迄今為止，智能傳感的普及受到使用傳統(tǒng)技術制造的電子系統(tǒng)組件和電路板的成本、重量、尺寸、外形和功耗的阻礙。然而，印刷電子技術的新進展已經(jīng)將嵌入式系統(tǒng)的傳感和數(shù)據(jù)捕獲范圍擴展到了我們所知道的范圍之外，同時還包含了急需的安全功能。再加上智能算法的發(fā)展，強調使用小數(shù)據(jù)集使獲取數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和分析更加高效和可操作，嵌入式計算中物聯(lián)網(wǎng)范式轉變的承諾已準備好實現(xiàn)。

迄今為止，業(yè)界在利用高度集成、基于 PC 板的嵌入式系統(tǒng)和低功耗技術來降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本和提高效率方面做得非常出色?，F(xiàn)在我們已經(jīng)到了一個關鍵時刻，物聯(lián)網(wǎng)中可操作的智能的下一個級別需要將智能傳感輸入從數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千個節(jié)點擴展到數(shù)百萬甚至數(shù)十億個節(jié)點。盡管數(shù)字各不相同，但 IDC 預測，到 2020 年，終端的安裝基礎將超過 280 億個，所有這些都需要保持可接受的成本、效率和安全水平。隨著負擔得起的電子智能的范圍進一步擴大到包括大容量消費品，連接對象的數(shù)量很容易達到 IBM 預測的萬億單位。

隨著預測端點數(shù)量的增加，算法開發(fā)人員的壓力已經(jīng)轉移到尋找過濾收集的數(shù)據(jù)類型和數(shù)量的方法，以減少收集可用信息所需的時間和處理能力（圖 1）。這導致了對數(shù)據(jù)流分析的大量研究，例如，它規(guī)定不是傳感器不斷報告其狀態(tài)并創(chuàng)建要處理和存儲的 TB 數(shù)據(jù)，而是使用算法來設置預定的壓力和溫度范圍，以便發(fā)出警報。僅在超過這些限制時發(fā)送。因此，可以減少網(wǎng)絡和系統(tǒng)處理以及存儲開銷，從而提高整體效率。

圖 1：新的數(shù)據(jù)源將成倍增加網(wǎng)絡的智能，但需要新的算法來減輕數(shù)據(jù)處理的負擔。

這種對較小數(shù)據(jù)集的關注，加上傳感節(jié)點滲透新應用和市場的機會——如標簽、一次性醫(yī)療保健、藥品、消費品、供應鏈和產(chǎn)品安全——為創(chuàng)新制造和傳感技術創(chuàng)造了動力像印刷電子產(chǎn)品。將此類技術與靈活的低功耗處理解決方案結合使用可以幫助設計人員以低成本為他們的嵌入式系統(tǒng)增加有線和無線智能。

可印刷電子產(chǎn)品的新基礎

印刷電子產(chǎn)品已經(jīng)從早期實現(xiàn)的基本導電銅或銀跡線的發(fā)展演變而來，這些跡線印刷在傳統(tǒng)電子元件連接到的硬（以及后來的柔性）基板上?，F(xiàn)在，由于材料科學的進步，印刷電子產(chǎn)品包含了各種各樣的功能，從卷對卷存儲器到可印刷薄膜晶體管 （TFT） 邏輯，甚至是無線通信。

印刷電子產(chǎn)品中最近商業(yè)化的一種核心構件是印刷存儲器。印刷存儲器的工作原理是，當向鐵電聚合物材料施加電壓時，聚合物層內的偶極子沿兩個方向之一排列，具體取決于電壓是施加到頂部電極還是底部電極。移除電壓后，材料保持相同的狀態(tài)，可以讀取為 1 或 0，使其相當于非易失性存儲器 （NVM） 單元，但成本更低，并且可用于薄、靈活的自不干膠標簽。

