印刷电子产品的日益增长的承诺

使用导电油墨印刷电子产品而不是光刻开始搬出去的研究阶段,与芯片制造商现在看如何商业化跨广泛的传感器应用这项技术。

与传统的半导体,用细小的电线电路,印刷电子产品依赖于导电油墨和经常灵活的电影,尽管他们可以印在几乎任何东西。允许他们使用保形流入地方电影,或者录音到类似的工业阀门,可以使用多种类型的传感器,而不是试图附加一个离散传感器硬衬底。此外,这些传感器可以被添加到现有的设施,而不是用新的部件替换现有的设备包含内置的电子产品。

这种capability-conductive墨水内置射频或连接circuitry-has捕获芯片制造商的想象力在多个大洲和在多个工业领域。大多数专家相信他们只有触及表面应用。

“有类别的东西印刷电子产品做得很好,”丹·布鲁尔说,执行董事布鲁尔科学。“任何时候你需要一个灵活的形式,可以调整,以适应一个特定的形状,这是伟大的。它还允许一个操作受益于许多大型数据分析,因为你可以生成数据从无处不在。”

印刷电子产品的承诺不是一个新的。事实上,这是严重的半导体研究的主题自千禧年的开始。有谈论导电线程里面的衣服,甚至电路内部的建筑材料。但所有这些被证明是更加困难比最初想象的发展。

“这是对我们的议程在过去10到15年,“诺斯维尔说,经理在帕洛阿尔托研究中心(原施乐帕克研究中心或帕洛阿尔托研究中心),其重点是桥梁长期研究通常与商业应用在大学或研究机构的研究。“有三件事我们想象。一个是新形式因素,包括2 d设备。第二个是集成的传感器,包括光学和机械部件。所以的这些设备在小尺寸,你可以传播出来。第三是随需应变、局部、分布式制造。与其建立库存,你能保证让他们新的供应链。”

图1:施乐打印标签的微电路。来源:施乐公司

应用程序
增加的可能性,这些传感器在各种现有的和新的应用程序真正推动这项技术的方法。

“如果你考虑三维传感器今天,你可能有一个湿度传感器或温度传感器,“哥特约根森说,销售和营销的副总裁三角洲微电子。“但与印刷电子可以有两种等等。所以你可以开发一个墨水,它可以应用到蛋白质或无机膜,你可以用它来感觉不是由二极管检测到今天的事情。”

事实上,丹麦政府有一个小的研究项目进行跟踪使用印刷传感器废水和干净的水。

”这也可以被用来决定食品质量,”约根森说。“你可以测量一氧化碳,二氧化碳,不同的化学物质和金属。你可以胶这个单片机,用它来检测细菌。我们今天带空气样品。这可能是更便宜、更快。今天与疾病,需要在实验室生长的文化。这可能需要一个星期。还有疾病不能看到这样,如流感或导致食物中毒的细菌。你可以检测,用墨水。我们今天在研究阶段。有原型的油墨,没有了在高容量,可以对光线敏感,细菌,甚至腐蚀在工业应用的屏幕。 And if you can get inks to change color, you can read them easily with image recognition technology.”

工业应用一直都是一个明显的应用程序。使用硅或其他硬衬底很难设计到这些设备。首先,很多操作都是独一无二的,所以建立一个带有内置的传感器部分需要一个定制的芯片。这大大增加了的成本部分。此外,这些芯片需要能够在严酷的环境下操作的化学物质,加热、振动和极端寒冷是常见的。更容易附加电路印在一块胶带或正形电影,是为了抵御这些条件,它可以提供更多的数据比离散传感器。

“如果你思考一个蝶阀,这允许您确定阀的内部发生了什么,”布鲁尔说。“你可以为每个传感器每秒30000数据点,打开/关闭时间可能2到3秒,所以你可以告诉到底发生了什么。允许你做预测性维护,这一切开始的地方。但是现在你可以做到每阀和泵操作。”

这是这种方法的一个关键原因是吸引如此多的注意在汽车世界,。

“今天,你有传感器,基本上是粘在一起,和你有英里的电线在车里,“帕洛阿尔托研究中心的维尔说。“在汽车,他们看着将结构集成到层压板创建新的设计。所以你可能电池板开销,你可以打印2 d电路和一块保角上或添加到面板。这套是一样的。你可以有生物传感器可以感知超过100种不同的生物标志物使用foil-like结构。”

维尔指出,传感器也可以集成到仓库和产品包装供应链监控,这将大大降低成本在当前的解决方案。

另一个应用程序是集成印刷与3 d印刷电子产品,尤其是在天线等领域。“3 d打印没有起飞我们所希望的,”斯蒂芬妮哈维说,灵活的技术研发项目经理半。“但我们开始看到新材料被使用在这里天线之类的东西。我们还发现,加法制造不一定是喷嘴或ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯热塑性聚合物)。你可以有再现性和一致性和电阻的有趣的几何图形。有很多的进步。”

