柔性印刷电子传感器

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美国柔性混合电子研究所NextFlex的执行总裁马克姆·汤普森说:“传感器应用的数量和多样性都有了巨大的增长,能够监控各种各样的物品。应用不仅限于我们都熟悉的体育和医学领域,还有结构监测器,测量管道、水坝和飞机机翼应力的传感器,乃至测量土壤含水量、化学物质、污染程度及评估农作物何时可以收割的农业传感器等。”

 

“传感器应用范围之大是惊人的。它们必须很便宜,便于大量生产,而且被设计成消耗品。它们基本上都是生物降解的,到期后需要重装,因此形成了一个巨大的商业模式。可以说传感器的应用潜力是无限的。”汤普森补充说。

 

欧莱雅公司是全球五大化妆品企业之一,2016的销售额约310亿美元,依靠公司的科技孵化器以及研发团队,欧莱雅一直为化妆品市场创造新产品。比如“我的UV贴”(MyUVPatch),实际上是一个可伸缩的皮肤传感器,用于监测紫外线吸收量。该新品是欧莱雅旗下的护肤品牌理肤泉(LaRooPasay')联合MC10公司开发的,理肤泉提供防晒霜,由擅长健康和生物医学黏合剂传感器制造的MC10公司提供超薄、可拉伸的黏合剂传感器。自2016年1月心形贴片推出以来,超过100万枚UV贴已经售出,主要来自于美国、法国、俄罗斯、澳大利亚和智利的消费群体的引领。

 

“我的UV贴”可提高消费者的阳光安全性指数。人们已意识到阳光对皮肤的影响,而贴片正是一种很好的监控皮肤的方法,但关键是怎样让它不那么显眼。欧莱雅科技孵化器的全球副总裁吉夫·巴洛克说:“我们需要设计一种不会干扰用户日常生活的可穿戴设备,它必须非常舒适、灵活和轻薄。大多数可穿戴物品都是日常穿戴服饰的附属品,有些不适用于所有的人体活动。关键在于创造一种像第二层皮肤一样的传感器,并且检测得高效准确,MC10公司协助我们实现了这一创新。”

 

波音技术研究所的研究员罗伯特·史密斯博士说,波音已经确定了许多应用空间可以使用集成了传感器的柔性印刷电子。“波音公司青睐柔性印刷电子的原因是,这种柔性材料更便于工厂安装,还可以增加其集成的传感器数量,更好地用于作数据收集服务和先进的产品健康监测。从工程学的角度来看,在安装测试期间从平台获取更多的数据很有意义。目前的局限在于传感器的分布方式,它需要物理位置的访问、电源和数据线,以及连接收集和处理数据的所有装置的大规模集成器。”

 

“柔性电子的出现,可以实现将功率、通信、处理和传感能力集成到单个柔性器件上。目前使用印刷方式生产传感器的可靠性和类型是有限的,但波音公司认为这是一个增长潜力巨大的领域,可以采用新的传感器结构,在新的模式、尺寸、重量和功率上进行数据收集。”史密斯博士补充说。

 

NovaCentrix公司市场营销副总裁斯坦·法斯沃说:“最近医学传感器应用领域有很大增长。许多公司来找我们,要么想了解如何应用这些技术来改进他们目前的传感器产品,要么希望与我们合作为新传感器应用导电油墨和UV固化油墨。汽车和航空航天等其他应用领域也在发展更广泛的传感器应用,以改善产品功能,带来更丰富的用户体验,或作大数据分析。柔性印刷电子传感器要进一步扩大应用领域,需要进行更有效的设计、生产,再加上智能化的物流管理、备件和维修中心的设置,以及更低的成本。”

 

太阳化学电子材料部全球市场总监罗伊·比约林观察到企业对生产传感器的兴趣已经急剧增加。“柔性印刷电子器件的基本原理和相关的性能,能够很好地推动传感器设计的新进展,包括用于消费者和医疗的可穿戴件。柔性电子的可成形性、可模塑性和可拉伸性等特性,再加上使用印刷方式生产,使这些高端材料产品的应用空间更广阔。”

 

Eastprint公司已经生产医学传感器很多年了,应用的数量正在以稳定的速度增长。Bebop传感器公司经过多年经验积累,为每种传感器应用筛选出最适合的印刷油墨类型,生产廉价可靠的柔性传感器。经过40多年的逐步发展,柔性印刷电子器件领域正在复兴,这在很大程度上是由于柔性、可伸缩织物传感器的应用扩大而推动的。

 

