材料设计是下一代传感器的关键

随着传感器需求的爆炸式增长，制造商正在转向使用柔性和印刷电子设备，这使他们能以新颖的方式制造传感器，以消除传统电路的复杂性并开辟更多新可能。但这些新发展的核心是什么？事实证明，它离不开材料设计。

印刷电子系统市场预计将从2017年的水平翻一番，到2025年达到600亿美元（图1）。部分原因在于无处不在的物联网（IoT）的出现 - 这反过来又通过材料科学的关键进步实现，包括：

将半导体用于柔性混合电子设备

复合油墨配方的新方法

新的信号增强层和滤波器

印刷工艺改进

使水性电极和可穿戴设备，以及其他新产品

图1：到2025年，印刷电子市场将达到600亿美元。

虽然OLED显示器将保持其主导地位，但传感器将在市场中占据越来越大的份额。

图2：用于制造印刷传感器的材料内容和可用性影响了传感器设计期间的选择。

为何选择传感器？

如果没有底层材料，印刷电子系统就无法运作（图3）。构建成功的物联网或工业物联网应用的关键要求是能够以合理的成本大批量生产传感器。这允许更广泛的传感器类型阵列作为互连的设备网络一部分。虽然温度和湿度传感器也可以以大批量和低成本的刚性形式生产，但印刷电子产品还具有额外的独特优势：低入门成本、无需投资数十亿美元建造晶圆厂。

图3：该图显示了在典型的柔性混合电子（FHE）传感器“引擎盖下”可以找到多少种不同类型的材料。

从材料的角度来看，这个市场的吸引力的另一个原因是印刷电子产品的物理和概念的灵活性。可以使用柔性/印刷电子设备实现应用，使用传统的刚性设备实际上是不可能的。运动机能学提供了巨大的机会，因为新的可穿戴应用将使传感器和印刷或柔性混合电子设备的最早覆盖范围扩大到更广泛的受众。

现实情况是，这项技术虽然很有希望，但仍然年轻。寻求开发未来传感解决方案的过程涉及寻找愿意承担风险的公司; 简言之，创业公司正在做以前从未做过的事情。

这包括人工智能（AI）领域的公司。没有AI，物联网无法发挥其全部潜力，因为机器学习对于查找连接的传感器和其他设备生成的大量数据中的模式、相关性和异常至关重要。那么，材料在这里扮演什么角色？

AI的材料

从算法的角度思考AI是很自然的，一串代码可以用来推断数据，但是AI只有它接收的信息才有用; 即，该代码只能基于它接收的信息。提供信息的设备中的组件是驱动程序，这些传感器的设计，从基础材料级别开始，便对它们的运行方式起着重要作用。因此，使用专为传感器开发设计的材料非常重要。对于“垃圾输入，垃圾输出”而言，用户需要有用的信息，而不仅仅是大量的信息，特别是随着传感变得越来越普遍。

为了在产品开发过程中认识到对优质材料的需求，必须了解进入解决方案的“成分”。这是开发用于半导体应用材料的经验（例如，光刻，晶片级封装或用于芯片堆叠的粘合剂）。这些市场的参与者花了很长时间才接受材料在设备优化和卓越方面的重要性，但印刷电子设备的周期应该缩短。

关于材料如何应用于传感器的另一个考虑因素是设计功能化。以气体传感器为例，基于碳纳米管（CNT）类型的技术为活性层材料建立了基础。添加到该平台的内容可能会影响需要检测的确切气体。因此，必须添加使其对某些类型的气体更敏感的材料，以及不应检测到的过滤器。

总结

材料设计是印刷传感器系统的重要组成部分。显然，材料专业知识对启用传感器中使用的印刷电子设备非常重要，尤其是连接了物联网的传感器。

材料专业知识可以在为特定应用设计传感器时做出更好的决策。对于蓬勃发展的AI市场，重要的是设计具有最佳材料的传感器，以实现最快和最准确的反应，这对于在AI应用中实现快速处理至关重要。