印刷圖像傳感器技術(shù)成熟度現(xiàn)狀

英國知名研究公司IDTechEx在新興的印刷電子市場積累了十多年的研究，并在2012年，發(fā)布了第一份印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場研究報告。從那時起，IDTechEx一直在密切關(guān)注印刷和柔性傳感器領(lǐng)域的發(fā)展，與全球主要市場參與者保持緊密聯(lián)系，定期組織規(guī)模最大的全球貿(mào)易展會，推出了眾多咨詢項目，并舉辦了有關(guān)這一主題的系列培訓(xùn)課程和研討會。有基于此，IDTechEx對印刷和柔性傳感器領(lǐng)域的理解深度和廣度是無與倫比的。

在本報告中，IDTechEx對印刷和柔性傳感器的各種底層技術(shù)和應(yīng)用進行了全面的概述，主要包括：有機和混合光電探測器、壓阻和壓電壓力傳感器、可拉伸應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、皮膚貼片印刷電極、生物傳感器、電容式觸摸傳感器氧化銦錫（ITO）替代產(chǎn)品等。通過分析該領(lǐng)域50多家主要廠商，IDTechEx總結(jié)了每項技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用前景及挑戰(zhàn)，并提供了涵蓋所有印刷傳感器類型、技術(shù)和應(yīng)用的細分市場預(yù)測。

各種印刷和柔性傳感器示例

印刷和柔性傳感器構(gòu)成了最大的印刷電子市場。根據(jù)IDTechEx預(yù)測，到2030年，全印刷傳感器的市場規(guī)模將增長至45億美元。盡管，目前市場最大的葡萄糖檢測試紙正逐漸被連續(xù)葡萄糖監(jiān)測（CGM）方案替代，但是，很多新應(yīng)用和技術(shù)的興起仍將推動印刷和柔性傳感器市場持續(xù)增長。

印刷傳感器市場非常復(fù)雜且碎片化。有些印刷傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡單，而有些傳感器則要復(fù)雜得多，需要多層沉積和復(fù)雜的創(chuàng)新材料。有些傳感器采用傳統(tǒng)批量單張式絲網(wǎng)印刷，而另一些傳感器則采用連續(xù)的卷對卷印刷。大部分印刷傳感器基于低成本的柔性大尺寸基板，也有些基于CMOS器件或各種電子織物。

本研究報告覆蓋了整個印刷和柔性傳感器領(lǐng)域，具體包括：

● 大面積圖像傳感器

● QD/Organic-on-CMOS混合圖像傳感器

● 用于SWIR成像的混合傳感器

● 壓阻式傳感器

● 壓電式傳感器

● 溫度傳感器

● 電容式應(yīng)變傳感器

● 電容式觸摸傳感器ITO替代產(chǎn)品

● 氣體和濕度傳感器

● 生物傳感器

● 電子皮膚貼片和電子織物印刷電極等

此外，本報告還討論了印刷傳感器在新興的柔性混合電子技術(shù)中的整合，包括印刷和非印刷的組件。

新興應(yīng)用中的增長

印刷傳感器涵蓋了從圖像傳感器到可穿戴電極等多種技術(shù)和應(yīng)用。每類傳感器都尋求提供一種不同于現(xiàn)有技術(shù)的價值主張，用印刷來實現(xiàn)產(chǎn)品制造。在走向廣泛應(yīng)用的過程中，它們都在技術(shù)和商業(yè)化方面面臨著不同的挑戰(zhàn)。

生物傳感器

從營收和規(guī)模來看，最大的印刷傳感器類型是印刷生物傳感器，主要由葡萄糖檢測試紙主導(dǎo)，年需求量達數(shù)十億規(guī)模。然而，更方便的連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）越來越受歡迎，葡萄糖檢測試紙的使用量正在逐漸下降，并且，這一趨勢還將繼續(xù)。與此同時，監(jiān)管部門還一直在控制測試條的價格，消減了利潤率，從而帶來了巨大的價格和商品化壓力。盡管如此，這仍然是印刷和柔性傳感器領(lǐng)域規(guī)模和營收最大的業(yè)務(wù)。重要的是，印刷生物傳感器不局限于葡萄糖檢測，其它一系列生物傳感器正在興起。

印刷生物傳感器領(lǐng)先廠商對比（部分）

連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）主要廠商對比（樣刊模糊化）

可穿戴電極

目前，大多數(shù)內(nèi)側(cè)電極都是由一個金屬扣件和電解凝膠組成，但這種產(chǎn)品只能短期使用。對于連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用，印刷電極由于可以使用的時間更長，正逐漸被應(yīng)用到各種電子皮膚貼片中，與導(dǎo)電互連器件（也可以印刷）一起集成到產(chǎn)品中，提供柔性?？纱┐麟姌O也非常適合健身場景，現(xiàn)在已經(jīng)集成到電子織物中，以更舒適的方式監(jiān)測用戶的心率。隨著持續(xù)監(jiān)測相關(guān)軟件的發(fā)展，印刷可穿戴電極的醫(yī)療和健身應(yīng)用將持續(xù)增長，從而帶來旺盛的市場需求。當(dāng)然，電子織物的耐用性仍然是消費者關(guān)注的問題。

