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替代MEMS？未來20年，最具顛覆性的4大傳感器技術(shù)，中國已提前布局！
專欄：行業(yè)資訊
發(fā)布日期：2024-03-14
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在過去的20年 ，傳感器廠商不斷研究創(chuàng)新的測量原理和敏感材料 ，這些成果能讓我們用到高集成、低成本的傳感器 ，其中 ，最成功也是最具顛覆性的，無疑是MEMS技術(shù)在傳感器制造中的應(yīng)用 。
，這些成果能讓我們用到高集成 、低成本的傳感器 ，其中，最成功也是最具顛覆性的，無疑是MEMS技術(shù)在傳感器制造中的應(yīng)用 。 MEMS 在過去20年中，人們對(duì) MEMS 傳感器（微機(jī)電系統(tǒng)）的討論很多，這些傳感器在消費(fèi)和汽車領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用 作為一種傳感器技術(shù) 一個(gè)突出的例子是，在2023年5月 可見，目前市場仍需要更多創(chuàng)新的MEMS傳感器滿足更多的需求。也許，到2030 年可以討論它未來是否會(huì)被淘汰。但就目前而言，MEMS 技術(shù)仍然是許多公司投入大量研發(fā)成本的核心技術(shù)之一，尤其是在主要市場——消費(fèi)電子、汽車電子、醫(yī)療電子、工業(yè)電子等。 MEMS遠(yuǎn)未飽和并且雄心勃勃，期待未來更多創(chuàng)新的MEMS傳感器出現(xiàn)。 與此同時(shí)，科學(xué)研究已將其目標(biāo)和挑戰(zhàn)指向下一個(gè)小型化水平：NEMS（納米機(jī)電系統(tǒng)）傳感器。 NEMS技術(shù)與MEMS技術(shù)類似，但維度從微米進(jìn)入到了納米。雖然目前要克服的挑戰(zhàn)相當(dāng)大，但在不久的將來 今天用 NEMS （納米機(jī)電系統(tǒng)) 開發(fā)的不是簡單的敏感元件 NEMS 技術(shù)的生產(chǎn)過程基于兩種基本材料：石墨烯或碳納米管 CNT（碳納米管）。選擇這兩種類型的材料是因?yàn)樗鼈兙哂蟹€(wěn)定性和導(dǎo)電性等特性 2019年 ▲上圖為瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學(xué)院的NEMS加速度傳感器與硬幣的對(duì)比 通過上圖對(duì)比 與傳統(tǒng)傳感器相比 大量應(yīng)用將從這些技術(shù)中受益 ◆檢測氣體中的化學(xué)成分。這有助于提高化學(xué)過程中使用的產(chǎn)品質(zhì)量，這些產(chǎn)品必須符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)行污染監(jiān)測 ◆改進(jìn)了基本物理參數(shù)的檢測 ◆植物生物學(xué)監(jiān)測 一個(gè)對(duì)人類至關(guān)重要的影響是，NEMS傳感器可能極大提高人的平均壽命 此前，F(xiàn)acebook改名Meta宣布全力進(jìn)軍“元宇宙” 近日 具身智能翻譯于英文embodied AI 通俗點(diǎn)來說 柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器 因?yàn)槿嵝詡鞲衅鞯奶匦裕?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">讓它有非常好的應(yīng)用前景，包括在醫(yī)療電子 柔性傳感器種類較多，分類方式也多樣化 按照感知機(jī)理分類，柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器 “電子皮膚”使用的主要就是柔性壓力傳感器 其實(shí)柔性傳感器并非新鮮事物 ▲染矢高雄（Takao Someya）團(tuán)隊(duì)柔性傳感器局部放大圖 這是柔性傳感器最早的成功應(yīng)用案例之一，因此引起媒體的廣泛關(guān)注，甚至有媒體表示機(jī)器人的未來不遠(yuǎn)了。 