原创 替代MEMS?未来20年,最具颠覆性的4大传感器技术,中国已提前布局!

2023-6-8 19:28 694 6 6 分类: 智能硬件

在过去的20年,传感器厂商不断研究创新的测量原理和敏感材料,这些成果能让我们用到高集成、低成本的传感器,其中,最成功也是最具颠覆性的,无疑是MEMS技术在传感器制造中的应用。

MEMS技术在传感器的大规模应用,让传感器的小型化、低功耗、智能化成为可能,从而推动了传感器在物联网、消费电子、汽车电子等领域的广泛应用,促进了数字经济的发展和智能时代的到来。可以说,在过去20年,MEMS颠覆和扩展了传感器。

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那么,MEMS是否已经饱和?谁会成为下一个MEMS继续扩展传感器的应用界限?未来20年哪些革命性的新传感器技术有望来到我们身边?它们将成为癌症治愈、脑机接口、具身智能、元宇宙等未来科技落地的关键!

MEMS,过去20年最成功的传感器技术,饱和为时过早,未来将向NEMS迈进!

在过去20年中,人们对 MEMS 传感器(微机电系统)的讨论很多,这些传感器在消费和汽车领域得到了非常广泛的应用,正是因为MEMS传感器的出现,推动了智能电子浪潮的发展。

作为一种传感器技术,MEMS 无疑是成功的,然而MEMS还有更多的潜力可以挖掘,包括优化制造工艺、开发集成度更高的传感器、解决校准问题、更高的稳定性和进一步降低功耗等。

一个显著的例子是,在刚刚过去的5月,全球MEMS传感器领导者意法半导体,刚刚推出了市场上第一款具有 10 年使用寿命的高精度高稳定性MEMS 防水/防液绝对压力传感器,适用于燃气、水计量设备、天气监测等工业物联网市场。而在此前,这一工业领域仍大部分属于传统的压力传感器。

可见,目前市场仍需要更多创新的MEMS传感器满足更多的需求。也许,到2030 年可以讨论它未来是否会被淘汰。但就目前而言,MEMS 技术仍然是许多公司投入大量研发成本的核心技术之一,尤其是在主要市场——消费电子、汽车电子、医疗电子、工业电子等。

MEMS远未饱和并且雄心勃勃,期待未来更多创新的MEMS传感器出现。

与此同时,科学研究已将其目标和挑战指向下一个小型化水平:NEMS(纳米机电系统)传感器。

NEMS技术与MEMS技术类似,但维度从微米进入到了纳米。虽然目前要克服的挑战相当大,但在不久的将来,这项技术将有可能提高传感器的性能,减少测量和能源消耗,同时提高灵敏度和更广泛的应用范围。

今天用 NEMS (纳米机电系统) 开发的不是简单的敏感元件,而是集成设备(正如 MEMS 已经发生的那样),能够承载对物理量敏感的元件和有源电路,以创建中等复杂度的小型化对象。

NEMS 技术的生产过程基于两种基本材料:石墨烯或碳纳米管 CNT(碳纳米管)。选择这两种类型的材料是因为它们具有稳定性和导电性等特性。此外,这两种材料的机械性能完全符合 NEMS 传感器内部结构的需要。

2019年,瑞典斯德哥尔摩 KTH 皇家理工学院的研究人员利用高导电性纳米材料石墨烯,研制出了迄今最小的NEMS 加速度传感器,比传统的最先进的MEMS 硅加速度计至少小两个数量级。这一设备有望促进人体传感器和导航技术的发展,用于研制心血管疾病监测系统、超灵敏的可穿戴设备和便携式运动捕捉系统等。

▲上图为瑞典斯德哥尔摩 KTH 皇家理工学院的NEMS加速度传感器与硬币的对比。下图为常规MEMS传感器与硬币的对比。

通过上图对比,想必你对NMES传感器的小,有了更直观的了解。

与传统传感器相比,纳米材料的特点是具有更高的表面积或体积比,通过 NEMS 技术制造的谐振结构,可以高灵敏度地捕获最多样化的电量,从而改进了光学、机械、电气、结构和磁性能信号。

大量应用将从这些技术中受益,例如:

◆检测气体中的化学成分。这有助于提高化学过程中使用的产品质量,这些产品必须符合质量标准或进行污染监测。

◆改进了基本物理参数的检测。例如温度、流量和压力。

◆植物生物学监测。通常用于监测农业和其他领域的环境。

一个对人类至关重要的影响是,NEMS传感器可能极大提高人的平均寿命。因为NEMS纳米传感器可以集成到细胞中,提供细胞内测量,局部检测活细胞的状态以及与肿瘤或肿瘤相关的其他细胞,从而为癌症等疾病的治愈带来希望。

未来20年颠覆性传感器技术——石墨烯传感器,有了这种传感器,脑机接口将实现!

