Sebbene storicamente i sensori stampati abbiano faticato a competere con le soluzioni di rilevamento convenzionali, principalmente a causa del loro costo, la situazione sta cambiando. La digitalizzazione di massa richiede un'integrazione digitale maggiore e più fluida, e i sensori stampati di grandi dimensioni sono pronti a guidare la prossima generazione di soluzioni di rilevamento intelligenti.

Tecnologia di sensori stampati flessibili e di grandi dimensioni. Fonte: IDTechEx

Ampia superficie: la stampa dei sensori è fondamentale per rilevare aree di grandi dimensioni

La digitalizzazione di massa porterà alla raccolta di dati su un numero sempre maggiore di superfici, e i sensori di grandi dimensioni rappresentano naturalmente una soluzione per soddisfare questa esigenza. I sensori di grandi dimensioni che mappano le interazioni con le superfici offrono maggiori informazioni spaziali e una granularità dei dati superiore rispetto ai sensori puntuali. Per ottenere sensori di dimensioni sufficientemente grandi, diventa necessario ricorrere alla stampa 3D, che consente una produzione su scale molto più ampie rispetto ai processi di produzione sottrattiva.

I sensori stampati di grandi dimensioni stanno registrando una crescita costante nelle applicazioni di elettronica di consumo per la mappatura delle interazioni con le superfici. I principali produttori di PC hanno iniziato a utilizzare sensori di forza stampati di grandi dimensioni nei trackpad dei laptop, offrendo una funzionalità touch 3D dinamica per migliorare l'esperienza dell'interfaccia utente. I fotodetettori stampati stanno comparendo nei display OLED per fornire l'autenticazione multi-touch tramite impronta digitale con un impatto minimo sullo spessore complessivo del dispositivo. L'autenticazione multi-touch con fotodetettori stampati promette una sicurezza fino a 700 milioni di volte superiore rispetto agli attuali metodi a singolo dito.

Possibilità di rilevamento su vasta area grazie a sensori stampati e flessibili basati su fotorivelatori organici (OPD), fotorivelatori a perovskite (PPD) e punti quantici (QD). Fonte: IDTechEx

Non sorprende che smartphone e laptop rappresentino importanti punti di ingresso nel mercato per i sensori stampati. Questi dispositivi presentano ampie interfacce utente che traggono facilmente vantaggio dalle funzionalità aggiuntive offerte dai sensori stampati. Ancora più importante, i rapidi tempi di sviluppo e la natura personalizzata dei requisiti di rilevamento dell'elettronica di consumo si integrano perfettamente con le capacità dei fornitori di tecnologie per sensori stampati, che sono nella posizione ideale per co-sviluppare soluzioni di rilevamento personalizzate.

Multifunzionalità: i sensori stampati offrono funzionalità ibride in un formato compatto

In molte applicazioni di rilevamento, è necessario misurare simultaneamente più parametri. Ad esempio, nei trackpad 3D touch dei laptop, il rilevamento del tocco ad alta precisione deve essere accompagnato dal riconoscimento della forza di input. La stampa di sensori in fogli consente di sovrapporre e combinare diversi strati di sensori con un impatto minimo su dimensioni e peso. Pertanto, i sensori stampati offrono un modo relativamente semplice per integrare il rilevamento multifunzionale nei prodotti esistenti.

L'interesse del settore automobilistico sta stimolando la crescita dei sensori stampati multifunzionali in applicazioni come la gestione termica delle batterie dei veicoli elettrici. I sensori di temperatura ibridi stampati possono rilevare i punti caldi nelle celle, mentre gli strati sensibili alla pressione monitorano il rigonfiamento della batteria, indice di un possibile guasto. Inoltre, i sensori stampati, integrati da strati riscaldanti stampati, offrono ulteriori strumenti per effettuare queste misurazioni, fornendo una soluzione completa di gestione termica attiva. L'ottimizzazione delle fasi di installazione, carica e scarica aumenta la capacità della batteria e ne prolunga la durata, con un potenziale risparmio fino a 3.000 dollari per veicolo.

