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

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

作為一種傳感器技術(shù)，MEMS 無疑是成功的，然而MEMS還有更多的潛力可以挖掘，包括優(yōu)化制造工藝、開發(fā)集成度更高的傳感器、解決校準(zhǔn)問題、更高的穩(wěn)定性和進(jìn)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(lǐng)導(dǎo)者意法半導(dǎo)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(wěn)定性MEMS 防水/防液絕對壓力傳感器，適用于燃?xì)?、水計量設(shè)備、天氣監(jiān)測等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場。而在此前，這一工業(yè)領(lǐng)域仍大部分屬于傳統(tǒng)的壓力傳感器。

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，科學(xué)研究已將其目標(biāo)和挑戰(zhàn)指向下一個小型化水平：NEMS（納米機電系統(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，這項技術(shù)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(yīng)用范圍。

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

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為它們具有穩(wěn)定性和導(dǎo)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的需要。

2019年，瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學(xué)院的研究人員利用高導(dǎo)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(tǒng)的最先進(jìn)的MEMS 硅加速度計至少小兩個數(shù)量級。這一設(shè)備有望促進(jìn)人體傳感器和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，用于研制心血管疾病監(jiān)測系統(tǒng)、超靈敏的可穿戴設(shè)備和便攜式運動捕捉系統(tǒng)等。

▲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比。下圖為常規(guī)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(tǒng)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(shù)制造的諧振結(jié)構(gòu)，可以高靈敏度地捕獲最多樣化的電量，從而改進(jìn)了光學(xué)、機械、電氣、結(jié)構(gòu)和磁性能信號。

大量應(yīng)用將從這些技術(shù)中受益，例如:

◆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。例如溫度、流量和壓力。

◆植物生物學(xué)監(jiān)測。通常用于監(jiān)測農(nóng)業(yè)和其他領(lǐng)域的環(huán)境。

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

此前，F(xiàn)acebook改名Meta宣布全力進(jìn)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(xiàn)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(diào)的就是智能體（agent）需要與真實世界進(jìn)行交互，并通過多模態(tài)的交互（不僅僅是讓AI學(xué)習(xí)提取視覺上的高維特征被“輸入”的認(rèn)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(jìn)一步讓智能體學(xué)習(xí)并使其更“智能”、乃至“進(jìn)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。

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(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復(fù)雜被測量進(jìn)行檢測。

因為柔性傳感器的特性，讓它有非常好的應(yīng)用前景，包括在醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測和可穿戴等領(lǐng)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(yīng)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 。

“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(yīng)用最廣的領(lǐng)域。

其實柔性傳感器并非新鮮事物，早在2004年，日本東京大學(xué)電子工程師染矢高雄（Takao Someya）和其團(tuán)隊，開發(fā)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(dǎo)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(yīng)壓力的觸感。

▲染矢高雄（Takao Someya）團(tuán)隊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等概念下的殺手級應(yīng)用誕生，柔性傳感器將很快迎來爆發(fā)，憑借消費電子龐大的體量和市場，柔性傳感器的發(fā)展將不可限量。

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

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(chuàng)新。

上文中，我們提到的MEMS傳感器的進(jìn)化版NEMS傳感器，其基本材料之一就是石墨烯。據(jù)現(xiàn)在最新的科學(xué)研究顯示，未來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)電性最好的納米材料。

▲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，解決了腦機接口中的一些重大難題。

目前世界上實現(xiàn)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(tuán)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(shè)備在技術(shù)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(jīng)信號處理單元。

非侵入式BMI，雖然安全度高，但信號采集的準(zhǔn)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(tuán)隊使用的濕式傳感器，它要依靠在頭皮和頭發(fā)上使用導(dǎo)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(zhǔn)確度。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以上這些問題。

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(jìn)行了現(xiàn)實世界的測試——用它來控制一只四條腿的機器狗。該設(shè)備可以支持機器人的免提控制，準(zhǔn)確率高達(dá)94%。

目前，世界各國對石墨烯傳感器的主要研究領(lǐng)域集中在：石墨烯電化學(xué)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(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。

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

▲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

基于石墨烯獨特的二維特點，巨大的表面積使之對周圍的環(huán)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(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)的真實動力學(xué)的途徑，并能鑒別未知吸附物的原子結(jié)構(gòu)。通過測量霍爾效應(yīng)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(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。這些有害化學(xué)氣體的濃度水平一般在十億分之幾(ppb)，現(xiàn)有的環(huán)境傳感技術(shù)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。

▲石墨烯氣體傳感器感知氣體分子原理結(jié)構(gòu)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(guān)鍵在于使用了“滯留光線”的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。石墨烯納米結(jié)構(gòu)能夠比傳統(tǒng)的傳感器更長時間地捕獲產(chǎn)生光線的電子微粒。這就會導(dǎo)致產(chǎn)生一種更強的電信號，就像數(shù)碼相機所拍攝的照片一樣，它能夠?qū)⑦@種電信號轉(zhuǎn)變成圖像。 