石墨烯想必很多朋友都听说过,而在未来20年,石墨烯传感器或许会为世界带来颠覆性创新。

上文中,我们提到的MEMS传感器的进化版NEMS传感器,其基本材料之一就是石墨烯。据现在最新的科学研究显示,未来实现脑机接口的传感器,要寄希望于石墨烯传感器。

石墨烯又名“单层石墨片”,是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子,碳原子排列成二维结构,与石墨的单原子层类似。石墨烯被誉为“黑金”、“新材料之王”,是目前世界上最薄、最坚硬、导电性最好的纳米材料。

▲石墨烯单层原子结构

石墨烯的纳米结构在传感器领域有极大的前景。这是由于每个原子与感应环境相接触,且石墨烯的电学属性可以通过这种接触而改变。石墨烯有着独特的物理属性,从而使得在很多传感领域有应用,如光传感器,电磁传感器,应力与质量传感器以及化学与电化学传感器。

最近来自悉尼科技大学(UTS)的研究人员则通过开发出一种含有石墨烯的干式生物传感器,解决了脑机接口中的一些重大难题。

目前世界上实现脑机接口(BMI)的方式主要有三种,包括侵入式、非侵入式与介入式,大部分研究团队都选择了对人体危害性最小的非侵入式。

非入侵式BMI,大部分设备在技术方面都是由三个模块组成:一个外部感觉刺激模块、一个传感接口和一个神经信号处理单元。

非侵式BMI,虽然安全度高,但信号采集的准确度却并不算好。一方面因为本身就隔了一层头皮,信号传输受干扰。另一方在于其依赖的生物传感器都存在一些固有缺陷。比如大部分团队使用的湿式传感器,它要依靠在头皮和头发上使用导电凝胶才能传输电信号,容易滑脱或移动,降低信号采集的准确度。最近来自悉尼科技大学(UTS)的研究人员则通过开发出一种含有石墨烯的干式生物传感器解决了以上这些问题。

研究人员发现,如果将石墨烯与硅结合在一起就可以制造出更为坚固的干式传感器。比如他们开发的新型干式传感器上面的石墨烯层厚度只有不到一纳米。

该研究的通讯作者Francesca Iacopi表示道:“通过使用先进的石墨烯材料,结合硅,我们能够克服腐蚀、耐用性以及皮肤接触阻力等问题,开发出可穿戴的干式传感器。

▲悉尼科技大学(UTS)研究团队的脑机接口石墨烯传感器原型

在实验室外,澳大利亚陆军士兵也对石墨烯传感器BMI进行了现实世界的测试——用它来控制一只四条腿的机器狗。该设备可以支持机器人的免提控制,准确率高达94%。

目前,世界各国对石墨烯传感器的主要研究领域集中在:石墨烯电化学传感器、石墨烯气体传感器和石墨烯光电传感器上。


石墨烯电化学传感器

石墨烯电化学传感器基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。

石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点:①体积小,表面积大;②灵敏度高;③响应时间快;④电子传递快;⑤易于固定蛋白质并保持其活性;⑥减少表面污染的影响。

▲石墨烯电化学传感器原理结构示意


石墨烯气体传感器

基于石墨烯独特的二维特点,巨大的表面积使之对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。目前检测可以分为直接和间接检测,通过TEM可以直接观测到单原子的吸附和释放过程,并且观察到了碳链和空位,实时研究了其动力学过程。

这些技术提供了一种研究更复杂化学反应的真实动力学的途径,并能鉴别未知吸附物的原子结构。通过测量霍尔效应的办法通过霍尔电阻的变化间接检测单原子的吸附和释放过程,极大提高了微量气体快速检测的灵敏性。

