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印刷电子产品与便捷灵活的物联网医疗护理的未来
录入时间:2019/7/2 11:33:18

作者:Girish WableRalph HugeneckNYPRO公司

 

物联网(IoT)正在缓慢而稳健地渗透到我们周围的各种电子产品中,从家用电器到工作照明,甚至于汽车安全系统,实现智能连接。连接物联网将使包括通信、制造和娱乐在内的许多行业出现巨大的变化。从物联网应用的角度来看,医疗护理行业虽然在大众市场应用方面有些落后,但是已确定的目标应用正在加快连接物联网的步伐,目的是改善患者的治疗成果、提高效率和降低成本。印刷电子产品在医疗诊断、治疗和病患护理等应用的常见设备中越来越普及,成为支撑物联网医疗护理的各种元件技术的基础。

市场调研分析师预测,未来五年印刷电子产品的年复合增长率将接近25%。如果物联网医疗护理市场的扩张速度能够达到或接近专家们的预测,那么印刷电子产品的增长预期就没有什么值得怀疑的,甚至可能是被低估了。根据IDTechEx公司的分析,只是一个紧凑型无线非侵入式传感器在印刷电子产品的市场潜力就非常大,预计到2027年,整个印刷传感器市场规模将达到76亿美元。被放在靠近各个分散的数据采集点的这类传感器是物联网医疗护理的基础,这些数据点包括患者、药瓶、可穿戴设备、医疗设备和医院的病床。印刷电子产品是针对这类应用量身定制的,还可以用于替换或增强医疗、制药和相关应用的现有产品。

印刷技术和导电油墨

现在,许多电子元件是通过印刷生产的。除了传感器、电池和天线,其他的例子还包括内存、逻辑单元和光源。虽然与图形或电子行业中使用的印刷技术很类似,但是用来印刷电子产品的制造工艺需要适应专门为各种为复杂设计而设计的油墨。例如,用来印刷金属负荷的导电油墨的喷墨印刷设备必须使用不同的喷头,而用于图形丝网印刷的油墨在印刷日趋复杂的电路时必须保持设计的公差。喷墨印刷机和丝网印刷机的类型多种多样,这会使情况变得更加复杂。印刷技术包括连续喷墨技术和按需滴定(DOD)技术,还可以进一步分为热按需滴定和压电按需滴定、聚酯丝网喷墨、金属丝网喷墨或不锈钢丝网喷墨。

丝网印刷技术是生产印刷电子产品最常用的技术之一。这种工艺通过对准丝网下的基片并涂布导电油墨或焊膏来生产电路。通常是用加热来固化电路。但是,有些油墨要用紫外线(UV)或红外线(IR)固化,或用光激固化。除了丝网印刷之外,其他广泛使用的印刷方法包括柔版印刷、凹版印刷、喷墨印刷和胶版印刷等。没有哪一种印刷技术能够满足所有的医疗应用的要求。因此,在选择油墨和工艺设备的最佳组合时,最重要的因素包括生产能力、特征尺寸、分辨率、层厚度、设计考虑(例如拉伸性),以及后续的集成步骤(例如模塑成型或层压)等。

表面贴装技术(SMT)在必要时可以根据实际需要使用导电粘合剂甚至低温焊锡膏来改善印刷结构的功能性(图1)。在某些情况下,添加了电镀的铜可以提高导电率或提升焊接性能,从而增强印刷的油墨走线。在印刷和贴装工艺完成后,通常紧接的是与像层压、封装、涂层或模塑成型这类工艺进行高度整合。在印刷完成后立即进行更高层次的整合可以简化组装工艺并且可以生产出更薄、更灵活和兼容性更好的产品。

图1:SMT可以改善印刷结构的功能。

尽管最常用的还是单层印刷和双层印刷技术,但人们开始重视多层印刷技术。至于PCB,印刷电路和元件是堆叠的;但是,印刷电子产品的堆叠要求更加平坦。使用的油墨中含有导电或半导电特性的填充材料。因为聚合物本身可以导电,所以有机发光二极管(OLED)是例外。显示器是用OLED最多的地方,除此之外,还可以在可穿戴设备中找到使用先进的传感技术的例子,比如声音、姿态识别和指纹识别。