但是，雖然內存有很多應用，但印刷系統(tǒng)也需要邏輯。這里至少有兩個選項。首先，施樂帕洛阿爾托研究中心 （PARC） 和薄膜電子 ASA 的合作產(chǎn)生了可印刷的 TFT 晶體管。其次，已開發(fā)出一種稱為印刷摻雜多晶硅 （PDPS） 的混合印刷制造工藝，以解決射頻和其他需要高性能晶體管的應用，我們將對此進行進一步探索。

PDPS 工藝支持 NFC 條碼和基于傳感器的 NFC 智能標簽產(chǎn)品，可以為使用 NFC 連接到智能手機的印刷系統(tǒng)設計可印刷的高頻射頻電路。NFC 功能的加入開辟了以智能手機為中心的新應用范圍，其中一些應用才剛剛開始形成。

在 Thin Film ASA 的智能標簽中，內存、邏輯和 NFC 與溫度傳感器和薄型電池相結合，可在溫度偏差超出出廠設置限制時發(fā)出警告。雖然柔性基板使其能夠適應曲面，但傳感器可以設置為低至 -2 °C 和高達 +30 °C 的閾值檢測。完全獨立的系統(tǒng)不需要外部電源或接線，底層傳感器平臺可作為其他未來傳感機制的基礎，例如計時、濕度甚至血氧計數(shù)。

將可打印內存、邏輯和 NFC 與傳感器相結合，可以開發(fā)可增加系統(tǒng)智能的經(jīng)濟實惠、低功耗、一次性的智能傳感節(jié)點。在這種情況下，這樣的系統(tǒng)將一個簡單的溫度傳感器集成到一個智能標簽中，當超出預定義的限制時，該標簽會將溫度偏移數(shù)據(jù)從智能手機無線上傳到云端，從而可以監(jiān)控和跟蹤敏感疫苗和易腐食品。

物聯(lián)網(wǎng)安全有保障

雖然可印刷電子產(chǎn)品能夠深入物聯(lián)網(wǎng)，但設計人員需要確保該技術的安全特性，以便將其引入下一代系統(tǒng)設計。

在印刷記憶的情況下，這種保證來自三個層次。首先，印刷存儲器中鐵電材料的基本構成產(chǎn)生了一種獨特的特征，這種特征只能來自真正的部件。其次，這種特征簽名只能通過與讀者的身體接觸來閱讀。最后，內存本身不可 IP 尋址，從而防止外部入侵。

在 NFC 標簽和智能標簽的情況下，NFC 標簽的短距離可讀性（不能電修改的集成只讀存儲器）以及 NFC 接口也不是 IP 可尋址的事實提供了安全性。

開發(fā)和連接

與任何新技術一樣，正確入門至關重要。必須提供支持以確?？焖?、輕松的開發(fā)過程，以便在“智能耗材”和品牌保護應用程序中使用印刷存儲器簡化開發(fā)，設計人員可以從包含存儲器標簽和相應存儲器接口 IC（裸芯片）的基本套件開始或封裝形式）讀取和寫入可打印內存（圖 4）。代碼支持也可用于與主機微控制器集成。

圖 4：為了開始開發(fā)，為印刷電子開發(fā)套件提供了一個存儲器接口 IC，用于通過物理接觸引腳讀取和寫入印刷存儲器。此處顯示的是正在讀取的耗材標簽。

對于基于 NFC 的應用，將智能標簽或節(jié)點連接到云必須很簡單。此處的支持以 EVRYTHNG Active Digital Identity 平臺的形式提供。

EVRYTHNG 處理為每個實物產(chǎn)品分配唯一的數(shù)字身份。基于云的軟件即服務 （SaaS） 平臺可以連接和管理所有類型的智能物品，從連接的洗衣機到基于印刷電子的支持 NFC 的傳感器標簽。EVRYTHNG 引擎管理每個項目的動態(tài)配置文件，并通過唯一可尋址的 API 實現(xiàn)交互性。這使得產(chǎn)品或設備始終可訪問、可管理和智能。

印刷電子產(chǎn)品差異化

現(xiàn)在，嵌入式開發(fā)人員可以自由地開發(fā)高度可擴展的系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點數(shù)量的逐步增加，通過添加具有成本效益的高效技術來更好地服務于他們的最終客戶。

審核編輯：郭婷