英国南安普顿大学和日本先进科学技术研究所的研究人员新近开发了一种以石墨烯为材料的传感器。该传感器能以较低的能耗检测出室内的空气污染。这些有害化学气体的浓度水平一般在十亿分之几(ppb),现有的环境传感技术很难检测到,因为这些传感器只能检测到浓度为百万分之几(ppm)的此类气体。

▲石墨烯气体传感器感知气体分子原理结构示意

石墨烯光电传感器

利用石墨烯材料制成的用途广泛的高光敏感度传感器。这种新型传感器的关键在于使用了“滞留光线”的石墨烯纳米结构。石墨烯纳米结构能够比传统的传感器更长时间地捕获产生光线的电子微粒。这就会导致产生一种更强的电信号,就像数码相机所拍摄的照片一样,它能够将这种电信号转变成图像。

新加坡南洋理工大学的研究人员成功研发出石墨烯图像传感器,该技术在同等条件下,捕捉光线强度,比传统CMOS或CCD传感器好上1000倍,将对摄影、摄像产业产生深远影响。

▲新加坡南洋理工大学研究人员展示石墨烯传感器
目前来说,石墨烯传感器仍主要处于研究阶段
,但在未来20年,有望逐步商业化,石墨烯传感器也让脑机接口等未来科技的发展迈出了最有希望的一步。


未来20年颠覆性传感器技术——柔性传感器,元宇宙、具身智能就靠它了!

此前,Facebook改名Meta宣布全力进军“元宇宙”,立马宣布基于柔性传感器研制“电子皮肤”,以在元宇宙中重现人的触觉感受,柔性传感器热度被引爆。

近日,随着ChatGPT的爆火,各种AI概念层出不穷,其中脱颖而出的,就是具身智能。

具身智能翻译于英文embodied AI,字面意思就是具有身体的人工智能,此处强调的就是智能体(agent)需要与真实世界进行交互,并通过多模态的交互(不仅仅是让AI学习提取视觉上的高维特征被“输入”的认知世界),而是通过“眼耳鼻舌身”五根来主动地获取物理世界的真实反馈,通过反馈进一步让智能体学习并使其更“智能”、乃至“进化”。

通俗点来说,就是具有身体的人工智能——机器人。机器人的思维由AI模型提供,那么五官的感知呢?就来自于图像传感器、声音传感器等各种传感器。而其中最重要的互动——拥抱、握手、触觉等反馈,就需要用到柔性传感器。

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对复杂被测量进行检测。

因为柔性传感器的特性,让它有非常好的应用前景,包括在医疗电子、环境监测和可穿戴等领域。

柔性传感器种类较多,分类方式也多样化 。按照用途分类,柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气体传感器 、柔性湿度传感器 、柔性温度传感器 、柔性应变传感器 、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等。

按照感知机理分类,柔性传感器包括柔性电阻式传感器 、柔性电容式传感器 、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等 。

“电子皮肤”使用的主要就是柔性压力传感器,而这也是柔性传感器研究最多、应用最广的领域。

其实柔性传感器并非新鲜事物,早在2004年,日本东京大学电子工程师染矢高雄(Takao Someya)和其团队,开发出一种8厘米×8厘米的柔性机器人皮肤贴片,由一层层高性能的压敏聚酰亚胺塑料、一种叫做并五苯的有机半导体以及金和铜电极制成。这款皮肤给予机器人前所未有的东西:一种能够回应压力的触感。

▲染矢高雄(Takao Someya)团队柔性传感器局部放大图

这是柔性传感器最早的成功应用案例之一,因此引起媒体的广泛关注,甚至有媒体表示机器人的未来不远了。

种种迹象似乎表明,柔性传感器是一条正在兴起的赛道,多家中国企业以及资本已经进入柔性传感器领域,譬如能斯达、钛深科技、柔宇科技等柔性传感器企业均已有相关量产产品出货。

▲能斯达某款柔性压力温度一体化传感器

柔性传感器已接近大规模商用的边缘,未来20年,如有基于“元宇宙”、AR/VR等概念下的杀手级应用诞生,柔性传感器将很快迎来爆发,凭借消费电子庞大的体量和市场,柔性传感器的发展将不可限量。

未来20年颠覆性传感器技术——量子传感器,最接近实用的量子技术,中国已提前布局!

