《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
2021-09-16 07:40:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

Printed and Flexible Sensors 2022-2032

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据麦姆斯咨询介绍，印刷传感器是一项快速发展的技术，可提供低成本制造、柔性薄膜外形和大面积传感，使其适用于物联网（IoT）、工业4.0、连续健康监测等新兴应用。在本报告中，英国知名研究公司IDTechEx对印刷和柔性传感器的各种底层技术和应用进行了全面概述，主要包括：印刷薄膜光电探测器、压阻和压电传感器、可拉伸应变传感器、温度传感器、柔性可穿戴电极、生物传感器、电容式触摸传感器等。

印刷和柔性传感器构成了显示器之外最大的印刷电子产品市场。据IDTechEx预测，到2032年，全印刷传感器的市场规模将增长至49亿美元。尽管，目前市场最大的葡萄糖检测试纸正逐渐被连续葡萄糖监测（CGM）方案替代，但是，很多新应用和技术的兴起仍将推动印刷和柔性传感器市场持续增长。

本报告覆盖了整个印刷和柔性传感器领域，具体包括：
- 印刷压阻式传感器
- 印刷压电式传感器
- 印刷薄膜光电探测器
- 印刷温度传感器
- 印刷应变传感器
- 印刷电容触摸传感器
- 印刷气体和湿度传感器
- 印刷生物传感器
- 印刷柔性可穿戴电极

2022~2032年印刷和柔性传感器十年期市场预测（样刊模糊化）

此外，IDTechEx还对利用多种解决方案处理的多参数传感器进行了案例研究，这些传感器可以并行印刷或层压印刷。印刷传感器还需要读出组件以及天线和电源，因此IDTechEx在报告研究中还结合了新兴的柔性混合电子（FHE）制造方法。

印刷和柔性传感器示例

新兴应用持续增长

印刷传感器涵盖了从图像传感器到可穿戴电极等多种技术和应用。每类传感器都寻求提供一种不同于现有技术的价值主张，用印刷来实现产品制造。在走向广泛应用的过程中，它们都在技术和商业化方面面临着不同的挑战。

印刷和柔性传感器的广泛用例

尽管存在各种挑战，但更多驱动因素推动了多种类型印刷和柔性传感器的采用。最重要的是越来越多地部署物联网和工业4.0，因为它们需要无线连接的低成本隐蔽传感器组成的广泛网络。此外，得益于印刷和柔性传感器的薄膜外形和共形性，使其能够集成到更小的器件中，从而为设计人员提供更大的自由度以实现差异化和潜在的新用例。

印刷和柔性传感器SWOT分析

印刷薄膜光电探测器

基于印刷有机光电二极管（OPD）的大面积图像传感器是一项创新技术，它革新了传统的CMOS图像感测技术，超越了其它大面积图像传感器技术所能提供的特性。其关键价值主张，是能够以比现有方法经济得多的成本制造大面积传感器，同时提供柔性的薄膜外形。相比利用单个小型探测器检测光，对于生物特征数据捕捉以及通过皮肤成像，非常需要这种柔性大面积传感器。例如，在一种提出的应用中，屏下大面积图像传感器可以同时对4个指纹成像，而现有技术要么只能对单个手指成像，要么需要复杂的光学系统实现大面积成像。

更深入内容请参考IDTechEx最新发布的新兴图像传感器综合研究报告：
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》

薄膜光电探测器应用的技术要求

印刷压阻式传感器

印刷压阻式力传感器应用已经有一定的历史，如今已广泛应用于汽车乘员占用传感、乐器、工业设备和一些医疗设备。虽然在这些市场已经商品化，但这些行业仍正在通过创新以获得新的、差异化的、更高价值的应用。

例如3D触摸面板，它可以测量施加的力，相比现有电容式触摸面板，识别更复杂的人机界面手势。供应商将继续瞄准智能手机、电脑游戏和汽车内饰等应用。

差异化压阻式传感器的挑战在于，许多应用不需要复杂的功能，如3D触摸或接近感测。此外，营收可能会随着各种产品周期而大幅波动，因而需要非常积极地应用发展布局。技术复杂性相对较低，也可能意味着进入壁垒和获取价值的障碍较低。这使一些厂商向价值链上游走得更高，提供完全集成的解决方案。

印刷压电式传感器

压电式传感器跟压阻式传感器不同，它在一定方向上受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。而与压阻式传感器一样，压电式传感器也可以用于力传感，但它们的制造成本更高，集成也不那么简单。因此，制造商主要瞄准利用其独特功能的应用，尤其是对高频振动的敏感性。

印刷压电式传感器的商业化难点在于，它们的性能介于两种简单的成熟技术之间：（1）价格合理的压阻式压力传感器；（2）灵敏的刚性陶瓷压电式传感器。然而，薄膜压电传感器也有一些相对更理想的应用领域，如结构健康监测、工业状态监测、指纹识别等。

