無線技術上的進步為軟性電子學開闢了新的機會。近距離無線通訊(NFC)可以實現雙向的短程無線通訊,屬於一類新興的技術,其市場定位是形成軟性印刷型感測器系統的架構。印刷型NFC感測器設備,例如佩戴式的溫度監測器或篡改檢測設備等,並不需要在電路板上提供電源、插頭或有線的連接方式,跳線上的整合晶片在靠近具有NFC功能的讀取器或蜂巢設備時才會啟動。生產NFC感測器系統需要NFC功能元件及感測器功能元件。現在,透過採用印刷型銀軟性製造和裝配製程,可以提高這兩類主要功能元件的製作效率。

最近在銀墨和印刷技術上的發展,可以將每個NFC標籤鑲嵌層或設備所需的導電天線線圈走線印刷到高度耐久、高度靈活的聚合物基板上。與同等的銅電路相比,聚酯上的導電墨水可以顯著降低基板的成本。在相同的基板上可以形成感測器,或者將感測器連接到其上,而且這一製程支援添加微控制器(MCU)單元及其他電子元件,實現全整合的解決方案。從貨運和物流業直到藥物與醫療設施中的病人監護,NPC印刷型感測器系統現在正在轉移到要求一次性使用的眾多產業。

為成功轉換到銀軟性技術而指定

在為給定的應用指定導電墨水和基板材料時,必須認真的考慮多個因素。當從傳統的剛性電路或軟性銅電路過渡到具有NFC功能的印刷型銀軟性感測器系統時,這種做法尤其正確。NFC需要依賴於天線線圈走線的導電性,蝕刻的銅走線是一種高導電性的基體材料,寬度可能小至0.003英吋。然而,印刷型銀電路的導電性要低於作為基體材料的銅,所以印刷的走線需要更寬一些,由於聚合物基板在元件的正常使用過程中會屈曲,較寬的走線特別可以保持印刷走線的完整性。

成功的轉換到銀軟性元件,需要具備相關的知識來進行必要的調整,從而正確的形成更寬的走線,並且設計出功能與基於銅的元件相同的天線。應當部署富有經驗的設計開發團隊簡化這一流程,採用先進、專有的鈑金製造與滾動式製造製程可以簡化智慧標籤、感測器跳線,以及其他大批量產品上銀走線的印刷製程。與FR-4或銅軟性電路板不同的是,印刷型銀柔性技術增加了進行進一步轉換的選項和能力,例如可以形成一卷具有NFC功能的感測器標籤,或者採用圖形貼紙來進行美化。

根據印刷型感測器設計的複雜性及其預期的功能,從FR-4電路板過渡到成本更低的聚合物基板上的印刷型銀電路,可能就是最佳的方案。對於複雜的應用來說,例如,如果印刷電路板上超微型化的元件間距過於稠密,那麼傳統上使用銅的FR-4電路板非常有可能作為首選的技術。對於元件數量較少(約為20件或更少一些)的應用,銀軟性技術的優勢則會更加明顯,原因在於可以降低銀走線覆蓋住的基板區域的佔比。

比如說,佩戴式的健身或醫療感測器上的跳線可以提供充裕的空間,支援更寬的銀走線,並且需要更加柔軟易彎的基板材料,例如聚酯等。聚合物上的印刷型銀軟性技術重量更輕、在三維(3D)上具有極高的靈活性,因此以上任一種應用都還可從該技術中獲益。另一項優勢則在於與銅相比,銀更加環保,其製造過程也更加清潔,這是因為增材型的銀印刷製程不會產生有害的化學蝕刻廢料。

20181017TA31P1 圖1 在聚酯基板上展示了具有代表性的Molex SilverFlex電路,顯示了電路的小尺寸與軟性。

一般來說,在電池供電的設備中,任何無線資料通訊協定消耗的功率在所需的總功率中都會佔很大的比重。使用NFC則可以降低設備的總功率要求,因為無線資料通訊的全部功率都是從NFC讀取器中輸送過來。提供無線讀出功能、啟用了NFC的感測器系統並不需要消耗功率,讀取器可以將供電和資料指令發送到具有NFC功能的感測器系統,然後系統會將資料發送回讀取器,作出回應。為基於印刷的製造製程設計無線NFC感測器系統,可以採用多種方案。在設計階段,則應儘早辨別出最佳的方法。

20181017TA31P2 圖2 Molex NFC溫度即時讀出標籤。

應用驅動的NFC感測器系統架構

一體化的NFC和MCU(單片機)晶片的系統架構相對簡單一些。單晶片可提供定義明確的功能,成本效益極高。然而,成品的功能將受到硬體的侷限,因此一體化的設計最適合用來滿足高度專一的應用的要求,相互獨立的NFC和MCU晶片則通常可以更好的為複雜性較高的設備提供支援。雙晶片的封裝會提高工程上的要求、增加工程成本,但是又允許更高程度的定制,例如,可以支援多種應用或多條產品線,並且對仍在發展中的需求進行監控。在設計和開發的週期中,雙晶片的解決方案可以提高多功能性,使資料記錄功能獨立於資料通訊部分而單獨存在,提供更加複雜而又穩健的功能。MCU可以隨著時間而逐漸的執行資料記錄功能,而且無需為NFC加電,進而延長設備的電池壽命。

NFC感測器系統可以整合到智慧標籤和其他設備中,適合需要資料記錄功能的應用,並且有益於產品保質期方面的時間記錄和溫度記錄,或者對熱敏或環境敏感型產品的監測。條碼或RFID讀取器只是以單向的方式將資料從標籤傳遞到讀取器,與此不同的是,行動電話中嵌入的NFC晶片可以在讀取器-寫入器的模式下部署,供資料獲取應用使用。然後,行動電話可透過蜂巢資料連接或Wi-Fi連接來促進已採集資料向伺服器及雲端的遠距離傳輸。

根據晶片和天線的不同,啟動NFC感測器設備的典型距離有所不同,但是一般在4公分(cm)的範圍以內。非輻射的NFC訊號的近場範圍可使電磁干擾降至最低,在降低了資料外泄或資料入侵風險的同時,可以提供一個更為安全的通訊平台。從功率的觀點來說,與藍牙無線技術相比,NFC設備消耗的總功率要低一些,這就意味著可以為感測器系統延長電池壽命。

20181017TA31P3 圖3 Molex NFC溫度測井智慧標籤,顯示了軟性和透明度。

推動數位時代的創新

對於安全訪問、電子支付系統和其他短距無線應用來說,NFC都是一種久經考驗的技術,但是直到最近才被現代的手機和家庭及辦公場所中的許多種平板電腦所完全採用。這一發展趨勢代表了向前邁進的一大步,可以建立起所需的基礎設施,將NFC的部署提升一個層次。

印刷製造技術中發展潛力最大的一個方面就是存在著潛力來推動數位時代的創新。結合NFC和蜂巢通訊來充分利用銀印刷型感測器系統的應用,可以在前所未有的程度上提供一種可資利用而又受資料驅動的深入洞察力。行動設備與行動應用可以提供基於時間的靈敏度、位置服務,以及遠端電力通訊之類的固有功能,為NFC感測器系統使用的新應用的開發工作提供支援。

NFC可經定制來滿足一系列眾多應用的要求,透過減少資料讀出所需的能量,正在重新塑造感測器系統的 架構。這一技術還可在無需電池的情況下實現持續的自動化監控,這樣就可以顯著的延長設備的壽命,或者降低感測器系統的物料清單成本。NFC功能可以與銀軟性印刷製程與製造製程良好的結合。