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感測器/MEMS  

印刷電子開啟軟性感測器設計機會

上網時間: 2013年11月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:印刷電子  軟性感測器  有機電子  感測器  CMOS 

作者:Laurent Jamet,ISORG公司共同創辦人兼業務開發總監

相較於傳統的電子解決方案,印刷電子具有諸多特色優勢,使其特別適合感測應用。大多數印刷製程相容於大面積基板,能夠用在高達500x500mm的表面積上實現具有偵測功能的大面積感測器設計,從而可實現極具競爭力的成本面積比(與非晶矽或CMOS技術相較)。

法國ISORG公司較早將印刷電子應用於光學感測器,並涉足多個市場和功能領域,包括掃描物體表面實現X射線數位成像、在非晶矽上共同整合有機光電二極體與電晶體,以及在塑料基板上結合有機電晶體。

塑料影像感測器原型。
圖1:塑料影像感測器原型(ISORG/Plastic Logic)。

未來,採用有機電子取代非晶矽技術將進一步提高成本競爭力,推動新產品的開發(實現更輕也更具強韌性的可攜式設備)。ISORG和Plastic Logic公司已經聯手開發出這種完全有機的影像感測器產品展示了。特別是這次的合作專注於在塑料有機薄膜電晶體背板上沈積有機印刷光電偵測器,從而開發出一種具有40×40mm有效面積、375um間距(175um畫素與200um間距)以及94×95=8,930畫素解析度的軟性感測器

採用指紋和手掌表面辨識技術的生物學應用,也可以利用這種印刷電子技術,以更薄更輕的有機解決方案取代傳統的CMOS感測器。目前的開發成果是50um的畫素解析度。這種方法還能設計出大型掃描面積以取代辦公設備中的CCD行列式掃描器,實現更快、更輕也更薄的文件掃描機。在這個領域中至今已經成功達到80um的畫素解析度,可實現300dpi的文件掃描解析度。

印刷電子溫度感測器。
圖2:印刷電子溫度感測器。

印刷電子技術還可用於實現印刷電子形式的溫度感測器,將大面積感測功能用於焦點偵測,例如用於監控電力電子電路板中的功率分佈與散熱情況。

輕薄可撓:一種薄片系統方法

透過以PET作為基板,就能設計出一種‘薄片系統’(system-on-foil)感測解決方案──結合了光學感測器、LED等分離式元件以及軟性互連。透過這種方式,能夠使用有機光電偵測器打造出非接觸式的用戶介面,提供如手勢接近偵測以及手勢辨識等功能而應用於電源開/關或線性控制(滾動與垂直距離偵測)。

這些相容的薄片系統用戶介面甚至可被整合於智慧紡織產品中。這種光學解決方案是透過直接安裝在軟性電路上的IR-LED發射的紅外光反射有機光電探測器的偵測而實現的,如圖3所示。

採用有機光電二極體實現軟性接近偵測以及手勢偵測。
圖3:採用有機光電二極體實現軟性接近偵測以及手勢偵測。

因此,有機半導體材料經過調整可同時作業於可見光和近紅外線波段。由於非常薄,又很容易黏貼到諸如紙這樣的材料上,這些新型感測器可以輕鬆地將塑料和紙轉變為互動的介面,從而實現商品推銷和智慧包裝解決方案,或偵測附近物體的移動。

這種光學感測器的另外一種使用案例是在物體的四周表面上整合NIR發射LED和有機光電二極體,然後就能透過偵測光路阻塞發現任何停留在表面的物體,如圖4所示。目前正開發中的這些應用技術將用於工業產品以及多點觸控用戶介面與顯示器。

採用有機光電二極體陣列實現物體偵測。
圖4:採用有機光電二極體陣列實現物體偵測。

新型感測器

由於軟性和印刷電子薄膜感測器很容易黏貼,因此可以輕鬆地安裝到現有的設備上。例如,ISORG公司正研究將空間光譜分析用的光學感測器應用於製藥產業中的內部製程控制。這些感測器可黏貼到現有設備上,也可以用於電力分配設備中的溫度感測器陣列(將偵測塑料薄膜直接黏貼到設備表面上)。物體偵測感測器還可以用於物流領域。

所有這些新的開發工作都需要新興的印刷電子業者和傳統電子產業廠商共同合作。薄片系統方法必須使用新的基板(PET、PEN)、新的黏貼材料(低溫導電膠)、新的導電材料(可印刷的銅與銀墨水、TCO透明導電有機材料)以及新的裝配與檢查設備(貼片機、視覺偵測機與爐具等)。

(參考原文:Printed electronics opens up large flexible sensor design opportunities,by Laurent Jamet)





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