嵌入式智能技术应用到印刷电子中

迄今为止，智能传感的普及受到使用传统技术制造的电子系统组件和电路板的成本、重量、尺寸、外形和功耗的阻碍。然而，印刷电子技术的新进展已经将嵌入式系统的传感和数据捕获范围扩展到了我们所知道的范围之外，同时还包含了急需的安全功能。再加上智能算法的发展，强调使用小数据集使获取数据的呈现和分析更加高效和可操作，嵌入式计算中物联网范式转变的承诺已准备好实现。

迄今为止，业界在利用高度集成、基于 PC 板的嵌入式系统和低功耗技术来降低物联网系统的成本和提高效率方面做得非常出色。现在我们已经到了一个关键时刻，物联网中可操作的智能的下一个级别需要将智能传感输入从数十、数百或数千个节点扩展到数百万甚至数十亿个节点。尽管数字各不相同，但 IDC 预测，到 2020 年，终端的安装基础将超过 280 亿个，所有这些都需要保持可接受的成本、效率和安全水平。随着负担得起的电子智能的范围进一步扩大到包括大容量消费品，连接对象的数量很容易达到 IBM 预测的万亿单位。

随着预测端点数量的增加，算法开发人员的压力已经转移到寻找过滤收集的数据类型和数量的方法，以减少收集可用信息所需的时间和处理能力（图 1）。这导致了对数据流分析的大量研究，例如，它规定不是传感器不断报告其状态并创建要处理和存储的 TB 数据，而是使用算法来设置预定的压力和温度范围，以便发出警报。仅在超过这些限制时发送。因此，可以减少网络和系统处理以及存储开销，从而提高整体效率。

图 1：新的数据源将成倍增加网络的智能，但需要新的算法来减轻数据处理的负担。

这种对较小数据集的关注，加上传感节点渗透新应用和市场的机会——如标签、一次性医疗保健、药品、消费品、供应链和产品安全——为创新制造和传感技术创造了动力像印刷电子产品。将此类技术与灵活的低功耗处理解决方案结合使用可以帮助设计人员以低成本为他们的嵌入式系统增加有线和无线智能。

可印刷电子产品的新基础

印刷电子产品已经从早期实现的基本导电铜或银迹线的发展演变而来，这些迹线印刷在传统电子元件连接到的硬（以及后来的柔性）基板上。现在，由于材料科学的进步，印刷电子产品包含了各种各样的功能，从卷对卷存储器到可印刷薄膜晶体管 （TFT） 逻辑，甚至是无线通信。

印刷电子产品中最近商业化的一种核心构件是印刷存储器。印刷存储器的工作原理是，当向铁电聚合物材料施加电压时，聚合物层内的偶极子沿两个方向之一排列，具体取决于电压是施加到顶部电极还是底部电极。移除电压后，材料保持相同的状态，可以读取为 1 或 0，使其相当于非易失性存储器 （NVM） 单元，但成本更低，并且可用于薄、灵活的自不干胶标签。

但是，虽然内存有很多应用，但印刷系统也需要逻辑。这里至少有两个选项。首先，施乐帕洛阿尔托研究中心 （PARC） 和薄膜电子 ASA 的合作产生了可印刷的 TFT 晶体管。其次，已开发出一种称为印刷掺杂多晶硅 （PDPS） 的混合印刷制造工艺，以解决射频和其他需要高性能晶体管的应用，我们将对此进行进一步探索。

PDPS 工艺支持 NFC 条码和基于传感器的 NFC 智能标签产品，可以为使用 NFC 连接到智能手机的印刷系统设计可印刷的高频射频电路。NFC 功能的加入开辟了以智能手机为中心的新应用范围，其中一些应用才刚刚开始形成。

在 Thin Film ASA 的智能标签中，内存、逻辑和 NFC 与温度传感器和薄型电池相结合，可在温度偏差超出出厂设置限制时发出警告。虽然柔性基板使其能够适应曲面，但传感器可以设置为低至 -2 °C 和高达 +30 °C 的阈值检测。完全独立的系统不需要外部电源或接线，底层传感器平台可作为其他未来传感机制的基础，例如计时、湿度甚至血氧计数。

将可打印内存、逻辑和 NFC 与传感器相结合，可以开发可增加系统智能的经济实惠、低功耗、一次性的智能传感节点。在这种情况下，这样的系统将一个简单的温度传感器集成到一个智能标签中，当超出预定义的限制时，该标签会将温度偏移数据从智能手机无线上传到云端，从而可以监控和跟踪敏感疫苗和易腐食品。

物联网安全有保障

虽然可印刷电子产品能够深入物联网，但设计人员需要确保该技术的安全特性，以便将其引入下一代系统设计。

在印刷记忆的情况下，这种保证来自三个层次。首先，印刷存储器中铁电材料的基本构成产生了一种独特的特征，这种特征只能来自真正的部件。其次，这种特征签名只能通过与读者的身体接触来阅读。最后，内存本身不可 IP 寻址，从而防止外部入侵。

在 NFC 标签和智能标签的情况下，NFC 标签的短距离可读性（不能电修改的集成只读存储器）以及 NFC 接口也不是 IP 可寻址的事实提供了安全性。

开发和连接

与任何新技术一样，正确入门至关重要。必须提供支持以确保快速、轻松的开发过程，以便在“智能耗材”和品牌保护应用程序中使用印刷存储器简化开发，设计人员可以从包含存储器标签和相应存储器接口 IC（裸芯片）的基本套件开始或封装形式）读取和写入可打印内存（图 4）。代码支持也可用于与主机微控制器集成。

图 4：为了开始开发，为印刷电子开发套件提供了一个存储器接口 IC，用于通过物理接触引脚读取和写入印刷存储器。此处显示的是正在读取的耗材标签。

对于基于 NFC 的应用，将智能标签或节点连接到云必须很简单。此处的支持以 EVRYTHNG Active Digital Identity 平台的形式提供。

EVRYTHNG 处理为每个实物产品分配唯一的数字身份。基于云的软件即服务 （SaaS） 平台可以连接和管理所有类型的智能物品，从连接的洗衣机到基于印刷电子的支持 NFC 的传感器标签。EVRYTHNG 引擎管理每个项目的动态配置文件，并通过唯一可寻址的 API 实现交互性。这使得产品或设备始终可访问、可管理和智能。

印刷电子产品差异化

现在，嵌入式开发人员可以自由地开发高度可扩展的系统，利用物联网节点数量的逐步增加，通过添加具有成本效益的高效技术来更好地服务于他们的最终客户。

审核编辑：郭婷