Drukowana elektronika jako klucz do kompaktowych i funkcjonalnych urządzeń IoT
W świecie projektowania urządzeń IoT każda decyzja projektowa to balans między kompaktowym rozmiarem, funkcjonalnością, a możliwością szybkiego wdrożenia. Przyjrzyjmy się temu procesowi na przykładzie Michała. To doświadczony konstruktor z firmy projektującej urządzenia dla sektora medycznego, właśnie siedzi nad nową wersją opaski diagnostycznej. Klient wymaga, aby urządzenie było lekkie, odporne na wilgoć i miało jak najmniej wystających elementów. Tradycyjne podejście z osobnymi płytkami PCB, przewodami i plastikowym panelem użytkownika staje się barierą, a nie rozwiązaniem.
Właśnie w takich momentach wkracza technologia drukowanej elektroniki – integracja bez kabli. Wdrożenie funkcji HMI, sensorów oraz przewodzących połączeń w jednej, elastycznej strukturze to już nie nowinka technologiczna. To codzienność firm, które chcą produkować szybciej, taniej i z większą kontrolą nad jakością. To narzędzie, dzięki któremu Michał może nie tylko zrealizować projekt zgodnie z wymaganiami, ale wręcz je przekroczyć, oferując coś niezawodnego i jednocześnie – prostszego w produkcji.
Wyobraź sobie warstwę z folii PET o grubości 125 mikrometrów, na której jednocześnie nadrukowano przyciski pojemnościowe, sensory nacisku, warstwę graficzną i komplet ścieżek łączących z mikrokontrolerem. Całość waży kilka gramów, zgina się bez ryzyka złamania i eliminuje kilkanaście tradycyjnych komponentów. To nie jest koncepcja z targów – to realna oferta dla konstruktora, który chce projektować bardziej świadomie. Tutaj nie ma wyjścia – integracja bez kabli to jedyna rozwiązanie.
Drukowana elektronika w technologii sheet-to-sheet (S2S) to dziś jedno z najważniejszych narzędzi, jakie inżynier może mieć w swoim warsztacie projektowym. Pozwala mu zintegrować w jednej strukturze tyle funkcji, ile jeszcze niedawno wymagało osobnych podzespołów. Mniej kabli. Mniej błędów. Mniej ograniczeń. Więcej swobody projektowej i kontroli nad tym, jak urządzenie wygląda, działa i jak je się produkuje.
Integracja bez kabli – co można zintegrować w jednej warstwie?
1. Interfejsy HMI
Nowoczesne przyciski dotykowe, slidery i panele sterujące mogą być dziś projektowane na postawie cienkowarstwowych struktur drukowanych metodą sitodruku lub drukowania atramentowego. Ich przewagą nad klasycznymi przyciskami mechanicznymi jest brak części ruchomych, znaczna redukcja wysokości konstrukcji oraz odporność na wodę i zabrudzenia. Szczególnie w zastosowaniach outdoorowych i przemysłowych, gdzie czystość i niezawodność są kluczowe, takie rozwiązanie sprawdza się doskonale.
Przycisk pojemnościowy oparty na drukowanej elektronice to w rzeczywistości struktura składająca się z kilku współdziałających warstw. Warstwa funkcjonalna zawiera elektrody przewodzące ze srebra drukowanego tuszem Henkel 725A, które charakteryzują się rezystywnością poniżej 0,05 Ω/□ oraz doskonałą adhezją do podłoża PET. Nad nią znajduje się warstwa dielektryczna (np. Elantas PL 6051), której grubość może wynosić od 10 do 30 mikrometrów, a odporność temperaturowa sięga 120°C.
Całość jest zabezpieczona folią frontową z nadrukowaną grafiką, przez którą można umieścić przezroczyste okna lub symbole przycisków. Taka konstrukcja, mimo wielowarstwowości, może mieć całkowitą grubość zaledwie 0,3–0,5 mm, co pozwala na integrację bez kabli, bezpośrednio z płaskimi powierzchniami obudowy. Dodatkowo możliwe jest wkomponowanie podświetlenia LED, które doświetla aktywny obszar przez dyfuzyjne okno w warstwie graficznej. Dzięki zastosowaniu technologii sheet-to-sheet (S2S), wszystkie warstwy są precyzyjnie nadrukowywane i rejestrowane względem siebie z dokładnością ±20 µm.
