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

近日，IDTechEx發(fā)布新的報告，涵蓋了整個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。據(jù)IDTechEx預(yù)測，盡管連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）持續(xù)取代印刷葡萄糖測試條，但IDTechEx預(yù)測到2030年印刷傳感器市場將達到45億美元，因此，許多新的應(yīng)用和技術(shù)的興起推動了該市場的增長。

當(dāng)前，在這個多樣化的應(yīng)用空間中，一些傳感器由一個非常簡單的結(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。

每一個傳感器類別都試圖提供一個不同于現(xiàn)有技術(shù)的價值主張，并有一個使用印刷作為制造方法的特定動機。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報告全面評估了支撐每個印刷傳感器類別的技術(shù)，以及參與者、市場定位和商業(yè)前景。

印刷和柔性傳感器包括廣泛的技術(shù)和應(yīng)用，包括有機和混合光電探測器、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。本文將簡要回顧每種傳感器的支撐技術(shù)、市場前景。

一、混合圖像傳感器

混合圖像傳感器是一個特別有前途的類別。它們由有機半導(dǎo)體或印刷在硅讀出電路上的量子點的薄膜（幾百納米）組成。與現(xiàn)有的硅CMOS探測器相比，它們提供了三種不同的價值主張：可調(diào)諧的帶隙，可在更長的波長下實現(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，并促進更快速的采用。CMOS上的OPD技術(shù)即將在廣播攝像機中推出，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顯著提高性能。

二、大面積圖像傳感器

基于印刷有機光電二極管（OPDs）的大面積圖像傳感器是一項創(chuàng)新技術(shù)，它完全改變了傳統(tǒng)的CMOS圖像檢測技術(shù)，超越了其他大面積圖像傳感器技術(shù)的優(yōu)勢。這項技術(shù)有兩個相關(guān)的價值主張：與大面積a-Si圖像探測器不同，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別技術(shù)作為一種相對高價值的應(yīng)用，因此可以避免與CMOS競爭。在一個提議的應(yīng)用中，屏幕下的大面積圖像傳感器使4個指紋能夠同時成像，而現(xiàn)有技術(shù)要么成像單個手指，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)推動而不是制造商的需求驅(qū)動的。值得懷疑的是，這種功能是否比現(xiàn)有方法有足夠的優(yōu)勢來克服采用的入門障礙，尤其是在指紋識別必須與現(xiàn)有方法競爭的情況下。

三、壓阻傳感器

印刷壓阻力傳感器是一種長期的應(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、更高價值的應(yīng)用。

一個例子是3D觸摸面板，它可以測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別復(fù)雜的人機界面手勢。供應(yīng)商繼續(xù)瞄準(zhǔn)手機、電腦游戲和汽車內(nèi)飾。其他創(chuàng)新包括檢測接近度但需要用力驅(qū)動的混合電容/壓阻傳感器陣列、作為電動工具安全裝置的壓阻手柄，以及通過滾動進行加工制造。

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。此外，收入流可以隨著不同的產(chǎn)品周期而廣泛波動，需要非常積極地開發(fā)應(yīng)用程序管道。相對較低的技術(shù)復(fù)雜性也可能意味著進入壁壘和價值捕獲較低。這說服了一些人在價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，集成也不那么簡單。因此，制造商主要針對利用其獨特功能的應(yīng)用，特別是對高頻振動的敏感性。

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單的技術(shù)之間：價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現(xiàn)自供電傳感器。

在這些材料具有獨特性能的情況下，一個更好的價值主張是用于柔性高頻驅(qū)動器（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缺點的推動：靈活性有限，導(dǎo)電性有限，以及銦價格和供應(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，而精細特征線的混合或直接印刷的進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ITO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)商奉行的保護市場份額的主導(dǎo)戰(zhàn)略，以及此前銦價下跌的支撐，推動了市場的艱難整合。

盡管如此，這些替代品終于在柔性或3D形狀的物體、大面積多點觸控電容式觸摸屏上找到了市場，甚至在如今的低成本觸摸屏上也找到了市場。IDTechEx的這份報告包括對不同技術(shù)選擇的詳細的技術(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)分割的市場預(yù)測。

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。事實證明，基礎(chǔ)技術(shù)演示相對容易，但并不是每個供應(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)變傳感器一般不會取代現(xiàn)有的產(chǎn)品，這意味著需要開發(fā)全新的市場。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)并獲取更多價值，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)測方面的機會正在出現(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，這似乎提供了一個明確的價值主張。

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)測皮膚投訴。監(jiān)測電動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，可以通過多個熱敏電阻來實現(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半導(dǎo)體。多個性質(zhì)稍有不同的傳感器可以組合成一個“電子鼻”，它們的復(fù)合輸出對每個分析物顯示不同的“指紋”。

氣體傳感器已經(jīng)在許多工業(yè)環(huán)境中使用，并且隨著人們對空氣污染的擔(dān)憂增加，它可能會越來越多地被采用。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)致市場分散。另一個有前途的長期應(yīng)用，其中印刷氣體傳感器提供獨特的能力，是直接印刷到食品包裝上，以測量食品降解。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，主要由葡萄糖測試條構(gòu)成，年需求量達數(shù)十億。然而，由于采用方便的連續(xù)血糖監(jiān)測，使用量正在逐漸下降，這一趨勢將繼續(xù)增長。與此同時，由于監(jiān)管者試圖控制測試價格，削弱了利潤率，出現(xiàn)了巨大的價格壓力和商品化。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金屬扣件和一個電解凝膠組成，但這些扣件只能在短時間內(nèi)使用。為了持續(xù)監(jiān)測，印刷電極正逐漸被應(yīng)用到皮膚貼片中，因為它們使用時間更長，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)測心率。隨著用于連續(xù)監(jiān)測的軟件的發(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者關(guān)注的問題。

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