石墨烯传感器正逐步走向市场

传感器技术对于高科技设备和智能设备监控环境至关重要。随着移动设备和自动驾驶汽车的兴起，传感器已无处不在。人工智能的进步推动了对小型、低成本、高性能传感器的需求。

这一趋势始于 1990 年至 2020 年的微机电系统（MEMS）技术，几乎每部手机都集成了加速计、陀螺仪和麦克风等各种传感器。这些传感器采用半导体制造方法大批量生产。

石墨烯和其他二维（2D）材料的发现进一步推动了传感器技术的发展。这些材料可以制造超薄传感器层，提高灵敏度并提供独特的性能。

然而，在证明二维传感器优于现有传感器以及实现可靠的大规模生产方面仍存在挑战。石墨烯旗舰计划（2013-2023 年）对这些问题进行了探索，旨在将先进的二维材料传感器推向市场。最近，《二维材料》（2D materials）杂志上发表了一篇开放存取论文，总结了该计划中不同传感器研究小组的工作及其成功经验，重点是带电子读出功能的二维材料传感器的晶圆级制造。

Towards wafer-scale 2D material sensors

DOI: 10.1088/2053-1583/adac73

图：晶圆级二维材料传感器

本文介绍了基于转移和无转移生产二维材料传感器的区别。虽然这两种方法各有优缺点，但二者之间的选择取决于设备类型及其与读出电子设备的系统集成，作者在文中介绍了选择方法。论文还介绍了使用 CMOS 集成电路读出传感器数据的优势，这证明了二维材料传感器与现有制造技术的兼容性，同时也提高了二维材料的技术就绪水平 (TRL)，使其更接近工业应用。

作者详细介绍了各类二维材料传感器的操作、优点和缺点，包括压力传感器、麦克风、气体传感器和生物传感器。

使用高端设备进行二维材料传感器的实验室演示可以达到技术就绪水平（TRL）3-4 级，而要达到 TRL 5-6 级或更高，则需要在真实环境中进行验证。这就需要将传感器、读出电子装置和数据处理集成到便携式原型中。带电子读出功能的晶圆级传感器芯片具有成本低、功耗低和体积小的优势。这些芯片可在印刷电路板上制成小巧的传感器模块，由电池供电，并可通过无线接口和显示器进行增强。下图是这种原型的一个示例，显示了带有电容读出电子元件、Arduino 处理器、显示器和电池的石墨烯压力传感器原型。

图：二维传感器原型

石墨烯发现 20 年后，石墨烯旗舰计划启动 10 多年后，在实现二维材料传感器和晶圆级生产工艺方面取得了重大进展。Graphenea 公司为传感领域提供了一系列产品，如包含气体、化学和生物传感装置的各种微芯片。通过 Graphenea 卡和盒式磁带等配套产品，可轻松集成到实验装置中。不过，虽然二维材料传感器已经开始小规模生产，但目前还没有大批量（每年 100 万个产品）生产。

图：将二维材料传感器推向市场的路线图

该论文还包含一份提高石墨烯传感器产品 TRL 的路线图。为了推动二维材料传感器的产业化，需要做更多的工作来提高其技术就绪水平（TRL）。主要挑战包括证明二维传感器的性能优于现有传感器，以及开发具有成本效益、可扩展的生产工艺。原型的迭代测试和优化将有助于改进设计和生产方法，加快大型半导体和传感器公司的采用。

弥合学术研究与工业产品开发之间的差距是一项重大挑战。公司倾向于将风险降到最低，只有在大学或初创公司展示出强大的传感器性能后，才会对二维传感器技术进行大量投资。一旦缩小了这一差距，二维传感器就能在智能设备中广泛应用，从而加快其普及速度。

二维传感器可以取代当前的传感器，以更低的成本和功耗更可靠地检测更小的信号。它们还能实现新的测量技术，如单分子检测，从而带来新的应用。例如，利用生物传感器检测植物病害，利用气体传感器进行健康监测，以及利用生物识别传感器进行个人身份识别。

最终，经人工智能增强的二维传感器可集成到物联网应用、传感器网络、自动驾驶汽车和机器人技术中。高密度传感器的部署将改善环境监测，有利于农业和医疗保健，并应对气候变化和资源短缺等社会挑战。因此，二维材料传感器研究有望继续发展并改善我们的生活。