印刷电容触摸传感器

电容触摸传感器已经广泛应用于智能手机和平板电脑等消费及工业领域的透明触控传感。不过，就所采用的透明导电材料、大面积显示屏上的触摸性能，以及电容传感的替代应用（如泄漏检测和交互式表面）而言，电容触摸传感器仍有广阔的创新空间。

氧化铟锡（ITO）是目前占据主导地位的透明导电薄膜，但它仍存在很多缺点，例如，柔性有限、导电率与透明度有限，以及铟价格和供应链的影响等。新兴的溶液可加工替代品包括银纳米线、碳纳米管和印刷金属网。这些替代材料终于在柔性物体或三维形貌物体、大面积多点触摸电容屏、甚至是现在成本更低的触摸屏上找到了市场。电容式触摸传感器市场中的另一项重大创新是电流模式传感器读出，它既降低了透明导电膜的导电性要求，又显著提高了灵敏度。

印刷电容应变传感器

近年来，业界已经开发出各种部分或完全印刷的可拉伸应变传感器，并实现商业化。事实证明，基础技术的验证相对容易，但并不是所有供应商都有能力以低成本实现大批量生产。

主要的挑战在于，柔性应变传感器一般不会取代现有的产品，而是需要开发全新的市场。为了应对这一挑战并获取更多价值，很多供应商提供了垂直集成的解决方案。例如“智能手套”，相比摄像机它能够更精确地实时跟踪手和手指的运动，甚至可以结合触觉反馈用于训练目的。经过多年的发展，柔性应变传感器在工业位移传感、可穿戴电子和病患连续监测等领域的机遇正在兴起。

印刷温度传感器

温度传感器也可以采用包含硅纳米颗粒或碳纳米管的复合油墨来印刷制造。鉴于温度测量需要良好的热接触，基于共形衬底的印刷温度传感器显然提供了明显优势。

印刷温度传感器供应商概览

印刷温度传感器面对的挑战主要来自成本低、重量轻且普遍成熟的解决方案，例如热敏电阻和电阻式温度传感器。因此，印刷温度传感器最适合采用共形阵列要求空间分辨率的应用，例如监测皮肤舒适度等。电动汽车电池的温度监测是另一个非常有前景的应用，正受到越来越多的关注，其主要吸引力在于柔性温度传感器重量轻，且易于与各种外形的电池集成。

印刷气体和湿度传感器

气体和湿度传感器也可以印刷，不过目前大多由陶瓷而不是有机材料制成。其中，有些陶瓷被印刷成具有极高固化温度的“厚膜”，使其无法与柔性基底兼容。新兴的方法是基于功能化碳纳米管和其它有机半导体。可以将多个特性略有差异的传感器组合在一起，形成一个“电子鼻”，对每种分析物显示出不同的“指纹”特征。

气体传感器已经在工业领域广泛应用，并且，随着人们对空气污染的关注和担忧，气体传感器的应用会持续增长。与其它细分领域不同，气体传感器的灵敏度和分析物的差异化很大，导致这个市场非常碎片化。根据印刷气体传感器的独特性能，另一种有前景的长期应用，是将气体传感器直接印刷在食品包装上，测量食品的降解。不过，这可能需要开发柔性混合电子以及柔性IC等使能技术，通过连续制造，使其具有成本效益。

印刷生物传感器

从营收和规模来看，最大的印刷传感器类型是印刷生物传感器，主要由葡萄糖检测试纸主导，年需求量达数十亿规模。然而，更方便的连续血糖监测（CGM）越来越受欢迎，葡萄糖检测试纸的使用量正在逐渐下降，并且，这一趋势还将继续。与此同时，监管部门还一直在控制测试条的价格，消减了利润率，从而带来了巨大的价格和商品化压力。尽管如此，这仍然是印刷和柔性传感器领域规模和营收最大的业务。重要的是，印刷生物传感器不局限于葡萄糖检测，其它一系列生物传感器正在兴起。

印刷可穿戴电极

目前，大多数内侧电极都是由一个金属扣件和电解凝胶组成，但这种产品只能短期使用。对于连续监测应用，印刷电极由于可以使用的时间更长，正逐渐被应用到各种电子皮肤贴片中，与导电互连器件（也可以印刷）一起集成到产品中，提供柔性。可穿戴电极也非常适合健身场景，现在已经集成到电子织物中，以更舒适的方式监测用户的心率。

电子皮肤贴片应用

随着持续监测相关软件的发展，印刷可穿戴电极的医疗和健身应用将持续增长，从而带来旺盛的市场需求。当然，电子织物的耐用性仍然是消费者关注的问题。

参考报告：《电子织物技术及市场趋势-2021版》

IDTechEx在新兴的印刷电子市场积累了十多年的研究，早在2012年便发布了第一份印刷和柔性传感器技术及市场研究报告。从那时起，IDTechEx一直在密切关注印刷和柔性传感器领域的发展，与全球主要市场参与者保持紧密联系，定期组织规模最大的全球贸易展会，推出了众多咨询项目，并举办了有关这一主题的系列培训课程和研讨会。有基于此，IDTechEx对印刷和柔性传感器领域的理解深度和广度是无与伦比的。

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