2. Sensory a integracja bez kabli
Drukowane sensory nacisku, temperatury, zbliżeniowe i wilgotności można projektować jako zintegrowane warstwy funkcjonalne w ramach jednego procesu produkcyjnego. Dzięki temu cała struktura może jednocześnie odbierać dane z otoczenia, interpretować je i przesyłać bezpośrednio do mikrokontrolera. To znacznie ogranicza konieczność stosowania osobnych czujników, przewodów i złączy, co upraszcza projekt urządzenia i zmniejsza jego awaryjność.
Przykładem popularnego rozwiązania jest drukowany czujnik nacisku typu FSR (Force Sensing Resistor), w którym warstwa tuszu węglowego (np. ELCO 407C lub EDAG 423SS) tworzy element oporowy o zmiennej rezystancji pod wpływem siły nacisku. W układzie tym dolna elektroda srebrna jest oddzielona od warstwy grafitowej cienką dielektryczną warstwą dystansującą z wyciętym obszarem aktywnym. Taka konstrukcja pozwala na pomiar nacisku w zakresie od kilku gramów do kilku kilogramów, a rezystancja zmienia się typowo od 1 MΩ (brak nacisku) do kilkuset omów (maksymalne dociśnięcie).
Warstwy sensorowe drukuje się zwykle na podłożach takich jak PET o grubości 125 µm lub elastycznym TPU o grubości 100–150 µm, w zależności od wymagań aplikacyjnych. PET zapewnia dobrą stabilność wymiarową i odporność chemiczną, natomiast TPU oferuje wysoką rozciągliwość i lepszą integrację z powierzchniami nieregularnymi (np. tekstyliami czy paskami noszonymi na ciele).
Minimalny promień gięcia dla typowej warstwy drukowanej na PET 125 µm wynosi ok. 5 mm przy pojedynczym gięciu, ale może być większy w przypadku laminatów wielowarstwowych. Istotne jest także dobranie odpowiednich tuszy o wysokiej elastyczności i odporności na pękanie przy cyklicznych zgięciach – np. tusze węglowe z dodatkiem elastomerów lub hybrydowe pasty z nanocząstkami przewodzącymi.
Zastosowania tego typu sensorów obejmują nie tylko opaski i maty, ale też interfejsy foteli samochodowych, systemy rehabilitacyjne, a także inteligentne etykiety środowiskowe, które reagują na wilgoć lub kontakt z wodą. Wszystkie te funkcje
3. Warstwa graficzna a integracja bez kabli
Zintegrowana ikonografia, kolorystyka oraz elementy świetlne są najważniejszymi składnikami nowoczesnych interfejsów użytkownika. W warstwie wierzchniej panelu HMI stosuje się zazwyczaj transparentne farby UV, które zapewniają wysoką trwałość nadruku, odporność na warunki atmosferyczne oraz możliwość druku precyzyjnych detali w rozdzielczości nawet do 100 µm. Alternatywnie wykorzystywane są także farby offsetowe, zwłaszcza gdy wymagana jest większa różnorodność kolorystyczna lub pełne pokrycie tła.
Do dyfuzji światła stosuje się laminaty o rozpraszającym profilu optycznym, które umożliwiają równomierne rozprowadzenie światła z diod LED umieszczonych poniżej. Dzięki nim możliwe jest tworzenie podświetlanych ikon i stref aktywnych, widocznych nawet przy dużym nasłonecznieniu. Typowe parametry laminatów dyfuzyjnych to grubość 75–125 µm i współczynnik transmisji światła ok. 80–90%.
Ikony, numery, piktogramy oraz obszary aktywne mogą być nanoszone metodą sitodruku na wewnętrznej stronie folii frontowej (tzw. reverse printing). Takie integracje bez kabli chronią grafikę przed ścieraniem i uszkodzeniami mechanicznymi, bez potrzeby stosowania dodatkowych etykiet lub naklejek. Farby stosowane w tym procesie (np. Nazdar lub Marabu) muszą być kompatybilne z folią PET lub PC i posiadać odpowiednią elastyczność, aby nie pękały podczas termoformowania lub montażu na giętkich obudowach.
