Elektronika drukowana i elastyczna: jak powstają czujniki na folii

Elastyczne czujniki można dziś naklejać na skórę, opony, rurociągi i obudowy urządzeń. Pozwalają mierzyć tam, gdzie sztywna płytka drukowana się nie zmieści albo przeszkadzałaby badanemu obiektowi. Według IDTechEx rynek czujników drukowanych i elastycznych był w 2024 roku wart około 421 mln USD, a w perspektywie dekady ma przekroczyć 960 mln USD. Największym segmentem pozostają czujniki siły i nacisku.

Podłoża: PI, PET, PEN, TPU

Wybór podłoża określa, jakie procesy można zastosować i jak długo czujnik przetrwa.

• Poliimid (PI) wytrzymuje temperatury lutowania i jest standardem w obwodach flex. Jest jednak droższy i lekko higroskopijny.
• PET jest tani i przezroczysty, ale nie znosi wysokich temperatur. Nadaje się do druku i utwardzania w niskiej temperaturze.
• PEN jest kompromisem między PET a PI pod względem stabilności wymiarowej i odporności termicznej.
• TPU i elastomery są rozciągliwe. Stosuje się je w e-tekstyliach i czujnikach naskórnych, gdzie podłoże musi się wydłużać, a nie tylko zginać.

Technologie wytwarzania

Sitodruk i druk atramentowy

Ścieżki i elektrody drukuje się pastami i atramentami srebrowymi, węglowymi lub z polimerów przewodzących. Sitodruk jest szybki i tani w dużych seriach. Druk atramentowy pozwala na szybkie zmiany wzoru bez nowych sit. Wyzwania stanowią rezystancja ścieżek (wyższa niż w przypadku miedzi), przyczepność i trwałość przy wielokrotnym zginaniu.

Grafen indukowany laserowo (LIG)

Wiązka lasera CO₂ lub UV przekształca powierzchnię poliimidu w porowatą, przewodzącą strukturę grafenopodobną. Nie trzeba żadnego atramentu: wzór elektrody „wypala się” bezpośrednio w folii. LIG intensywnie bada się jako materiał na czujniki wilgotności, temperatury, odkształcenia i czujniki elektrochemiczne. Kuszą niski koszt prototypowania i duża powierzchnia właściwa. Ograniczeniem pozostaje powtarzalność między partiami.

Cienkie warstwy i fotolitografia

Napylanie metali (złoto, platyna) i fotolitografia na folii dają najlepszą precyzję i powtarzalność, np. w elektrodach grzebieniowych do pomiarów pojemnościowych i impedancyjnych. Proces jest jednak droższy i wymaga pomieszczeń czystych (cleanroom).

Elastyczna elektronika hybrydowa (FHE)

W praktyce najbliżej rynku jest podejście hybrydowe. Drukowane lub trawione ścieżki na folii łączy się z klasycznymi układami scalonymi: mikrokontrolerem, radiem i krzemowym czujnikiem (np. temperatury albo wilgotności). Otrzymuje się dokładność czujnika katalogowego w formie, która może się zginać i dopasować do powierzchni. W USA rozwój tego podejścia wspiera m.in. konsorcjum NextFlex, które w kolejnych naborach finansuje projekty kwalifikacji niezawodności FHE.

Na co zwrócić uwagę w projekcie

• Promień gięcia i liczba cykli: określ je na początku. Statyczne dopasowanie do kształtu to zupełnie inne wymaganie niż ciągłe zginanie.
• Strefa neutralna: kruche elementy umieszczaj tam, gdzie odkształcenie przy gięciu jest najmniejsze.
• Kapsułkowanie: warstwa ochronna musi być elastyczna i jednocześnie szczelna dla wilgoci. To często kompromis.
• Testy: zginanie cykliczne, komora klimatyczna, pomiar rezystancji ścieżek w czasie. Dokumentuj zmianę parametrów, a nie tylko „działa – nie działa”.

W kolejnym wpisie opisujemy komercyjne czujniki nacisku i temperatury na folii. Projektowanie obwodów giętkich omawiamy we wpisie o PCB flex i rigid-flex.

Źródła

1. IDTechEx. Printed and Flexible Sensors 2024–2034. idtechex.com
2. Hu i in. (2025). Grafen indukowany laserowo w czujnikach. Journal of Materials Chemistry C 13: 1573. doi:10.1039/D4TC03547J
3. Aftab i in. (2024). ACS Sensors. doi:10.1021/acssensors.4c01717
4. Wadhwa i in. (2025). Drukowany czujnik wilgotności SiC na poliimidzie. Communications Engineering 4: 96. doi:10.1038/s44172-025-00425-2
5. NextFlex. Project Call 11.0. manufacturingusa.com

• czujniki elastyczne
• elektronika drukowana
• materiały