技术
到目前为止,大部分的印刷电子产品已经用于灵活的混合电子(FHE),通常在大型维空间的1微米。然而,这是迅速改变。

“台湾工研院(工业技术研究所)技术开发了约0.25微米,”布鲁尔说。“你不能打印在光刻过程的水平,所以你可能不会想用这个打印内存或逻辑水平,今天完成。但在接下来的10年,我们将看到一微米的分数。也有几个主要methodlogies放下墨水、喷墨打印机或屏幕。这可能会改变。有限制在这些几何图形的结构类型,可以使用。在未来,这将是由很多材料,这就是我们需要开始。如果我们有新材料,我们可以有新的独特的几何图形,所以你需要一个地方需要调整结构的形式因素,这将工作。”

这一点需要混合的学科,从电气工程材料科学,化学和纳米颗粒的研究。

“有很多墨水配方工作实现铜interconnect-like性能,”梅丽莎Grupen-Shemansky说,首席技术官柔性电子元件与先进的包装在半。“我们正在看电特性,可以修改和更复杂的传感器像MEMS。”

帕洛阿尔托研究中心有一个项目与美国宇航局喷气推进实验室正在开发一个传感器板由成千上万的传感器。一些对温度很敏感,而另一些则对光线很敏感。“这些可以印刷在空间站,他们可以不顾条件发射,”维尔说。“你也可以使用这个在板层压制品。而不是建立一个板,您可以添加更多的每个层。这给了你新的设计自由,它也适用于早期的原型。我们也观察模拟印刷的东西像电池一样,在越来越多的规模是必要的。这使我们能够解决成本在创建电池比硬币形细胞。”

挑战
虽然可能有看似无限的应用,印刷电子产品需要经历同样的严格验证,和其他芯片的验证和测试。这就是现实开始出现渗水。

“这需要multi-physics simulation-electrical、热力和化学药品诺曼Chang首席技术专家有限元分析软件的半导体业务单元。“flexible-hybrid电子、3 d几何输入,所以你需要工具来可视化而设计。这比finFET的方式不同,但每一层平面有多个层。所以不如你所想的那样,是finFET的相关性,你需要知道你想要什么样的角环绕。”

ANSYS正在与惠普企业解决这些问题,它可以是非常复杂的。”的一个主要应用是一个传感器的电影,但由于持续振动热梯度可以不同在不同的地方,”Chang说。“手腕带或身体监视器,你也需要联合仿真由于灵活性。也可以改变,因为有大量的不同类型的基质,和每种情况下需要一个不同的方法。希望我们会看到一些标准化产品新兴的设计是基于一个共同的平台。这将节省大量成本。”

这对天线阵列尤其如此,这可能是印在包5 g等应用程序。问题是无法使用标准的测试设备,测试这些设备和解决方案可能适用于印刷电子产品。

“与毫米波天线波长足够短,你需要小的天线阵列,但是你挂载这些包这不再是一个射频端口,”大卫·霍尔说,首席营销人员国家仪器。“这是需要无线测量功率的装置。如果你使用波束形成,有16个天线测试。你可以测试一次,或者测量某一入射角。我们的目标是在功率测量过程的缺陷,或任何影响调制质量。”

不同的材料也需要不同的仿真和测试设备。“我们将会看到这是可折叠的智能手机,IIoT应用程序和监视器,“ANSYS的Chang说。“将会有不同的传感器对不同的市场,不同的材料需要不同的仿真工具。有很多政府和行业之间的活动今天在这。”

可靠性是一个关键的问题在这一领域,带的传感器可能容易更换,目前还不清楚他们会持续多久或他们如何将恶化。

在印刷电子产品“耐用性始终是一个问题,”布鲁尔说。“在某些方面,它比硅更持久或金属,它非常稳定。但你需要担心的物理耐久性设备,其中可能包括从de-lamination物理退化如开裂是暴露于恶劣的环境。你还需要找出如果热是一个问题吗你需要创建一个耐热柔性基板上,它必须是透明的。”

结论
印刷电子产品很大程度上已经成为过去的科学项目。但有足够的动力建立在这个方法最终用户需求在各种市场段电子产业很有可能看到更多的这种技术在未来。

多快,应用,问题可能爆发仍有待确定。但电子放入任何环境的能力,无论形状或环境条件,能够获得更多的数据比通过传统芯片是一个非常有吸引力的组属性对于许多应用程序。组属性只会增长的症结了供应链和可靠性仿真和测试被证明是足够的质量保证。

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