Tecnologia di sensori stampati multifunzionali per il monitoraggio attivo dello stato di salute della batteria e la gestione termica. Fonte: IDTechEx

Il settore automobilistico sta attraversando un periodo di continua ridefinizione tecnologica, con le principali tendenze dell'elettrificazione e della guida autonoma che plasmano il futuro della mobilità. Anche i requisiti dei sensori per il settore automobilistico si stanno evolvendo, creando opportunità di crescita per i sensori stampati, in grado di abilitare soluzioni tecnologiche multifunzionali. Se verranno rispettate le soglie chiave di costo, peso ed efficienza energetica, i sensori stampati hanno il potenziale per definire i futuri requisiti di rilevamento dei veicoli elettrici prima che la convergenza tra chimica e progettazione delle batterie porti a soluzioni più standardizzate.

Flessibilità: equilibrio tra forma e funzione con sensori flessibili

I sensori e i rilevatori rigidi sono generalmente inadatti per applicazioni che richiedono un rilevamento conforme su superfici non piane, come ad esempio le immagini radiografiche in ambito medico, dove idealmente i rilevatori dovrebbero adattarsi agli arti. La stampa di sensori su substrati flessibili, come PET, poliuretano o poliimmide, offre una soluzione che i sensori non stampati non possono replicare. La varietà di proprietà elastiche, termiche e persino biodegradabili disponibili fa sì che le soluzioni di rilevamento siano altamente personalizzabili e facilmente adattabili alle applicazioni finali.

Le nuove opportunità di crescita per i fotorivelatori flessibili risiedono nel loro potenziale di sostituire le tecnologie di rilevamento esistenti, che trarrebbero chiaramente vantaggio da una maggiore flessibilità e da capacità di misurazione non planari. I fotorivelatori di grandi dimensioni per l'imaging a raggi X ne sono un esempio. I sensori a raggi X flessibili e adattabili al corpo possono migliorare la diagnostica medica, mentre nelle applicazioni industriali, la capacità di acquisire immagini in spazi ristretti promette test non distruttivi dei componenti più rapidi ed efficienti.

La flessibilità è auspicabile solo in un numero limitato di applicazioni di fotorilevamento, con le prospettive più promettenti nelle tecnologie dei sensori stampati, come il rilevamento di forza, deformazione e temperatura. Tuttavia, alcuni fotorivelatori flessibili mostrano il raro potenziale di competere in termini di costi con le soluzioni di imaging esistenti, ad esempio nel rilevamento di raggi X e SWIR. Ciononostante, le prospettive di crescita dei fotorivelatori stampati, in grado di sostituire gli attuali sensori di imaging, dipenderanno dal rispetto di determinati criteri di prestazione ben definiti e rigorosi.

Conclusioni e prospettive

Finora, l'incapacità dei sensori stampati di soddisfare soglie critiche in termini di costi, prestazioni, dimensioni e affidabilità ha impedito la loro penetrazione in mercati di prodotto chiave. Tuttavia, con la digitalizzazione di massa che impone la necessità di acquisire dati su superfici sempre più ampie, il rilevamento su larga scala sta rapidamente diventando il fattore di differenziazione più importante per la tecnologia dei sensori stampati.

La saturazione dei mercati dell'elettronica di consumo sta alimentando l'interesse per sensori di grandi dimensioni che offrono nuove funzionalità innovative, e i fornitori di tecnologie per sensori stampati sono ben posizionati per tenere il passo con i rapidi cicli di sviluppo. I sensori stampati multifunzionali e flessibili sono inoltre sempre più richiesti nei settori medicale e dei veicoli elettrici. Mentre i sensori convenzionali possono singolarmente raggiungere la rilevazione su ampia area, la multifunzionalità e la flessibilità di forma, il modo più efficiente per combinare tutte e tre queste caratteristiche è attraverso i sensori stampati.

Guardando al futuro, IDTechEx prevede che il mercato dei sensori stampati raggiungerà i 960 milioni di dollari entro il 2034. La crescita prevista sarà trainata dalle nuove opportunità offerte dai sensori flessibili multifunzionali di grandi dimensioni in applicazioni quali la gestione dello stato di salute delle batterie, l'autenticazione biometrica su display flessibili e persino l'imaging medicale e industriale a raggi X flessibile.

Autore: Dr. Jack Howley, analista tecnologico presso IDTechEx