傳感器技術(shù)對(duì)于高科技設(shè)備和智能設(shè)備監(jiān)控環(huán)境至關(guān)重要。隨著移動(dòng)設(shè)備和自動(dòng)駕駛汽車的興起，傳感器已無處不在。人工智能的進(jìn)步推動(dòng)了對(duì)小型、低成本、高性能傳感器的需求。
這一趨勢(shì)始于 1990 年至 2020 年的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，幾乎每部手機(jī)都集成了加速計(jì)、陀螺儀和麥克風(fēng)等各種傳感器。這些傳感器采用半導(dǎo)體制造方法大批量生產(chǎn)。
石墨烯和其他二維（2D）材料的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。這些材料可以制造超薄傳感器層，提高靈敏度并提供獨(dú)特的性能。
然而，在證明二維傳感器優(yōu)于現(xiàn)有傳感器以及實(shí)現(xiàn)可靠的大規(guī)模生產(chǎn)方面仍存在挑戰(zhàn)。石墨烯旗艦計(jì)劃（2013-2023 年）對(duì)這些問題進(jìn)行了探索，旨在將先進(jìn)的二維材料傳感器推向市場(chǎng)。最近，《二維材料》（2D materials）雜志上發(fā)表了一篇開放存取論文，總結(jié)了該計(jì)劃中不同傳感器研究小組的工作及其成功經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)是帶電子讀出功能的二維材料傳感器的晶圓級(jí)制造。
本文介紹了基于轉(zhuǎn)移和無轉(zhuǎn)移生產(chǎn)二維材料傳感器的區(qū)別。雖然這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但二者之間的選擇取決于設(shè)備類型及其與讀出電子設(shè)備的系統(tǒng)集成，作者在文中介紹了選擇方法。論文還介紹了使用 CMOS 集成電路讀出傳感器數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，這證明了二維材料傳感器與現(xiàn)有制造技術(shù)的兼容性，同時(shí)也提高了二維材料的技術(shù)就緒水平 (TRL)，使其更接近工業(yè)應(yīng)用。
作者詳細(xì)介紹了各類二維材料傳感器的操作、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，包括壓力傳感器、麥克風(fēng)、氣體傳感器和生物傳感器。
使用高端設(shè)備進(jìn)行二維材料傳感器的實(shí)驗(yàn)室演示可以達(dá)到技術(shù)就緒水平（TRL）3-4 級(jí)，而要達(dá)到 TRL 5-6 級(jí)或更高，則需要在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。這就需要將傳感器、讀出電子裝置和數(shù)據(jù)處理集成到便攜式原型中。帶電子讀出功能的晶圓級(jí)傳感器芯片具有成本低、功耗低和體積小的優(yōu)勢(shì)。這些芯片可在印刷電路板上制成小巧的傳感器模塊，由電池供電，并可通過無線接口和顯示器進(jìn)行增強(qiáng)。下圖是這種原型的一個(gè)示例，顯示了帶有電容讀出電子元件、Arduino 處理器、顯示器和電池的石墨烯壓力傳感器原型。
圖：二維傳感器原型
石墨烯發(fā)現(xiàn) 20 年后，石墨烯旗艦計(jì)劃啟動(dòng) 10 多年后，在實(shí)現(xiàn)二維材料傳感器和晶圓級(jí)生產(chǎn)工藝方面取得了重大進(jìn)展。Graphenea 公司為傳感領(lǐng)域提供了一系列產(chǎn)品，如包含氣體、化學(xué)和生物傳感裝置的各種微芯片。通過 Graphenea 卡和盒式磁帶等配套產(chǎn)品，可輕松集成到實(shí)驗(yàn)裝置中。不過，雖然二維材料傳感器已經(jīng)開始小規(guī)模生產(chǎn)，但目前還沒有大批量（每年 100 萬個(gè)產(chǎn)品）生產(chǎn)。
圖：將二維材料傳感器推向市場(chǎng)的路線圖
該論文還包含一份提高石墨烯傳感器產(chǎn)品 TRL 的路線圖。為了推動(dòng)二維材料傳感器的產(chǎn)業(yè)化，需要做更多的工作來提高其技術(shù)就緒水平（TRL）。主要挑戰(zhàn)包括證明二維傳感器的性能優(yōu)于現(xiàn)有傳感器，以及開發(fā)具有成本效益、可擴(kuò)展的生產(chǎn)工藝。原型的迭代測(cè)試和優(yōu)化將有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法，加快大型半導(dǎo)體和傳感器公司的采用。
彌合學(xué)術(shù)研究與工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)之間的差距是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。公司傾向于將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，只有在大學(xué)或初創(chuàng)公司展示出強(qiáng)大的傳感器性能后，才會(huì)對(duì)二維傳感器技術(shù)進(jìn)行大量投資。一旦縮小了這一差距，二維傳感器就能在智能設(shè)備中廣泛應(yīng)用，從而加快其普及速度。
二維傳感器可以取代當(dāng)前的傳感器，以更低的成本和功耗更可靠地檢測(cè)更小的信號(hào)。它們還能實(shí)現(xiàn)新的測(cè)量技術(shù)，如單分子檢測(cè)，從而帶來新的應(yīng)用。例如，利用生物傳感器檢測(cè)植物病害，利用氣體傳感器進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以及利用生物識(shí)別傳感器進(jìn)行個(gè)人身份識(shí)別。
最終，經(jīng)人工智能增強(qiáng)的二維傳感器可集成到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人技術(shù)中。高密度傳感器的部署將改善環(huán)境監(jiān)測(cè)，有利于農(nóng)業(yè)和醫(yī)療保健，并應(yīng)對(duì)氣候變化和資源短缺等社會(huì)挑戰(zhàn)。因此，二維材料傳感器研究有望繼續(xù)發(fā)展并改善我們的生活。
Towards wafer-scale 2D material sensors: DOI: 10.1088/2053-1583/adac73
來源：Graphenea