種種跡象似乎表明，柔性傳感器是一條正在興起的賽道，多家中國企業(yè)以及資本已經(jīng)進(jìn)入柔性傳感器領(lǐng)域，譬如能斯達(dá)、鈦深科技、柔宇科技等柔性傳感器企業(yè)均已有相關(guān)量產(chǎn)產(chǎn)品出貨。 ▲能斯達(dá)某款柔性壓力溫度一體化傳感器 柔性傳感器已接近大規(guī)模商用的邊緣，未來20年，如有基于“元宇宙”、AR/VR等概念下的殺手級(jí)應(yīng)用誕生 石墨烯想必很多朋友都聽說過，而在未來20年 上文中，我們提到的MEMS傳感器的進(jìn)化版NEMS傳感器 石墨烯又名“單層石墨片”，是指一層密集的 ▲石墨烯單層原子結(jié)構(gòu) 石墨烯的納米結(jié)構(gòu)在傳感器領(lǐng)域有極大的前景。這是由于每個(gè)原子與感應(yīng)環(huán)境相接觸，且石墨烯的電學(xué)屬性可以通過這種接觸而改變。石墨烯有著獨(dú)特的物理屬性，從而使得在很多傳感領(lǐng)域有應(yīng)用，如光傳感器，電磁傳感器，應(yīng)力與質(zhì)量傳感器以及化學(xué)與電化學(xué)傳感器。 最近來自悉尼科技大學(xué)（UTS）的研究人員則通過開發(fā)出一種含有石墨烯的干式生物傳感器，解決了腦機(jī)接口中的一些重大難題。 目前世界上實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口（BMI）的方式主要有三種，包括侵入式、非侵入式與介入式，大部分研究團(tuán)隊(duì)都選擇了對(duì)人體危害性最小的非侵入式。 非入侵式BMI，大部分設(shè)備在技術(shù)方面都是由三個(gè)模塊組成：一個(gè)外部感覺刺激模塊、一個(gè)傳感接口和一個(gè)神經(jīng)信號(hào)處理單元。 非侵入式BMI 研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將石墨烯與硅結(jié)合在一起就可以制造出更為堅(jiān)固的干式傳感器。比如他們開發(fā)的新型干式傳感器上面的石墨烯層厚度只有不到一納米。 該研究的通訊作者Francesca Iacopi表示道：“通過使用先進(jìn)的石墨烯材料，結(jié)合硅，我們能夠克服腐蝕、耐用性以及皮膚接觸阻力等問題，開發(fā)出可穿戴的干式傳感器。” ▲悉尼科技大學(xué)（UTS）研究團(tuán)隊(duì)的腦機(jī)接口石墨烯傳感器原型 在實(shí)驗(yàn)室外，澳大利亞陸軍士兵也對(duì)石墨烯傳感器BMI進(jìn)行了現(xiàn)實(shí)世界的測試——用它來控制一只四條腿的機(jī)器狗。該設(shè)備可以支持機(jī)器人的免提控制，準(zhǔn)確率高達(dá)94% 目前 石墨烯電化學(xué)傳感器 石墨烯電化學(xué)傳感器基于石墨烯的電極在電催化活性和宏觀尺度的導(dǎo)電性上比碳納米管更有優(yōu)勢(shì) 石墨烯在電化學(xué)傳感器上的應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn)：①體積小，表面積大 ▲石墨烯電化學(xué)傳感器原理結(jié)構(gòu)示意 石墨烯氣體傳感器 基于石墨烯獨(dú)特的二維特點(diǎn)，巨大的表面積使之對(duì)周圍的環(huán)境非常敏感。即使是一個(gè)氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。目前檢測可以分為直接和間接檢測，通過TEM可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程，并且觀察到了碳鏈和空位，實(shí)時(shí)研究了其動(dòng)力學(xué)過程。 這些技術(shù)提供了一種研究更復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的真實(shí)動(dòng)力學(xué)的途徑 英國南安普頓大學(xué)和日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員新近開發(fā)了一種以石墨烯為材料的傳感器。該傳感器能以較低的能耗檢測出室內(nèi)的空氣污染 ▲石墨烯氣體傳感器感知?dú)怏w分子原理結(jié)構(gòu)示意 |