參考報告：

《電子皮膚貼片技術(shù)及市場趨勢-2019版》

《醫(yī)療柔性電子技術(shù)及市場趨勢-2020版》

混合圖像傳感器

混合圖像傳感器是一種前景特別突出的印刷傳感器，它們由印刷在硅讀出電路上的有機半導(dǎo)體或量子點薄膜（幾百納米）組成。與現(xiàn)有的硅CMOS探測器相比，它們提供了三種獨特的價值主張：可調(diào)諧的帶隙，可在更寬的波長范圍實現(xiàn)NIR和SWIR成像；電壓依賴性靈敏度，可實現(xiàn)空間可變的中性密度濾波片；快速的電荷收集，使之更易于實現(xiàn)全局快門。

關(guān)鍵的是，現(xiàn)有的CMOS產(chǎn)線經(jīng)過重新調(diào)整就可以用于制造混合圖像傳感器，大大降低了資金投入需求，加速了產(chǎn)品導(dǎo)入。OPD-on-CMOS技術(shù)即將在廣播電視攝像機中應(yīng)用，而QD-on-CMOS技術(shù)已經(jīng)在市場上銷售，隨著材料系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和光通量穩(wěn)定性的發(fā)展，它們還將進一步向戶外應(yīng)用滲透。例如，用于自動駕駛車輛的SWIR成像。

印刷圖像傳感器技術(shù)成熟度現(xiàn)狀（樣刊模糊化）

這種突破性的混合方案可以滿足真正的市場需求，將印刷功能材料與標(biāo)準(zhǔn)工藝和制造方法相結(jié)合，可以在降低應(yīng)用門檻的同時顯著提高性能。要了解所有技術(shù)選擇以及當(dāng)前的商業(yè)化環(huán)境和未來趨勢，以及這個令人興奮且快速發(fā)展的細分領(lǐng)域中的應(yīng)用，更多詳情請參閱本報告。

大面積圖像傳感器

基于印刷有機光電二極管（OPD）的大面積圖像傳感器是一項創(chuàng)新技術(shù)，它革新了傳統(tǒng)的CMOS圖像感測技術(shù)，超越了其它大面積圖像傳感器技術(shù)所能提供的特性。這項技術(shù)提供了兩個相關(guān)的價值主張：與大面積a-Si圖像探測器不同，它柔性且輕質(zhì)，可以采用連續(xù)制造方法低成本快速印刷。

不過，現(xiàn)在制造商很少，而且它們主要將生物識別傳感作為一種相對高價值的應(yīng)用，從而避免與CMOS競爭。例如，在一種提出的應(yīng)用中，屏下大面積圖像傳感器可以同時對4個指紋成像，而現(xiàn)有技術(shù)要么只能對單個手指成像，要么需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)大面積成像。

雖然技術(shù)上是很喜人，但這種大面積圖像傳感似乎主要是由技術(shù)驅(qū)動，而不是制造商的需求所驅(qū)動。值得商榷的是，這種性能相比現(xiàn)有方法是否具備足夠的優(yōu)勢來推動產(chǎn)品導(dǎo)入，尤其是指紋識別必須與現(xiàn)有方案競爭。

本報告概述了該技術(shù)的現(xiàn)狀及未來趨勢，應(yīng)用發(fā)展路線圖，以及每種應(yīng)用的相關(guān)市場。

壓阻傳感器

印刷壓阻式力傳感器應(yīng)用已經(jīng)有一定的歷史，如今已廣泛應(yīng)用于汽車乘員傳感器、樂器、工業(yè)設(shè)備和一些醫(yī)療設(shè)備。雖然在這些市場已經(jīng)商品化，但這些行業(yè)仍正在通過創(chuàng)新以獲得新的、差異化的、更高價值的應(yīng)用。

例如3D觸摸面板，它可以測量施加的力作為功能位置，相比現(xiàn)有電容式觸摸面板，識別更復(fù)雜的人機界面手勢。供應(yīng)商將繼續(xù)瞄準(zhǔn)智能手機、電腦游戲和汽車內(nèi)飾等應(yīng)用。其它創(chuàng)新包括：能夠檢測接近但仍需施力驅(qū)動的混合電容/壓阻傳感器陣列，用于電動工具安全裝置的壓阻傳感手柄，以及通過卷對卷工藝進行制造等。

印刷壓阻傳感器應(yīng)用路線圖（樣刊模糊化）

差異化壓阻式傳感器的挑戰(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，營收可能會隨著各種產(chǎn)品周期而大幅波動，因而需要非常積極地應(yīng)用發(fā)展布局。技術(shù)復(fù)雜性相對較低，也可能意味著進入壁壘和獲取價值的障礙較低。這使一些廠商向價值鏈上游走得更高，提供完全集成的解決方案。

