先進2D材料加持 智慧感測器改寫IoT市場

作者 : Saumitra Jagdale,IOT Design Zone特約作者

隨著基於MXene和Borophene (硼烯)的先進2D材料(A2M)崛起,用於打造第五代慧感測器的各方面表現都優於傳統感測器,並將使其徹底改變物聯網感測器市場…

在我們生活的環境中存在各種類比屬性,例如陽光強度或風速。另一方面,技術正朝著使用數位訊號的方向發展,因為它們可以很容易地複製和傳輸。感測器透過將物理屬性轉換為可以測量和分析的數位形式,彌合了這些領域之間的差距。

當今幾乎每個電子裝置都有某種形式的感測器或換能器,對於裝置的運作帶來很大的貢獻。無論是智慧手錶中的動作感測器還是冰箱中的溫度感測器,感測器已成為我們生活的一部份。隨著物聯網 (IoT)、第五代(5G)通訊網路、人工智慧(AI)和機器學習(ML)等持續進行的技術革命,感測器與這些系統的整合開啟了大量應用。這就是目前正持續邁進的未來發展方向。

感測器基本上由感測器基板/平台、感測材料和電子電路組成。感測器技術的進步完全致力於感測材料的創新,因為它與環境發生物理或化學相互作用。傳統的感測器使用金屬氧化物或碳基奈米材料,但這些結構受到環境穩定性差、功耗高以及製造過程繁瑣的限制。正如許多研究中所討論的,隨著基於MXene (氮化物)和 硼烯(Borophene)等先進二維材料(A2M)的推出,有助於克服與奈米材料感測器相關的挑戰。

針對基於A2M的第五代智慧感測器進行相關研究的研究人員表示:「MXenes 的高水分散性使其能實現可伸縮的機器處理,用於架構自立式薄膜,從而消除了對基板的需求,降低製造感測器的尺寸、成本和複雜性。」

(根據維基百科,MXene是材料科學中的一類2D無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。)

接下來討論這項技術如何徹底改變IoT應用中使用的感測器。

應變感測器

應變感測器,也稱為應變計,是一種測量施加於其上外力影響的裝置。其測量值可用於計算各種物理參數,如應力、壓力、振動、扭矩等,廣泛用於體重秤、動作檢測、機器人、人工耳膜和穿戴式裝置等各種應用。

傳統上,這些感測器使用半導體材料/剛性金屬製造,具有重新堆疊層和較小應變範圍。施加外力會在分層中產生裂縫,從而導致感測器上的輸出電阻發生變化。然而,由於重新堆疊分層,其性能有限。

為了設計下一代應變感測器,基於 MXene 的水凝膠被添加為分層間的第二相位材料,以減少其間的相互作用。其應變和度高達152%,具有優異的抗拉強度,並表現出色的自修復能力和拉伸能力。這種反疊加策略已廣泛用於製造應變/應力感測器。

氣體和VOC感測器

對於煉油廠或氣體加工廠等場所,偵測和監控氣體濃度非常關鍵,這主要是透過氣體和揮發性有機化合物(VOC)感測器實現的。其主要任務在於偵測不同類型的氣體及其濃度,尤其是有毒和易爆氣體。常見的氣體感測器使用金屬氧化物半導體製造。它由一個氣敏層組成,當與目標氣體接觸時會改變其電阻,也稱為化學電阻器(chemiresistor)。然而,這些感測器的工作溫度高,功耗高,選擇性有限。

透過在氣體感測器中使用 MXene,即使在室溫下也可以實現非常靈敏的偵測。MXenes 具有更高的有效表面積和高電導率,訊號雜訊比(SNR)約為 150-200。該材料擅長在其表面吸附氣體分子,尤其是對其具有化學吸引力的氣體分子,從而顯示出良好的選擇性。

濕度感測器

濕度感測器由於廣泛地應用在工業控制、天氣監測、穿戴式電子裝置,甚至模擬人體感官,也使得測量濕度的研究一直很受歡迎。

傳統的濕度感測器基於高分子,其中,在高濕度的情況下水分子被吸附在表面上。這導致大分子中的載流子增加,因此材料的電阻會降低。然而,這類型的感測器由於涉及有毒化學物質和不穩定的變化環境,易遭受性能瓶頸。

透過建構 A2M 與水反應(water-responsive)材料的混合複合材料,濕度感測器顯示出更好的結果。據報導,「A2M具有豐富的表面功能、高有效表面積、低擴散長度和最佳孔隙率,從而實現卓越的濕度偵測性能。」

據報導,氫化硼烯基濕度感測器的靈敏度比傳統的原始石墨烯感測器高700倍,這使得 A2M 更勝一籌。此外,這些感測器非常適合穿戴技術,因為它們能夠在不同的彎曲情況下保有選擇性和穩定性。

生物感測器

生物感測器是一種由兩個主要部份組成的元件:物理化學換能器,以及生物受體—這通常由酶、抗體或核酸組成。生物受體與目標分析物發生反應,生物反應透過換能器轉換為電反應。

傳統的生物感測器基於一維(1D)奈米材料,如碳奈米管、金屬奈米線和高分子奈米纖維。由於優越的表面積,表現出增強的生物感測性能。然而,其昂貴的製造成本、在不同的大氣環境下的不穩定性以及在不同的裝置模組中的性能不一致,也因此限制其商業前景。

另一方面,基於 A2M 的生物感測器由於其豐富的表面化學成份和更精簡的製造能力而更具前景。據研究人員指出,基於2D材料的生物感測器和生物標誌物可以定性和定量地偵測代謝異常、評估各種治療的功效,並評估病原體和毒素等不同的環境風險因素。

IoTAI打造A2M感測器未來

隨著基於 MXene 和硼烯的 A2M 材料之探索,使用 A2M 建構的感測器在各個方面都優於傳統感測器。

有些傳統感測器利用金屬氧化物等無機奈米材料,從而限制了其於下一代穿戴感測器中的使用,並使其可用於機器加工。A2M 可在低溫下大規模生產,並具有可擴展的操作,使其得以在獨立的薄膜上製作,從而成功地整合於靈活、可穿戴和可攜式感測器中。

研究人員表示,「多樣化、可擴展、環保經濟、可重複和節能的感測器架構策略是整合技術以製造基於 A2M 的下一代感測器之關鍵。」

IoT使得感測器能夠透過網際網路在世界上的任何地方進行定址和辨識。基於A2M的感測器快速回應,已能透過遠端監控、記錄和檢查。這些感測器聚焦微小的變化,提供智慧警報等服務,以及預防和控制重大的全球性問題。

例如,利用熱穩定的A2M感測器為基礎的IoT裝置監測和探測火山噴發,這可能有助於挽救很多生命。同樣地,圍繞 A2M 生物感測器建構的IoT裝置甚至可以感知由於手臂肌肉收縮和眼睛運動而在體內產生的微小電位差。因此,整合IoT感測器對於開發智慧、靈活和可互動操作的電子醫療流程具有巨大的前景。

編譯:Echo Zhao

(參考原文:Revolutionizing the IoT sensor market with 2D MXenes and Borophene based 5th generation intelligent sensorsby Saumitra Jagdale)

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