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            替代MEMS?未來20年,最具顛覆性的4大傳感器技術,中國已提前布局!
            專欄:行業資訊
            發布日期:2024-03-14
            閱讀量:410
            作者:其他
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            在過去的20年,傳感器廠商不斷研究創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技術在傳感器制造中的應用。
            在過去的20年,傳感器廠商不斷研究創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技術在傳感器制造中的應用。

            MEMS技術在傳感器的大規模應用,讓傳感器的小型化、低功耗、智能化成為可能,從而推動了傳感器在物聯網、消費電子、汽車電子等領域的廣泛應用,促進了數字經濟的發展和智能時代的到來。可以說,在過去20年,MEMS顛覆和擴展了傳感器。

            那么,MEMS是否已經飽和?誰會成為下一個MEMS繼續擴展傳感器的應用界限?未來20年哪些革命性的新傳感器技術有望來到我們身邊?


            MEMS,過去20年最成功的傳感器技術,飽和為時過早,未來將向NEMS邁進!


            在過去20年中,人們對 MEMS 傳感器(微機電系統)的討論很多,這些傳感器在消費和汽車領域得到了非常廣泛的應用,正是因為MEMS傳感器的出現,推動了智能電子浪潮的發展。


            作為一種傳感器技術,MEMS 無疑是成功的,然而MEMS還有更多的潛力可以挖掘,包括優化制造工藝、開發集成度更高的傳感器、解決校準問題、更高的穩定性和進一步降低功耗等。


            一個突出的例子是,在2023年5月,全球MEMS傳感器領導者意法半導體,剛剛推出了市場上第一款具有 10 年使用壽命的高精度高穩定性MEMS 防水/防液絕對壓力傳感器,適用于燃氣、水計量設備、天氣監測等工業物聯網市場。而在此前,這一工業領域仍大部分屬于傳統的壓力傳感器。


            可見,目前市場仍需要更多創新的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被淘汰。但就目前而言,MEMS 技術仍然是許多公司投入大量研發成本的核心技術之一,尤其是在主要市場——消費電子、汽車電子、醫療電子、工業電子等。


            MEMS遠未飽和并且雄心勃勃,期待未來更多創新的MEMS傳感器出現。

            與此同時,科學研究已將其目標和挑戰指向下一個小型化水平:NEMS(納米機電系統)傳感器。


            NEMS技術與MEMS技術類似,但維度從微米進入到了納米。雖然目前要克服的挑戰相當大,但在不久的將來,這項技術將有可能提高傳感器的性能,減少測量和能源消耗,同時提高靈敏度和更廣泛的應用范圍。


            今天用 NEMS (納米機電系統) 開發的不是簡單的敏感元件,而是集成設備(正如 MEMS 已經發生的那樣),能夠承載對物理量敏感的元件和有源電路,以創建中等復雜度的小型化對象。


            NEMS 技術的生產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為它們具有穩定性和導電性等特性。此外,這兩種材料的機械性能完全符合 NEMS 傳感器內部結構的需要。


            2019年,瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學院的研究人員利用高導電性納米材料石墨烯,研制出了迄今最小的NEMS 加速度傳感器,比傳統的最先進的MEMS 硅加速度計至少小兩個數量級。這一設備有望促進人體傳感器和導航技術的發展,用于研制心血管疾病監測系統、超靈敏的可穿戴設備和便攜式運動捕捉系統等。


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            ▲上圖為瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學院的NEMS加速度傳感器與硬幣的對比。下圖為常規MEMS傳感器與硬幣的對比。


            通過上圖對比,想必你對NMES傳感器的小,有了更直觀的了解。


            與傳統傳感器相比,納米材料的特點是具有更高的表面積或體積比,通過 NEMS 技術制造的諧振結構,可以高靈敏度地捕獲最多樣化的電量,從而改進了光學、機械、電氣、結構和磁性能信號。


            大量應用將從這些技術中受益,例如:

            ◆檢測氣體中的化學成分。這有助于提高化學過程中使用的產品質量,這些產品必須符合質量標準或進行污染監測。

            ◆改進了基本物理參數的檢測。例如溫度、流量和壓力。

            ◆植物生物學監測。通常用于監測農業和其他領域的環境。


            一個對人類至關重要的影響是,NEMS傳感器可能極大提高人的平均壽命。因為NEMS納米傳感器可以集成到細胞中,提供細胞內測量,局部檢測活細胞的狀態以及與腫瘤或腫瘤相關的其他細胞,從而為癌癥等疾病的治愈帶來希望。

