Innowacyjne technologie drukowanych i elastycznych czujników

Rynek drukowanych czujników jest bardzo złożony i rozdrobniony. Niektóre czujniki składają się z bardzo prostej struktury z zaledwie kilkoma warstwami, podczas gdy inne są znacznie bardziej złożone i wymagają osadzania wielu warstw oraz wyrafinowanych, innowacyjnych materiałów. Niektóre czujniki są drukowane metodą sitodruku (sheet-to-sheet), podczas gdy inne są wykonane przy użyciu drukowania ciągłego (roll-to-roll). Większość konstrukcji jest oparta na niedrogich, elastycznych podłożach o dużej powierzchni, natomiast niektóre są umieszczane na powierzchni matryc CMOS lub na podłożach tekstylnych. Jednak każdy rodzaj czujników oferuje odmienną kombinację wartości w stosunku do tradycyjnych technologii, w odmienny sposób sankcjonując druk jako metodę produkcji.

Każdy też rodzaj drukowanych czujników ma inne wyzwania technologiczne i ekonomiczne na drodze do rozpowszechnienia na rynku. Drukowane i elastyczne czujniki oferują wiele korzyści w porównaniu z ich bardziej rozpowszechnionymi tradycyjnymi odpowiednikami, w tym niższą wagę i fizyczną elastyczność lecz także potencjalnie niższe koszty produkcji, ponieważ drukowanie ułatwia wysokowydajne metody ciągłej produkcji. Drukowane i elastyczne czujniki mogą mierzyć szeroki zakres parametrów, dzięki czemu mogą znaleźć zastosowanie w nowych aplikacjach, w tym w IIoT, urządzeniach do noszenia, motoryzacji czy inteligentnych budynkach. 

Analitycy IDTechEx wybrali pięć ich zdaniem najbardziej interesujących i innowacyjnych technologii czujników drukowanych:

1. Hybrydowe czujniki piezorezystancyjne i pojemnościowe

Wszyscy znają pojemnościowe czujniki dotykowe, które znajdują się na przykład ponad wyświetlaczami smartfonów i tabletów, jak i czujniki piezorezystancyjne, które wykrywają zmiany ciśnienia. Obie te funkcje można łączyć w ramach jednej wielowarstwowej drukowanej konstrukcji, tworząc czujniki hybrydowe. Takie czujniki mogą wykrywać zarówno bliskość, jak i nacisk, które podświetlają się przed kontaktem, ale działają tylko po mocnym naciśnięciu. Tego typu komponenty mogą być również wykorzystywane w chwytakach robotów do wykrywania bliskości chwytanego obiektu i mierzenia rozkładu nacisku.

2. Cienkowarstwowe organiczne czujniki obrazu

Większość czujników obrazu jest wykonana z małych sztywnych kawałków krzemu. Jednak wiele innych rodzajów półprzewodników może być również używanych do wykrywania światła, w tym drukowane półprzewodniki organiczne. Mają one tę zaletę, że są bardzo cienkie - warstwa pochłaniająca światło ma zaledwie kilkaset nanometrów - oraz są ekonomicznie opłacalne w produkcji na stosunkowo dużych obszarach, dzięki czemu można je stosować do wykrywania biometrycznego (np. rozpoznawanie odcisków palców). Ponadto, w przeciwieństwie do krzemu, widmo absorpcji półprzewodników organicznych można regulować, w tym w zakresie NIR.

3. Drukowane czujniki pH

Obecnie większość metod pomiaru pH jest albo niedokładna (np. uniwersalny papier wskaźnikowy), albo stosunkowo kosztowna (sondy elektroniczne). Niemiecka firma Accensors opracowała niedawno metodę drukowania czujników pH, w której niedrogi i prosty czujnik można stworzyć, drukując tylko jeden nanolitr z opatentowanego przez nich materiału. Ponieważ pH jest funkcją temperatury, wraz z czujnikiem mierzącym pH drukowany jest też czujnik temperatury. Matryce wydrukowanych czujników pH i temperatury zostały zastosowane do wytworzenia prototypów plastrów monitorujących stan ran.

4. Wykrywanie wilgoci za pomocą RFID

Szwedzka firma InviSense opracowała drukowany cienkowarstwowy czujnik wykrywający wilgoć. Drukowany zwój anteny RFID jest pokryty materiałem pochłaniającym wilgoć - w miarę jej wchłaniania, zmienia się również pojemność cewki, zmieniając jej częstotliwość rezonansową. Zmiana ta jest następnie wykrywana za pomocą czytnika RFID. Kluczową zaletą tego podejścia jest to, że cienkowarstwowy format czujnika pozwala na umieszczenie go np. za płytkami łazienkowymi a sam odczyt przeprowadzany jest w sposób nieniszczący.

5. Elektroniczny nos 

W porównaniu do słuchu, wzroku i dotyku, węch jest zmysłem, który nie został jeszcze skutecznie ‘zdigitalizowany’. Jednym z wyzwań jest to, że zapachy składają się z wielu cząsteczek gazu o różnych stosunkach stężeń. Podejście do skonstruowania ‘elektronicznego nosa’ polega na zastosowaniu szeregu półprzewodników, takich jak nanorurki węglowe, które mają nieco zróżnicowane charakterystyki funkcjonowania. Porównując następnie za pomocą odpowiednich algorytmów zmiany przewodnictwa w różnych obszarach czujnika z danymi odniesienia, można określić skład gazu.