思卡尔技术公司总裁杰伊·泰勒说:“我们对灵活的传感器市场持乐观态度,但商业化路线尚不清楚,因为在这个领域有大量的初创企业。由于与时尚趋势相关的设计周期,用于主动磨损的可穿戴传感器可能更具挑战性,与服装无关的热传递电路可能最适合这一领域。我们对印刷传感器的市场非常乐观。”

 

市场上有很多耐人寻味的柔性印刷电子产品,而且越来越多。史密斯博士说:“波音公司已在利用FHE方法制造用于非金属和小型元件的微型柔性无源跟踪标签,以帮助在生产和维护操作期间检测和定位这些元件。FHE设计制造方法使得这种跟踪方法得以实现,这是其他方法无法实现的。使用这些FHE标签的系统目前正在评估中。”

 

印刷电子产品可大量定制,能给客户提供所需要的独特解决方案。采用印刷方式生产柔性电子,也使客户能够快速实现设计的改变,改善产品的形式和功能。一般只需几周的时间,就能实现从设计、打样到生产完成。

 

布鲁尔科技公司也看到了柔性印刷电子的巨大增长机会,在印刷电子产品和设备项目上作了大量投资。布鲁尔科技公司的InFlect系列包括柔性热敏电阻、湿度传感器和弯曲传感器等快速、轻便、低能耗的传感器。这些柔性传感器可用于不规则表面,也可用于以前传统刚性传感器无法检测的传感区域。布鲁尔科技公司目前正在研究用于环境监测的新气体(气体/VOC)和水(pH/离子传导率)。

 

NovaCentrix公司支持的加州大学伯克利分校安娜·阿里亚斯博士及其团队,开发了一种较传统电极更利于数据监控的柔性印刷EMG电极。这项工作面临的技术挑战之一是如何将柔性印刷电子技术与传统SMT和连接器技术无缝结合,这与FHE领域普遍存在的挑战是一致的。阿里亚斯博士还有一个有趣的项目是InkSpaceImaging项目。博士和她的团队发现,目前在临床检查中使用的MRI射频线圈,无论从舒适的角度,还是从准确性的角度来看,都不适宜儿童。因为目前MRI背心线圈阵列是为成人人体尺寸而设计的,即使为成人也不是一个尺寸的。因此阿里亚斯博士及其团队正在利用柔性印刷电子产品的生产能力,为儿童设计快速可周转的特定尺寸的线圈阵列。这种儿科线圈阵列采用友好的面料包装,并且被设计成适用于新生儿的小背心和适用于2~6岁儿童的小毯子,让受检查的孩子(和他们的家人)更舒适,并且由于尺寸更符合儿童形体,诊断的准确性也提高了。

 

Eastprint公司深度参与了模具电子(IME)和医用可穿戴贴片组件的研究,遗憾的是,公司签署的保密协议限制讨论这些研究。BeBop传感器公司副总裁汤姆·麦克米伦说:“BeBop的数据手套集合了柔性印刷电子技术的最新进展,它将每个关节处的弯曲传感器、每个手指之间的外展传感器和IMU(惯性测量单元)集成到一款低成本、可机洗、高度耐用的手套包里,轻便、灵活、适应各种尺寸,通过运用其核心织物传感技术来测量弯曲、伸展和压力,可以现时精确地映射人手的复杂运动。”

 

太阳化学公司收购Gwent电子材料公司以来,开发了许多有趣的医学和生物传感器应用研究,目前正在和一些公司合作设计用于病人护理、病人监测和诊断的传感器。研发团队正在努力提高导电油墨的性能,包括一系列先进的聚合物厚膜(PTF)银墨、金墨、铂金油墨、纳米材料和下一代金属材料等。太阳化学公司电子材料部与GGI解决方案和加拿大国家研究委员会合作开发新型银墨和铜墨,在成本、细线条表现力和表面平滑度等方面具有优势。太阳化学公司的纳米银墨技术也将在下一代传感器应用上令人瞩目。

 

NextFlex公司汤普森认为,柔性印刷电子将在医学监测领域有爆炸性的增长。目前几个已经开发的案例包括无线EKG技术、通过伤口的自动氧化加速恢复的伤口监测、生物流体监测以及用于提高运动成绩的水化监测传感器等。

 

柔性印刷电子的技术已经基本到位,更多的是需要确定商业模式,如何正确定价、正确定位设备,以便为大量生产做好准备。柔性印刷电子的市场是高度多样化的,不久的将来,它们将会成为人们日常生活中无所不在一部分,发挥着不可想象的巨大作用。

(本文刊载于《印刷杂志》2018年第10期)

2020年12月29日 10:06
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