            此前,Facebook改名Meta宣布全力進軍“元宇宙”,立馬宣布基于柔性傳感器研制“電子皮膚”,以在元宇宙中重現人的觸覺感受,柔性傳感器熱度被引爆。


            近日,隨著ChatGPT的爆火,各種AI概念層出不窮,其中脫穎而出的,就是具身智能。


            具身智能翻譯于英文embodied AI,字面意思就是具有身體的人工智能,此處強調的就是智能體(agent)需要與真實世界進行交互,并通過多模態的交互(不僅僅是讓AI學習提取視覺上的高維特征被“輸入”的認知世界),而是通過“眼耳鼻舌身”五根來主動地獲取物理世界的真實反饋,通過反饋進一步讓智能體學習并使其更“智能”、乃至“進化”。


            通俗點來說,就是具有身體的人工智能——機器人。機器人的思維由AI模型提供,那么五官的感知呢?就來自于圖像傳感器、聲音傳感器等各種傳感器。而其中最重要的互動——擁抱、握手、觸覺等反饋,就需要用到柔性傳感器。


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            柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器,具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊,而且結構形式靈活多樣,可根據測量條件的要求任意布置,能夠非常方便地對復雜被測量進行檢測。


            因為柔性傳感器的特性,讓它有非常好的應用前景,包括在醫療電子、環境監測和可穿戴等領域。

            柔性傳感器種類較多,分類方式也多樣化 。按照用途分類,柔性傳感器包括柔性壓力傳感器 、柔性氣體傳感器 、柔性濕度傳感器 、柔性溫度傳感器 、柔性應變傳感器 、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等。


            按照感知機理分類,柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器 、柔性電容式傳感器 、柔性壓磁式傳感器和柔性電感式傳感器等 。


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            “電子皮膚”使用的主要就是柔性壓力傳感器,而這也是柔性傳感器研究最多、應用最廣的領域。


            其實柔性傳感器并非新鮮事物,早在2004年,日本東京大學電子工程師染矢高雄(Takao Someya)和其團隊,開發出一種8厘米×8厘米的柔性機器人皮膚貼片,由一層層高性能的壓敏聚酰亞胺塑料、一種叫做并五苯的有機半導體以及金和銅電極制成。這款皮膚給予機器人前所未有的東西:一種能夠回應壓力的觸感。


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            ▲染矢高雄(Takao Someya)團隊柔性傳感器局部放大圖


            這是柔性傳感器最早的成功應用案例之一,因此引起媒體的廣泛關注,甚至有媒體表示機器人的未來不遠了。


            種種跡象似乎表明,柔性傳感器是一條正在興起的賽道,多家中國企業以及資本已經進入柔性傳感器領域,譬如能斯達、鈦深科技、柔宇科技等柔性傳感器企業均已有相關量產產品出貨。


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            ▲能斯達某款柔性壓力溫度一體化傳感器


            柔性傳感器已接近大規模商用的邊緣,未來20年,如有基于“元宇宙”、AR/VR等概念下的殺手級應用誕生,柔性傳感器將很快迎來爆發,憑借消費電子龐大的體量和市場,柔性傳感器的發展將不可限量。


            未來20年顛覆性傳感器技術——石墨烯傳感器,有了這種傳感器,腦機接口將實現!


            石墨烯想必很多朋友都聽說過,而在未來20年,石墨烯傳感器或許會為世界帶來顛覆性創新。


            上文中,我們提到的MEMS傳感器的進化版NEMS傳感器,其基本材料之一就是石墨烯。據現在最新的科學研究顯示,未來實現腦機接口的傳感器,要寄希望于石墨烯傳感器。


            石墨烯又名“單層石墨片”,是指一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子,碳原子排列成二維結構,與石墨的單原子層類似。石墨烯被譽為“黑金”、“新材料之王”,是目前世界上最薄、最堅硬、導電性最好的納米材料。


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            ▲石墨烯單層原子結構


            石墨烯的納米結構在傳感器領域有極大的前景。這是由于每個原子與感應環境相接觸,且石墨烯的電學屬性可以通過這種接觸而改變。石墨烯有著獨特的物理屬性,從而使得在很多傳感領域有應用,如光傳感器,電磁傳感器,應力與質量傳感器以及化學與電化學傳感器。