W efekcie warstwa graficzna staje się integralną częścią urządzenia, która łączy funkcjonalność z estetyką, zapewniając jednocześnie trwałość wizualną i możliwość dostosowania do indywidualnych potrzeb projektu.
4. Ścieżki przewodzące
Połączenia elektryczne od elementów interfejsu lub sensora do płytki głównej lub mikrokontrolera mogą zostać nadrukowane bezpośrednio na tej samej warstwie funkcjonalnej, co pozostałe elementy HMI czy sensory. Dzięki temu możliwe jest stworzenie kompletnego układu sygnałowego bez użycia dodatkowych przewodów, konektorów czy taśm FFC, co znacznie upraszcza montaż i redukuje liczbę elementów w projekcie.
Typowa ścieżka przewodząca wykonana tuszem srebrnym Henkel 725A ma grubość ok. 10 µm i szerokość od 0,3 mm (dla sygnałów) do 1 mm (dla zasilania lub LED). Rezystywność tej warstwy utrzymuje się poniżej 0,02 Ω/□, co oznacza, że nawet przy dłuższych trasach (np. 150 mm) można zapewnić napięcie robocze bez większych strat. Przewody mogą być zakończone na kilka sposobów: przez nadrukowanie padu lutowniczego, pola kontaktowego do wgrzania przewodu lub kompatybilnego złączem ZIF (zero insertion force), w którym kontakt realizowany jest poprzez docisk mechaniczny.
Zaletą nadrukowanych ścieżek jest także ich dowolność w prowadzeniu na powierzchniach płaskich, giętkich lub nawet zakrzywionych. Dzięki odpowiedniemu doborowi geometrii i materiałów możliwe jest utrzymanie parametrów elektrycznych nawet przy wielokrotnym zginaniu. W systemach S2S, takich jak produkuje LC Elektronik, możliwa jest produkcja struktur wielościeżkowych z rejestracją warstw ±20 µm, co pozwala na bardzo precyzyjne układanie tras w projektach o wysokim zagęszczeniu.
Zastosowanie jednej, zintegrowanej warstwy funkcjonalnej, która łączy w sobie elektrody, sensory, grafikę i ścieżki sygnałowe, eliminuje wiele potencjalnych punktów awarii, skraca czas montażu i umożliwia pełną prefabrykację komponentu przed integracją z obudową lub płytką bazową. To znacznie ułatwia późniejszy montaż końcowy i serwis. Warto więc rozważyć integrację bez kabli.
Materiały i konstrukcja
- Podłoża: PET 125 µm (standard w LC Elektronik), TPU do zastosowań elastycznych
- Tusze przewodzące: Henkel 725A (Ag), rezystywność < 0,05 Ω/□
- Tusze izolacyjne: Elantas PL 6051, odporność na temperaturę do 120°C
- Druk: S2S, rejestracja warstw ±20 µm, maks. format 500 × 700 mm
Integracja bez kbali – zalety dla konstruktora
- Zmniejszenie liczby komponentów i kabli
- Uproszczenie BOM i dokumentacji
- Mniej złączy = mniej potencjalnych usterek
- Łatwiejszy montaż, możliwość prefabrykacji
Przykłady aplikacji
- Interfejsy HMI w AGD i HVAC
- Maty naciskowe i sensoryczne w fotelach
- Zintegrowane panele medyczne (np. do fizjoterapii)
- Opaski wearable z nadrukowanym układem
Integracja bez kabli – podsumowanie
Technologia S2S pozwala konstruktorowi projektować nie tylko układy, ale całe funkcjonalne warstwy interfejsu i pomiaru. To łączenie elektroniki, mechaniki i estetyki w jednej, cienkowarstwowej strukturze, która daje ogromne możliwości projektowe. Integracja bez kabli to redukcja komponentów. A to oznacza nie tylko oszczędności, ale i wyższą niezawodność.