從智能家居到智能汽車，智能手表和智能手機，物聯網（IoT）設備已成為我們日常生活中的固定設備，并將在未來發揮更大的作用。隨著應用范圍的擴大，增材制造為有興趣開發獨特的IoT設備的潛在IoT設計師提供了一些真正的優勢。

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

傳感器和接口

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

物聯網設備通常包含許多用于與外部環境交互的傳感器。示例包括觸摸傳感器，聲音或振動傳感器，環境傳感器和電氣傳感器。這些傳感器是純模擬設備，因此設計人員將需要使用MCU，FPGA，CPLD或其他集成電路將這些模擬信號直接轉換為板上的數字數據。

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

3D打印在傳感器設計中提供了許多優勢，因為可以將傳感器的導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，應變傳感器或耐化學腐蝕的環境傳感器尤其有用。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設備中。

無線通訊能力

如今，很難找到使用以太網電纜硬連接到調制解調器的任何物聯網設備，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備中，具體取決于設備所需的無線協議。

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。或者，您可以為電路板手動設計印刷天線，例如微帶天線，倒F形天線或領結天線。由于3D打印自然可以將導電元件直接打印在基板上，因此它適用于IoT設備的天線設計。

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備。一些領結天線非常有用，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歐姆匹配網絡，因此您無需手動設計匹配網絡。

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

3D打印物聯網設備的其他優勢

增材制造系統仍然無法像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可以印刷電模擬FR4并具有相似電性能的聚合物電介質基材。此類材料在RF應用中具有某些優勢。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層。3D打印的聚合物板僅需要單層逐層沉積過程，其中導電元素和基材可以單次沉積。相比之下，剛性多層PCB需要數十次沉積，蝕刻，電鍍和壓制步驟，這增加了制造時間和成本。除非您從傳統的PCB制造商那里訂購了昂貴的小批量生產產品，否則這使得剛性板無法用于快速成型。

借助增材制造系統，一天之內即可生產和測試單個IoT設備的能力使設計人員能夠快速構建原型并測試其性能。物聯網設備的3D打印速度可以比傳統制造的設備快90％。可以根據需要快速制定和實施設計修訂。逐層沉積工藝不會將傳感器和天線設計人員限制為使用純平面設計。可以使用3D打印機制造獨特的架構，包括非平面或重復的元素。

將3D打印規則應用于您設計IOT設備的方式

每個增材制造系統都有其自己的設計規則和限制。任何增材制造系統的一個重要限制是3D打印導電元件的分辨率，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計的高分辨率打印。這項技術可確保您的設計能夠準確打印，并且可以與傳統制造工藝生產的產品媲美。

隨著增材制造技術的成熟和圍繞各種沉積工藝的標準的制定，物聯網設計人員可以期望增材制造系統具有更大的靈活性和一致性。這將有助于簡化用于小批量，高復雜度物聯網設備制造的設計。