            最近來自悉尼科技大學(UTS)的研究人員則通過開發出一種含有石墨烯的干式生物傳感器,解決了腦機接口中的一些重大難題。


            目前世界上實現腦機接口(BMI)的方式主要有三種,包括侵入式、非侵入式與介入式,大部分研究團隊都選擇了對人體危害性最小的非侵入式。

            非入侵式BMI,大部分設備在技術方面都是由三個模塊組成:一個外部感覺刺激模塊、一個傳感接口和一個神經信號處理單元。


            非侵入式BMI,雖然安全度高,但信號采集的準確度卻并不算好。一方面因為本身就隔了一層頭皮,信號傳輸受干擾。另一方在于其依賴的生物傳感器都存在一些固有缺陷。比如大部分團隊使用的濕式傳感器,它要依靠在頭皮和頭發上使用導電凝膠才能傳輸電信號,容易滑脫或移動,降低信號采集的準確度。最近來自悉尼科技大學(UTS)的研究人員則通過開發出一種含有石墨烯的干式生物傳感器解決了以上這些問題。


            研究人員發現,如果將石墨烯與硅結合在一起就可以制造出更為堅固的干式傳感器。比如他們開發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:“通過使用先進的石墨烯材料,結合硅,我們能夠克服腐蝕、耐用性以及皮膚接觸阻力等問題,開發出可穿戴的干式傳感器。

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            ▲悉尼科技大學(UTS)研究團隊的腦機接口石墨烯傳感器原型


            在實驗室外,澳大利亞陸軍士兵也對石墨烯傳感器BMI進行了現實世界的測試——用它來控制一只四條腿的機器狗。該設備可以支持機器人的免提控制,準確率高達94%。


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            目前,世界各國對石墨烯傳感器的主要研究領域集中在:石墨烯電化學傳感器、石墨烯氣體傳感器和石墨烯光電傳感器上。


            石墨烯電化學傳感器


            石墨烯電化學傳感器基于石墨烯的電極在電催化活性和宏觀尺度的導電性上比碳納米管更有優勢。


            石墨烯在電化學傳感器上的應用有以下優點:①體積小,表面積大;②靈敏度高;③響應時間快;④電子傳遞快;⑤易于固定蛋白質并保持其活性;⑥減少表面污染的影響。


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            ▲石墨烯電化學傳感器原理結構示意


            石墨烯氣體傳感器


            基于石墨烯獨特的二維特點,巨大的表面積使之對周圍的環境非常敏感。即使是一個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,實時研究了其動力學過程。


            這些技術提供了一種研究更復雜化學反應的真實動力學的途徑,并能鑒別未知吸附物的原子結構。通過測量霍爾效應的辦法通過霍爾電阻的變化間接檢測單原子的吸附和釋放過程,極大提高了微量氣體快速檢測的靈敏性。


            英國南安普頓大學和日本先進科學技術研究所的研究人員新近開發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的空氣污染。這些有害化學氣體的濃度水平一般在十億分之幾(ppb),現有的環境傳感技術很難檢測到,因為這些傳感器只能檢測到濃度為百萬分之幾(ppm)的此類氣體。


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            ▲石墨烯氣體傳感器感知氣體分子原理結構示意


            石墨烯光電傳感器


            利用石墨烯材料制成的用途廣泛的高光敏感度傳感器。這種新型傳感器的關鍵在于使用了“滯留光線”的石墨烯納米結構。石墨烯納米結構能夠比傳統的傳感器更長時間地捕獲產生光線的電子微粒。這就會導致產生一種更強的電信號,就像數碼相機所拍攝的照片一樣,它能夠將這種電信號轉變成圖像。 


            新加坡南洋理工大學的研究人員成功研發出石墨烯圖像傳感器,該技術在同等條件下,捕捉光線強度,比傳統CMOS或CCD傳感器好上1000倍,將對攝影、攝像產業產生深遠影響。


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            ▲新加坡南洋理工大學研究人員展示石墨烯傳感器


            目前來說,石墨烯傳感器仍主要處于研究階段,但在未來20年,有望逐步商業化,石墨烯傳感器也讓腦機接口等未來科技的發展邁出了最有希望的一步。

            未來20年顛覆性傳感器技術——量子傳感器,最接近實用的量子技術,中國已提前布局!