量子技术有三大应用领域:量子计算、量子通信、量子精密测量,量子精密测量的主体,就是量子传感器,相对前面两者较为低调。但是,量子传感器是目前量子技术中最接近实用的技术。

据相关报告显示,2022年量子传感器已进入商品化阶段,多家传感器巨头已投入巨资研发量子传感器,譬如世界上最大的MEMS传感器企业博世,就已在2022年成立量子传感器业务部门,目的就是为了把量子传感器商业化。

根据博世官网的描述,这一业务部门的首款量子传感器是个“量子陀螺仪”。其作用与MEMS陀螺仪类似,都是感知位置的变化,但是精度却能提升高达100倍!

量子传感器是根据量子力学规律、利用量子叠加量子纠缠和量子压缩等效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。

在量子传感中,电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子等体系发生相互作用并改变他们的量子状态,通过对这些变化后的量子态进行测量便可以实现对外界环境的高灵敏度测量。与传统传感器相比,量子传感器具有非破坏性、实时性、高灵敏性、稳定性和多功能性的优势。

简而言之,应用量子技术,可以极大提高目前传感器的灵敏度、准确率、稳定性等指标,可实现比MEMS传感器精确近1000倍的测量,让传感器“大跃进”。

多国将量子传感器列为国家战略

目前,全球主要国家已将量子传感器列为国家科技发展战略。

基于美国国家利益,美国国家科学和技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)在2022年3月份发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告,通过扩展量子信息科学(QIS)国家战略概述中的政策主题,领导相关研发机构加快开发新的量子传感方法,并计划在未来1-8年,根据报告的建议采取行动加速实现量子传感器取得的关键发展,确立美国量子传感器技术领先地位

2021年,欧洲核子研究中心(CERN)发布《量子技术战略和路线图》,探讨量子技术如何在量子计算、量子传感器等领域发挥作用。

▲《量子技术战略和路线图》主要发展目标

中国持续跟踪量子技术的前沿研究,在量子计算、量子通信方面已处于全球领先水平,量子传感器技术同样不落后。2022年,国务院发布《计量发展规划(2021—2035年)》,提出“重点开展量子精密测量和传感器件制备集成技术、量子传感测量技术研究”,多次提到量子传感技术的研究重要性。

▲《计量发展规划(2021—2035年)》部分内容


部分量子传感器商业化案例

量子传感器凭借量子纠缠效应,可实现比MEMS传感器精确近1000倍的测量,让传感器“大跃进”。多家传感器巨头企业已经开始部署量子传感器研究。

据媒体报道,2022年3月份博世发布了首个“量子陀螺仪”,其作用与普通陀螺仪一样,但却利用量子原理制造,目前已可达普通陀螺仪100倍以上的精度。

▲博世量子陀螺仪传感器试验

法国 Muquans 公司于2019年推出首款量子重力仪,目前大多数基于现场的重力测量都使用相对重力仪,它可以监测悬挂在弹簧上的物体位置的微小变化。这些设备的输出会随着时间的推移而产生漂移,因此一定时间后必须通过绝对设备进行校准。而量子重力仪无需校准,即可实现长久、精确的测量。

▲法国 Muquans 公司的量子重力仪

不少企业已开始量子传感器商业化应用的尝试,根据美国科学委员会的计划,最快8年内将有希望实现量子传感器大规模产业化。而事实上这个进展更快,在2022年,已有传感器企业将量子传感器商品化。

中国等多个国家,已将量子传感器列入国家科学战略,未来20年,量子传感器将颠覆整个世界!

结语

过去20年,MEMS技术颠覆了传感器产业,让传感器极大地延伸了其应用范围,从而推动了传感器在物联网、消费电子、汽车电子等领域的广泛应用,促进了数字经济的发展和智能时代的到来。

在未来20年,MEMS传感器仍将继续创新,其潜力仍未被充分挖掘,并将向下一个量级——NEMS传感器迈进。

此外,石墨烯传感器、柔性传感器、量子传感器等颠覆性传感器技术有望在未来20年得到商用,成为癌症治愈、脑机接口、具身智能、元宇宙等未来科技落地的关键,一如今天的MEMS传感器推动了智能化浪潮的发展。

在这些新兴传感器方面,中国都已提前布局,期待未来更智能的中国!

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作者: 传感器专家网, 来源:面包板社区

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