印刷电子产品还用在光子器件和集成在芯片内置实验室(LOC)应用中。光子器件的例子包括大面积光电探测器和图像传感器[1]。塑料和玻璃也可以转换成用于医学成像的智能表面(图2)。有机光电探测器技术的支持者声称,它将取代非晶硅技术,并通过降低对温度的敏感性来改善图像传感器的性能。有了芯片内置实验室应用,一侧印刷的是OLED光源,另一侧印刷的是传感器,这样就可以实现整个结构微型化[2]。

图2:印刷电子产品能够在可弯曲的塑料、玻璃和纸上实现功能性结构。

印刷电子的优势

 无论在应用时需要或不需要互相连接、传感、照明,还是电池供电,印刷电子产品都能够提供紧凑灵活的解决方案。它们非常适合物联网医疗护理应用,这些应用必须满足在非常有限的空间内允许贴近患者,可以拉伸并且符合人的体形,或者必须覆盖其他大面积的数据收集区域(图3)。

图3:印刷电子产品在物联网医疗护理应用中的潜在价值。

实例包括集成大量小型传感器的微创装置,例如内窥镜和导管,或者可以警告哮喘病患者的可穿戴空气质量监测器。与任何新面世的技术一样,比较成本和价值是非常重要的。这对于对价格敏感的商用产品特别重要,例如静脉内(IV)的导管或人体里装液体的袋子,印刷电子产品可以用来监测气泡并且维持一定的温度,或者能够在需要更换装液体的袋子时及时通知医护人员。印刷电子产品的独特价值在于它们能够解决困难的设计挑战、简化集成,并且提供更大的设计自由度。

这种物联网医疗护理生态系统的出现,完全依赖于大量部署在网络边缘上的传感器。印刷电子产品可以支持这种分布式数据的要求,并且提供强大的解决方案来解决设计和部署的难题。例如,紧凑的印刷传感器能够非常有效地实现可弯曲的电池和无线通信元件的融合,具备向护理点发送和接收数据的能力。预计很快就会发送数百万个无线传感器和设备,因此,正在准备新的网络协议来满足物联网的要求。

印刷电子的演变

 在几十年前,印刷电子技术就开始有选择地与半导体元件竞争。设计人员比较这两种技术并思考印刷电子的潜在应用。虽然有一些早期的成功,但是,在所有情况下,纯油墨的印刷电子方案无法在成本或性能上与硅电子产品相匹敌。根据摩尔定律,只使用印刷油墨的器件无法与速度更快、价格更低廉而且数量呈指数级增长的晶体管器件相匹敌。

现在,设计师在设计中同时使用传统的半导体产品和印刷电子产品,充分利用这两者的特点与优势,以达到最佳的效果。把功能强大的半导体产品与印刷电子产品整合在一起,可以做出重量轻、可弯曲和尺寸紧凑的产品。在某些情况下,它们还允许器件自由组合。系统架构师可以根据元器件自身的形状特点进行整合,而不是把PCB和无线设备连接到器件结构中。印刷电子产品不仅能支持数据采集,还可以提供设计的灵活性。

例如,Nypro公司最新开发出来的全功能概念验证无线空气呼吸机,充分说明哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)病人所需要的智能空气吸入机该怎样工作(图4)。这个设备未来要尽可能缩小它的尺寸、降低成本并解决可能制约它的性能的功耗和空间问题。无线空气呼吸机将面临许多挑战,其中包括找到把传感器安放在尽可能靠近空气呼吸机的空气通道的位置上,并最大限度地缩小这个系统的外形尺寸的办法。工程师可能需要探索印刷传感器、电池和天线在解决由这些变化所带来的挑战中的作用,此外,还要充分发挥技术供应商的作用,共同解决这些难题。