壓電傳感器

壓電傳感器跟壓阻傳感器不同，它在一定方向上受到外力作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。而與壓阻傳感器一樣，壓電傳感器也可以用于力傳感，但它們的制造成本更高，集成也不那么簡單。因此，制造商主要瞄準(zhǔn)利用其獨特功能的應(yīng)用，尤其是對高頻振動的敏感性。

在本報告中，IDTechEx調(diào)研了兩種可印刷的壓電材料：聚合物和無機復(fù)合材料。前者商業(yè)應(yīng)用更廣，但兩者都仍在發(fā)展中。印刷壓電傳感器的商業(yè)化難點在于，它們的性能介于兩種簡單的成熟技術(shù)之間：價格合理的壓阻式壓力傳感器，和靈敏的剛性陶瓷壓電傳感器。因此，印刷壓電傳感應(yīng)用仍處于利基階段，除非能量收集技術(shù)成熟度顯著提高以實現(xiàn)自供電傳感器。

印刷壓電傳感器SWOT分析（樣刊模糊化）

針對這種材料的獨特性能，更好的價值主張可能在于柔性高頻驅(qū)動器，即應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的可穿戴超聲發(fā)生器。欲了解更多有關(guān)壓電傳感器的技術(shù)、廠商及市場信息，請參閱本報告。

電容應(yīng)變傳感器

多年來，已經(jīng)開發(fā)出各種部分或完全印刷的可拉伸應(yīng)變傳感器，并實現(xiàn)商業(yè)化。事實證明，基礎(chǔ)技術(shù)的驗證相對容易，但并不是所有供應(yīng)商都有能力以低成本實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

主要的挑戰(zhàn)在于，柔性應(yīng)變傳感器一般不會取代現(xiàn)有的產(chǎn)品，而是需要開發(fā)全新的市場。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)并獲取更多價值，很多供應(yīng)商提供了垂直集成的“解決方案”。

經(jīng)過多年的發(fā)展，如今，工業(yè)位移傳感、可穿戴電子設(shè)備和病患連續(xù)監(jiān)測等領(lǐng)域的機遇正在興起。欲了解更多關(guān)于印刷電容應(yīng)變傳感器廠商、技術(shù)、應(yīng)用發(fā)展路線圖以及細分市場預(yù)測的信息，請參閱本報告。

溫度傳感器

溫度傳感器也可以采用包含硅納米顆粒或碳納米管的復(fù)合油墨來印刷制造。鑒于溫度測量需要良好的熱接觸，基于共形襯底的印刷溫度傳感器似乎提供了明確的價值主張。

印刷溫度傳感器面對的挑戰(zhàn)主要來自成本低、重量輕且普遍成熟的解決方案，例如熱敏電阻和電阻式溫度傳感器。這些傳感器可以與柔性熱導(dǎo)體一起應(yīng)用，從而在一定程度上抵消了印刷溫度傳感器的優(yōu)勢。因此，印刷溫度傳感器最適合采用共形陣列要求空間分辨率的應(yīng)用，例如監(jiān)測皮膚舒適度等。電動汽車電池的溫度監(jiān)測是另一種可能的應(yīng)用，不過，這也可以通過多個熱敏電阻來實現(xiàn)。

氣體和濕度傳感器

氣體和濕度傳感器也可以印刷，不過目前大多由陶瓷而不是有機材料制成。其中，有些陶瓷被印刷成具有極高固化溫度的“厚膜”，使其無法與柔性基底兼容。新興的方法是基于功能化碳納米管和其它有機半導(dǎo)體?？梢詫⒍鄠€特性略有差異的傳感器組合在一起，形成一個“電子鼻”，對每種分析物顯示出不同的“指紋”特征。

印刷氣體傳感器價值鏈（樣刊模糊化）

氣體傳感器已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并且，隨著人們對空氣污染的關(guān)注和擔(dān)憂，氣體傳感器的應(yīng)用會持續(xù)增長。與其它細分領(lǐng)域不同，氣體傳感器的靈敏度和分析物的差異化很大，導(dǎo)致這個市場非常碎片化。根據(jù)印刷氣體傳感器的獨特性能，另一種有前景的長期應(yīng)用，是將氣體傳感器直接印刷在食品包裝上，測量食品的降解。不過，這可能需要開發(fā)柔性混合電子以及柔性IC等使能技術(shù)，通過連續(xù)制造，使其具有成本效益。

參考報告：

《柔性混合電子（FHE）：應(yīng)用、挑戰(zhàn)及創(chuàng)新趨勢-2020版》

2020年~2030年針對每種細分應(yīng)用的10年期市場預(yù)測（樣刊模糊化）

IDTechEx在這份綜合報告中非常詳細地討論了每一種印刷傳感器，分別評估了不同的技術(shù)方案和應(yīng)用挑戰(zhàn)。IDTechEx還針對每種技術(shù)和細分應(yīng)用提供了10年期市場預(yù)測。
責(zé)任編輯:pj