            量子技術有三大應用領域:量子計算、量子通信、量子精密測量,量子精密測量的主體,就是量子傳感器,相對前面兩者較為低調。但是,量子傳感器是目前量子技術中最接近實用的技術。


            據相關報告顯示,2022年量子傳感器已進入商品化階段,多家傳感器巨頭已投入巨資研發量子傳感器,譬如世界上最大的MEMS傳感器企業博世,就已在2022年成立量子傳感器業務部門,目的就是為了把量子傳感器商業化。


            根據博世官網的描述,這一業務部門的首款量子傳感器是個“量子陀螺儀”。其作用與MEMS陀螺儀類似,都是感知位置的變化,但是精度卻能提升高達100倍!

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            量子傳感器是根據量子力學規律、利用量子疊加量子糾纏和量子壓縮等效應設計的、用于執行對系統被測量進行變換的物理裝置。


            在量子傳感中,電磁場、溫度、壓力等外界環境直接與電子、光子等體系發生相互作用并改變他們的量子狀態,通過對這些變化后的量子態進行測量便可以實現對外界環境的高靈敏度測量。與傳統傳感器相比,量子傳感器具有非破壞性、實時性、高靈敏性、穩定性和多功能性的優勢。


            簡而言之,應用量子技術,可以極大提高目前傳感器的靈敏度、準確率、穩定性等指標,可實現比MEMS傳感器精確近1000倍的測量,讓傳感器“大躍進”。


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            多國將量子傳感器列為國家戰略


            目前,全球主要國家已將量子傳感器列為國家科技發展戰略。


            基于美國國家利益,美國國家科學和技術委員會(NSTC)量子信息科學小組委員會(SCQIS)在2022年3月份發布了名為《將量子傳感器付諸實踐》的報告,通過擴展量子信息科學(QIS)國家戰略概述中的政策主題,領導相關研發機構加快開發新的量子傳感方法,并計劃在未來1-8年,根據報告的建議采取行動加速實現量子傳感器取得的關鍵發展,確立美國量子傳感器技術領先地位。


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            2021年,歐洲核子研究中心(CERN)發布《量子技術戰略和路線圖》,探討量子技術如何在量子計算、量子傳感器等領域發揮作用。


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            ▲《量子技術戰略和路線圖》主要發展目標


            中國持續跟蹤量子技術的前沿研究,在量子計算、量子通信方面已處于全球領先水平,量子傳感器技術同樣不落后。2022年,國務院發布《計量發展規劃(2021—2035年)》,提出“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術、量子傳感測量技術研究”,多次提到量子傳感技術的研究重要性。


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            ▲《計量發展規劃(2021—2035年)》部分內容


            部分量子傳感器商業化案例


            量子傳感器憑借量子糾纏效應,可實現比MEMS傳感器精確近1000倍的測量,讓傳感器“大躍進”。多家傳感器巨頭企業已經開始部署量子傳感器研究。


            據媒體報道,2022年3月份博世發布了首個“量子陀螺儀”,其作用與普通陀螺儀一樣,但卻利用量子原理制造,目前已可達普通陀螺儀100倍以上的精度。


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            ▲博世量子陀螺儀傳感器試驗


            法國 Muquans 公司于2019年推出首款量子重力儀,目前大多數基于現場的重力測量都使用相對重力儀,它可以監測懸掛在彈簧上的物體位置的微小變化。這些設備的輸出會隨著時間的推移而產生漂移,因此一定時間后必須通過絕對設備進行校準。而量子重力儀無需校準,即可實現長久、精確的測量。


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            ▲法國 Muquans 公司的量子重力儀


            不少企業已開始量子傳感器商業化應用的嘗試,根據美國科學委員會的計劃,最快8年內將有希望實現量子傳感器大規模產業化。而事實上這個進展更快,在2022年,已有傳感器企業將量子傳感器商品化。


            中國等多個國家,已將量子傳感器列入國家科學戰略,未來20年,量子傳感器將顛覆整個世界!


            結語


            過去20年,MEMS技術顛覆了傳感器產業,讓傳感器極大地延伸了其應用范圍,從而推動了傳感器在物聯網、消費電子、汽車電子等領域的廣泛應用,促進了數字經濟的發展和智能時代的到來。


            在未來20年,MEMS傳感器仍將繼續創新,其潛力仍未被充分挖掘,并將向下一個量級——NEMS傳感器邁進。


            此外,石墨烯傳感器、柔性傳感器、量子傳感器等顛覆性傳感器技術有望在未來20年得到商用,成為癌癥治愈、腦機接口、具身智能、元宇宙等未來科技落地的關鍵,一如今天的MEMS傳感器推動了智能化浪潮的發展。


            在這些新興傳感器方面,中國都已提前布局,期待未來更智能的中國!


            聲明:本文轉自傳感器專家網

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