(jià)值主張。

他們面臨的主要挑戰(zhàn)是成本低、重量輕，并且普遍采用非常成熟的解決方案，如熱敏電阻和電阻式溫度探測(cè)器。它們可以與柔性熱導(dǎo)體一起部署，從而在一定程度上抵消了印刷溫度傳感器的價(jià)值主張。因此，它們最適合需要使用共形陣列的空間分辨率的應(yīng)用，例如監(jiān)測(cè)皮膚投訴。監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車電池的溫度是另一種可能的應(yīng)用，但這種應(yīng)用尚未被廣泛采用，可以通過多個(gè)熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)。

八、氣體和濕度傳感器

氣體和濕度傳感器也可以打印，雖然目前大多數(shù)是由陶瓷而不是有機(jī)材料制成。其中一些陶瓷被印刷成具有極高固化溫度的“厚膜”，使它們與柔性基底不兼容。新興的方法是基于功能化碳納米管和其他有機(jī)半導(dǎo)體。多個(gè)性質(zhì)稍有不同的傳感器可以組合成一個(gè)“電子鼻”，它們的復(fù)合輸出對(duì)每個(gè)分析物顯示不同的“指紋”。

氣體傳感器已經(jīng)在許多工業(yè)環(huán)境中使用，并且隨著人們對(duì)空氣污染的擔(dān)憂增加，它可能會(huì)越來越多地被采用。與某些行業(yè)不同，敏感度和分析物差異化的空間很大，導(dǎo)致市場(chǎng)分散。另一個(gè)有前途的長(zhǎng)期應(yīng)用，其中印刷氣體傳感器提供獨(dú)特的能力，是直接印刷到食品包裝上，以測(cè)量食品降解。然而，這可能需要開發(fā)柔性混合電子，通過持續(xù)制造，以及開發(fā)諸如柔性集成電路等使能技術(shù)，使這種能力具有成本效益。

九、生物傳感器

按收入和產(chǎn)量計(jì)算，最大的印刷傳感器類別是印刷生物傳感器，主要由葡萄糖測(cè)試條構(gòu)成，年需求量達(dá)數(shù)十億。然而，由于采用方便的連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)，使用量正在逐漸下降，這一趨勢(shì)將繼續(xù)增長(zhǎng)。與此同時(shí)，由于監(jiān)管者試圖控制測(cè)試價(jià)格，削弱了利潤(rùn)率，出現(xiàn)了巨大的價(jià)格壓力和商品化。盡管如此，這仍然是印刷和靈活傳感器領(lǐng)域最大的業(yè)務(wù)量和收入。重要的是，印刷生物傳感器不局限于葡萄糖傳感，一系列其他傳感器正在出現(xiàn)。

十、可穿戴電極

如今，大多數(shù)中間電極都是由一個(gè)金屬扣件和一個(gè)電解凝膠組成，但這些扣件只能在短時(shí)間內(nèi)使用。為了持續(xù)監(jiān)測(cè)，印刷電極正逐漸被應(yīng)用到皮膚貼片中，因?yàn)樗鼈兪褂脮r(shí)間更長(zhǎng)，可以與導(dǎo)電互連（也可以印刷）一起集成到產(chǎn)品中，并且具有靈活性?？纱┐麟姌O也非常適合健身環(huán)境，并已集成到電子紡織品中，以舒適的方式監(jiān)測(cè)心率。隨著用于連續(xù)監(jiān)測(cè)的軟件的發(fā)展，印刷可穿戴電極的醫(yī)療和健身應(yīng)用可能會(huì)增加，從而產(chǎn)生更大的需求，盡管電子紡織品的耐用性仍然是消費(fèi)者關(guān)注的問題。

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