印刷图像传感器技术成熟度现状

英国知名研究公司IDTechEx在新兴的印刷电子市场积累了十多年的研究，并在2012年，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。

在本报告中，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的概述，主要包括：有机和混合光电探测器、压阻和压电压力传感器、可拉伸应变传感器、温度传感器、皮肤贴片印刷电极、生物传感器、电容式触摸传感器氧化铟锡（ITO）替代产品等。通过分析该领域50多家主要厂商，IDTechEx总结了每项技术的商业应用前景及挑战，并提供了涵盖所有印刷传感器类型、技术和应用的细分市场预测。

各种印刷和柔性传感器示例

印刷和柔性传感器构成了最大的印刷电子市场。根据IDTechEx预测，到2030年，全印刷传感器的市场规模将增长至45亿美元。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。

印刷传感器市场非常复杂且碎片化。有些印刷传感器的结构非常简单，而有些传感器则要复杂得多，需要多层沉积和复杂的创新材料。有些传感器采用传统批量单张式丝网印刷，而另一些传感器则采用连续的卷对卷印刷。大部分印刷传感器基于低成本的柔性大尺寸基板，也有些基于CMOS器件或各种电子织物。

本研究报告覆盖了整个印刷和柔性传感器领域，具体包括：

● 大面积图像传感器

● QD/Organic-on-CMOS混合图像传感器

● 用于SWIR成像的混合传感器

● 压阻式传感器

● 压电式传感器

● 温度传感器

● 电容式应变传感器

● 电容式触摸传感器ITO替代产品

● 气体和湿度传感器

● 生物传感器

● 电子皮肤贴片和电子织物印刷电极等

此外，本报告还讨论了印刷传感器在新兴的柔性混合电子技术中的整合，包括印刷和非印刷的组件。

新兴应用中的增长

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。

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。

印刷生物传感器领先厂商对比（部分）

连续血糖监测（CGM）主要厂商对比（样刊模糊化）

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。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：

《电子皮肤贴片技术及市场趋势-2019版》

《医疗柔性电子技术及市场趋势-2020版》

混合图像传感器

混合图像传感器是一种前景特别突出的印刷传感器，它们由印刷在硅读出电路上的有机半导体或量子点薄膜（几百纳米）组成。与现有的硅CMOS探测器相比，它们提供了三种独特的价值主张：可调谐的带隙，可在更宽的波长范围实现NIR和SWIR成像；电压依赖性灵敏度，可实现空间可变的中性密度滤波片；快速的电荷收集，使之更易于实现全局快门。

关键的是，现有的CMOS产线经过重新调整就可以用于制造混合图像传感器，大大降低了资金投入需求，加速了产品导入。OPD-on-CMOS技术即将在广播电视摄像机中应用，而QD-on-CMOS技术已经在市场上销售，随着材料系统的热稳定性和光通量稳定性的发展，它们还将进一步向户外应用渗透。例如，用于自动驾驶车辆的SWIR成像。

印刷图像传感器技术成熟度现状（样刊模糊化）

这种突破性的混合方案可以满足真正的市场需求，将印刷功能材料与标准工艺和制造方法相结合，可以在降低应用门槛的同时显著提高性能。要了解所有技术选择以及当前的商业化环境和未来趋势，以及这个令人兴奋且快速发展的细分领域中的应用，更多详情请参阅本报告。

大面积图像传感器

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。这项技术提供了两个相关的价值主张：与大面积a-Si图像探测器不同，它柔性且轻质，可以采用连续制造方法低成本快速印刷。

不过，现在制造商很少，而且它们主要将生物识别传感作为一种相对高价值的应用，从而避免与CMOS竞争。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。

虽然技术上是很喜人，但这种大面积图像传感似乎主要是由技术驱动，而不是制造商的需求所驱动。值得商榷的是，这种性能相比现有方法是否具备足够的优势来推动产品导入，尤其是指纹识别必须与现有方案竞争。

本报告概述了该技术的现状及未来趋势，应用发展路线图，以及每种应用的相关市场。

压阻传感器

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传感器、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作为功能位置，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。其它创新包括：能够检测接近但仍需施力驱动的混合电容/压阻传感器阵列，用于电动工具安全装置的压阻传感手柄，以及通过卷对卷工艺进行制造等。

印刷压阻传感器应用路线图（样刊模糊化）

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。

压电传感器

压电传感器跟压阻传感器不同，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。而与压阻传感器一样，压电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。

在本报告中，IDTechEx调研了两种可印刷的压电材料：聚合物和无机复合材料。前者商业应用更广，但两者都仍在发展中。印刷压电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：价格合理的压阻式压力传感器，和灵敏的刚性陶瓷压电传感器。因此，印刷压电传感应用仍处于利基阶段，除非能量收集技术成熟度显著提高以实现自供电传感器。

印刷压电传感器SWOT分析（样刊模糊化）

针对这种材料的独特性能，更好的价值主张可能在于柔性高频驱动器，即应用于医疗领域的可穿戴超声发生器。欲了解更多有关压电传感器的技术、厂商及市场信息，请参阅本报告。

电容应变传感器

多年来，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”。

经过多年的发展，如今，工业位移传感、可穿戴电子设备和病患连续监测等领域的机遇正在兴起。欲了解更多关于印刷电容应变传感器厂商、技术、应用发展路线图以及细分市场预测的信息，请参阅本报告。

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似乎提供了明确的价值主张。

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。这些传感器可以与柔性热导体一起应用，从而在一定程度上抵消了印刷温度传感器的优势。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种可能的应用，不过，这也可以通过多个热敏电阻来实现。

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。

印刷气体传感器价值链（样刊模糊化）

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。

参考报告：

《柔性混合电子（FHE）：应用、挑战及创新趋势-2020版》

2020年~2030年针对每种细分应用的10年期市场预测（样刊模糊化）

IDTechEx在这份综合报告中非常详细地讨论了每一种印刷传感器，分别评估了不同的技术方案和应用挑战。IDTechEx还针对每种技术和细分应用提供了10年期市场预测。
责任编辑:pj