图4:Nypro公司的工程师正在探索如何使用印刷的传感器、电池和天线来实现和增强医疗器件的概念,例如,针对哮喘和COPD患者的智能空气吸入器。

在另一项物联网医疗护理计划中,Nypro公司与3M公司合作开发出一种一次性低功率心电图(ECG)贴片,使用寿命为七天。该器件测量实时单引线心电图,并使用三轴加速器来测量跌倒事件。这款低功率一次性贴片支持蓝牙技术,集成在一块柔性混合的PCB上,平均消耗电流3.6 mA,用四块堆叠起来电压为3.0V的柔性电池组供电。银-氯化银(Ag-AgCl)油墨传感器直接印刷在PCB上,不需要固定在外部的传感器,从而使这个产品做得比先前的设计尺寸更小、更薄,兼容性也更好。这些设备在和物联网医疗护理生态系统中的作用非常重要,用这些设备收集到的数据可以用于定制化和个性化的医疗护理,提供非常突出的价值。

站在制造业的角度来看,印刷电子产品还可以提供许多好处,能够进行大批量加工和降低总体拥有成本是最重要的两点。传统的电子产品制造技术采用的是减成法工艺,需要通过几个工艺步骤来制作一个层。通过不断地重复这些工艺步骤来得到多个层。印刷电子产品采用的是两个步骤的加成法工艺,先把材料涂布在基板上,然后进行干燥和固化。我们可以重复这个两步的工艺来开发多层设计。

印刷电子产品还可以减少或消除把电子产品整合到最终产品里的组装步骤。有了机器和设备,结构化电子元件(SE)完全可以取代传统的盒式元件。结构化电子元件接口可以使用又强大又轻薄的解决方案来取代机械按钮、开关和多个部件的电子组件,这些解决方案还起到承重保护结构的作用。

扩展应用和附加价值

 通过增加可以同时提供性能和制造好处的特性,预计印刷电子产品将在机器接口、天线、照明和加热源方面支撑物联网医疗保健市场的发展。像小的可弯曲的贴片这种一次性产品也需要智能解决方案。但是,在增加新功能之前,器件设计人员希望有可行的结果。对于印刷电子产品,这些要求可能包括患者的安全和合规性,例如防篡改的药品隔间和防伪造设计。

适合印刷电子的物联网医疗护理应用预计还将包括智能包装,它可以自动识别药物、跟踪失效日期、评估药物效力下降的情况。感应温度的智能标签将测量包装好的药品在运输和储存过程中的完整性。在某些情况下,这些标签中会包含印刷的内存或显示屏来传输像温度或湿度这样的环境信息。纸质包装或塑料包装可能包含射频识别天线或者包含用来访问文本和图形的近场通信系统。

在医院里或者在家中,印刷电子产品还可以支持人机界面,例如在像医院病床这样的尺寸比较大的设备上的弯曲的三维面板。这些技术还可以显示患者的信息和嵌入式电视控制。在物联网医疗护理中的印刷电子产品应用还可能包括用于医院病床的湿度控制,用来保持液体温度和人体温度一致的热源,以及可穿戴的医疗护理器件,例如智能手表、健身手环、以及虚拟和增强现实耳机。安装在枕头或床垫里的传感器有助于监控睡眠、呼吸或心率。

结论

如果物联网医疗护理的需求规模能够像许多专家预计的那样,就不需要怀疑印刷电子产品的预期增长。同所有新兴技术一样,这项技术的采纳速度将会随着成本和价值而变化。同个人医疗应用相比,改变这个成本价值比,使其向价值倾斜,对商用产品来说是非常重要的。但是,印刷电子产品提供的价值还将推动更新、更复杂、功能更强大的医疗护理产品的发展。

对于那些正在设计印刷电子器件的企业,物联网医疗护理市场的机会非常清晰。印刷技术、导电油墨和基片的能力也在不断提升。行业组织和政府机构也支持这个行业继续向前发展。物联网医疗生态系统将随着部署在网络边缘上的小尺寸、紧凑型无线传感器应用的普及而不断增长。印刷电子行业能够形成这些架构并且带来越来越大的价值。

 

参考文献

 1. “Isorg and Flexenable Win Industry Award for First High-Resolution Flexible Image Sensor Designed on Plastic.” Andrew Lloyd & Associates, 2017.

1. Zhe Shu, “Solution-Processed Organic Light Sources for Microfluidic Lab-on-a-Chip Systems.” University of Jena, Germany, 1987.

 

作者简介:

Girish Wable是Jabil公司战略投资高级经理。Ralph Hugeneck是Nypro公司的高级技术总监,Nypro公司是Jabil公司的子公司。


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