新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員成功研發(fā)出石墨烯圖像傳感器，該技術(shù)在同等條件下，捕捉光線強度，比傳統(tǒng)CMOS或CCD傳感器好上1000倍，將對攝影、攝像產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

▲新加坡南洋理工大學(xué)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(yè)化，石墨烯傳感器也讓腦機接口等未來科技的發(fā)展邁出了最有希望的一步。

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

量子技術(shù)有三大應(yīng)用領(lǐng)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(diào)。但是，量子傳感器是目前量子技術(shù)中最接近實用的技術(shù)。

據(jù)相關(guān)報告顯示，2022年量子傳感器已進(jìn)入商品化階段，多家傳感器巨頭已投入巨資研發(fā)量子傳感器，譬如世界上最大的MEMS傳感器企業(yè)博世，就已在2022年成立量子傳感器業(yè)務(wù)部門，目的就是為了把量子傳感器商業(yè)化。

根據(jù)博世官網(wǎng)的描述，這一業(yè)務(wù)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(dá)100倍！

量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子疊加量子糾纏和量子壓縮等效應(yīng)設(shè)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進(jìn)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(huán)境直接與電子、光子等體系發(fā)生相互作用并改變他們的量子狀態(tài)，通過對這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行測量便可以實現(xiàn)對外界環(huán)境的高靈敏度測量。與傳統(tǒng)傳感器相比，量子傳感器具有非破壞性、實時性、高靈敏性、穩(wěn)定性和多功能性的優(yōu)勢。

簡而言之，應(yīng)用量子技術(shù)，可以極大提高目前傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確率、穩(wěn)定性等指標(biāo)，可實現(xiàn)比MEMS傳感器精確近1000倍的測量，讓傳感器“大躍進(jìn)”。

多國將量子傳感器列為國家戰(zhàn)略

目前，全球主要國家已將量子傳感器列為國家科技發(fā)展戰(zhàn)略。

基于美國國家利益，美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會(NSTC)量子信息科學(xué)小組委員會(SCQIS)在2022年3月份發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實踐》的報告，通過擴(kuò)展量子信息科學(xué)(QIS)國家戰(zhàn)略概述中的政策主題，領(lǐng)導(dǎo)相關(guān)研發(fā)機構(gòu)加快開發(fā)新的量子傳感方法，并計劃在未來1-8年，根據(jù)報告的建議采取行動加速實現(xiàn)量子傳感器取得的關(guān)鍵發(fā)展，確立美國量子傳感器技術(shù)領(lǐng)先地位。

2021年，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)布《量子技術(shù)戰(zhàn)略和路線圖》，探討量子技術(shù)如何在量子計算、量子傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

▲《量子技術(shù)戰(zhàn)略和路線圖》主要發(fā)展目標(biāo)

中國持續(xù)跟蹤量子技術(shù)的前沿研究，在量子計算、量子通信方面已處于全球領(lǐng)先水平，量子傳感器技術(shù)同樣不落后。2022年，國務(wù)院發(fā)布《計量發(fā)展規(guī)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(shù)、量子傳感測量技術(shù)研究”，多次提到量子傳感技術(shù)的研究重要性。

▲《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》部分內(nèi)容

部分量子傳感器商業(yè)化案例

量子傳感器憑借量子糾纏效應(yīng)，可實現(xiàn)比MEMS傳感器精確近1000倍的測量，讓傳感器“大躍進(jìn)”。多家傳感器巨頭企業(yè)已經(jīng)開始部署量子傳感器研究。

據(jù)媒體報道，2022年3月份博世發(fā)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(dá)普通陀螺儀100倍以上的精度。

▲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(shù)基于現(xiàn)場的重力測量都使用相對重力儀，它可以監(jiān)測懸掛在彈簧上的物體位置的微小變化。這些設(shè)備的輸出會隨著時間的推移而產(chǎn)生漂移，因此一定時間后必須通過絕對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。而量子重力儀無需校準(zhǔn)，即可實現(xiàn)長久、精確的測量。

▲法國 Muquans 公司的量子重力儀

不少企業(yè)已開始量子傳感器商業(yè)化應(yīng)用的嘗試，根據(jù)美國科學(xué)委員會的計劃，最快8年內(nèi)將有希望實現(xiàn)量子傳感器大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。而事實上這個進(jìn)展更快，在2022年，已有傳感器企業(yè)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(xué)戰(zhàn)略，未來20年，量子傳感器將顛覆整個世界！

結(jié)語

過去20年，MEMS技術(shù)顛覆了傳感器產(chǎn)業(yè)，讓傳感器極大地延伸了其應(yīng)用范圍，從而推動了傳感器在物聯(lián)網(wǎng)、消費電子、汽車電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和智能時代的到來。

在未來20年，MEMS傳感器仍將繼續(xù)創(chuàng)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(jìn)。

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(shù)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(guān)鍵，一如今天的MEMS傳感器推動了智能化浪潮的發(fā)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(zhuǎn)自傳感器專家網(wǎng)