從智能家居到智能汽車，智能手表和智能手機，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備已成為我們?nèi)粘Ｉ钪械墓潭ㄔO(shè)備，并將在未來發(fā)揮更大的作用。隨著應(yīng)用范圍的擴大，增材制造為有興趣開發(fā)獨特的IoT設(shè)備的潛在IoT設(shè)計師提供了一些真正的優(yōu)勢。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要許多標準功能，并且更多的設(shè)計人員在進入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域時將需要考慮這些功能。幸運的是，學習如何設(shè)計IoT設(shè)備與設(shè)計其他類似的PCB并沒有太大不同。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成了許多功能，這些功能以前被分為不同的板，目的是在單個設(shè)備中提供感應(yīng)，人機交互和通信。

傳感器和接口

任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要某種類型的界面，該界面允許人類與該設(shè)備進行交互。觸摸屏或小鍵盤是用于控制IoT設(shè)備的界面的常見示例。這些組件可作為商用現(xiàn)貨（COTS）組件廣泛使用，可以輕松添加到IoT設(shè)備的PCB中。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常包含許多用于與外部環(huán)境交互的傳感器。示例包括觸摸傳感器，聲音或振動傳感器，環(huán)境傳感器和電氣傳感器。這些傳感器是純模擬設(shè)備，因此設(shè)計人員將需要使用MCU，FPGA，CPLD或其他集成電路將這些模擬信號直接轉(zhuǎn)換為板上的數(shù)字數(shù)據(jù)。

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時使用模擬和數(shù)字信號，因此設(shè)計人員需要遵循混合信號設(shè)備的標準設(shè)計規(guī)范。這涉及分離電路板的模擬和數(shù)字部分，同時保持整個器件的接地層連接性。接地的位置應(yīng)確保接地平面中的數(shù)字返回信號不會在模擬組件下方傳播。

3D打印在傳感器設(shè)計中提供了許多優(yōu)勢，因為可以將傳感器的導(dǎo)電元件直接印刷在板上，而無需使用蝕刻和電鍍工藝。這對于電容式觸摸傳感器，應(yīng)變傳感器或耐化學腐蝕的環(huán)境傳感器尤其有用。連接器也可以直接3D打印到板上，從而可以將COTS傳感器輕松添加到3D打印的IoT設(shè)備中。

無線通訊能力

如今，很難找到使用以太網(wǎng)電纜硬連接到調(diào)制解調(diào)器的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因此您需要在PCB中包括無線通信功能。有多種選項可用于將這些功能添加到設(shè)備中，具體取決于設(shè)備所需的無線協(xié)議。

整合無線功能的一種選擇是在板上包含一個COTS天線和一個收發(fā)器。某些天線（例如橡皮鴨或貼片天線）需要使用小的同軸電纜連接到您的電路板上?；蛘撸梢詾殡娐钒迨謩釉O(shè)計印刷天線，例如微帶天線，倒F形天線或領(lǐng)結(jié)天線。由于3D打印自然可以將導(dǎo)電元件直接打印在基板上，因此它適用于IoT設(shè)備的天線設(shè)計。

您還需要在有源或無源GPS天線之間進行選擇。與無源天線相比，有源天線在天線模塊中內(nèi)置了一個低噪聲放大器（LNA）。這些天線通常位于自己的板上，需要使用同軸電纜連接到設(shè)備。一些領(lǐng)結(jié)天線非常有用，因為它們還可以與GPS一起提供WLAN通信。您還需要為GPS天線模塊包括一個接收器。某些COTS接收器可以正常工作，因為它們包括一個用于天線的50歐姆匹配網(wǎng)絡(luò)，因此您無需手動設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)。

無論您是要包括用于LAN / WLAN通信的定制天線，GPS，藍牙還是其他協(xié)議，都可以使用正確的增材制造系統(tǒng)將定制設(shè)計的印刷天線直接3D打印在基板上。使用沉積納米粒子導(dǎo)電墨水的噴墨系統(tǒng)可以以任何幾何形狀（包括非平面選項）高精度打印天線。

3D打印物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的其他優(yōu)勢

增材制造系統(tǒng)仍然無法像FR4那樣用編織方式印刷剛性基材，但是正確的氣霧劑或噴墨系統(tǒng)可以印刷電模擬FR4并具有相似電性能的聚合物電介質(zhì)基材。此類材料在RF應(yīng)用中具有某些優(yōu)勢。FR4上用于RF器件的PCB在表面層上需要特殊的層壓板，以減少吸收損耗，這就是為什么某些高頻器件是在陶瓷氧化鋁或氮化鋁上設(shè)計的原因。與FR4相比，印刷的聚合物基材在高頻下的損耗可能更低，這與特種陶瓷材料中的損耗相當。

需要接地平面的天線將需要印刷在多層板上，其中接地平面位于內(nèi)層。3D打印的聚合物板僅需要單層逐層沉積過程，其中導(dǎo)電元素和基材可以單次沉積。相比之下，剛性多層PCB需要數(shù)十次沉積，蝕刻，電鍍和壓制步驟，這增加了制造時間和成本。除非您從傳統(tǒng)的PCB制造商那里訂購了昂貴的小批量生產(chǎn)產(chǎn)品，否則這使得剛性板無法用于快速成型。

借助增材制造系統(tǒng)，一天之內(nèi)即可生產(chǎn)和測試單個IoT設(shè)備的能力使設(shè)計人員能夠快速構(gòu)建原型并測試其性能。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的3D打印速度可以比傳統(tǒng)制造的設(shè)備快90％?？梢愿鶕?jù)需要快速制定和實施設(shè)計修訂。逐層沉積工藝不會將傳感器和天線設(shè)計人員限制為使用純平面設(shè)計。可以使用3D打印機制造獨特的架構(gòu)，包括非平面或重復(fù)的元素。

將3D打印規(guī)則應(yīng)用于您設(shè)計IOT設(shè)備的方式

每個增材制造系統(tǒng)都有其自己的設(shè)計規(guī)則和限制。任何增材制造系統(tǒng)的一個重要限制是3D打印導(dǎo)電元件的分辨率，因為這會限制走線寬度，通孔尺寸和可放置在任何設(shè)備中的焊盤尺寸。幸運的是，噴墨3D打印機提供適用于高頻天線和傳感器設(shè)計的高分辨率打印。這項技術(shù)可確保您的設(shè)計能夠準確打印，并且可以與傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品媲美。

隨著增材制造技術(shù)的成熟和圍繞各種沉積工藝的標準的制定，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員可以期望增材制造系統(tǒng)具有更大的靈活性和一致性。這將有助于簡化用于小批量，高復(fù)雜度物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造的設(shè)計。