什么是石墨烯？石墨烯傳感器的商業(yè)化之路

墨烯與傳感器是一個(gè)天然的結(jié)合體，因?yàn)槭┚哂休^大的表面體積比、獨(dú)特的光學(xué)特性、優(yōu)良的導(dǎo)電性、高載流子遷移率和密度、高導(dǎo)熱性等諸多特性，可以極大地有利于傳感器功能的實(shí)現(xiàn)。

什么是傳感器？

傳感器是一種檢測(cè)物理環(huán)境中發(fā)生的事件（如光、熱、運(yùn)動(dòng)、濕氣、壓力等），并以輸出作出反應(yīng)的設(shè)備，通常是一個(gè)電信號(hào)、機(jī)械信號(hào)或光學(xué)信號(hào)。家用水銀溫度計(jì)是傳感器的一個(gè)簡(jiǎn)單例子--它檢測(cè)溫度并與可測(cè)量的液體膨脹發(fā)生反應(yīng)。傳感器無處不在--它們可以在日常應(yīng)用中找到，比如觸摸感應(yīng)的電梯按鈕和對(duì)觸摸做出反應(yīng)的燈管調(diào)光表面，但也有許多種類的傳感器被大多數(shù)人忽視--比如用于醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域的傳感器。

傳統(tǒng)的傳感器種類包括溫度、壓力(熱敏電阻、熱電偶等)、濕度、流量(電磁、位置位移等)、運(yùn)動(dòng)和接近(電容、光電、超聲波等)，不過還有無數(shù)其他版本的傳感器存在，傳感器分為兩類：主動(dòng)傳感器和被動(dòng)傳感器。有源傳感器（如光導(dǎo)電池或光檢測(cè)傳感器）需要電源，而無源傳感器（輻射計(jì)、膠片攝影）則不需要。

傳感器應(yīng)用

傳感器的應(yīng)用很多，按使用形式大致可以分為以下幾大類。

加速度計(jì)：基于微電子機(jī)械技術(shù)的傳感器，主要用于移動(dòng)設(shè)備、醫(yī)學(xué)上對(duì)病人的監(jiān)測(cè)（如心臟起搏器）和車輛系統(tǒng)。

生物傳感器：基于電化學(xué)技術(shù)的傳感器，用于食品和水的檢測(cè)、醫(yī)療設(shè)備、健身追蹤器和腕帶（可測(cè)量血氧含量和心率等）和軍事用途（生物戰(zhàn)等）。

圖像傳感器：基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的傳感器，用于消費(fèi)電子、生物識(shí)別、交通和安全監(jiān)控以及PC成像。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器：可以是紅外、超聲波或微波/雷達(dá)技術(shù)的傳感器。它們被用于視頻游戲、安全檢測(cè)和光激活。

什么是石墨烯？

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維材料，因其優(yōu)異的特性，常被稱為"奇跡材料"。它的強(qiáng)度是鋼的200倍，厚度只有一個(gè)原子，同時(shí)也是世界上最導(dǎo)電的材料。它的密度非常大，最小的氦原子都無法通過它，但同時(shí)它又是輕巧透明的。自2004年被隔離以來，研究人員和公司都在熱衷于研究石墨烯，它將徹底改變各種市場(chǎng)，并產(chǎn)生改進(jìn)的工藝、性能更好的部件和新產(chǎn)品。

石墨烯與傳感器

石墨烯與傳感器是一個(gè)天然的結(jié)合體，因?yàn)槭┚哂休^大的表面體積比、獨(dú)特的光學(xué)特性、優(yōu)良的導(dǎo)電性、高載流子遷移率和密度、高導(dǎo)熱性等諸多特性，可以極大地有利于傳感器功能的實(shí)現(xiàn)。石墨烯的大表面積能夠增強(qiáng)所需生物分子的表面負(fù)載，優(yōu)異的導(dǎo)電性和小帶隙有利于生物分子與電極表面之間的電子傳導(dǎo)。

基于石墨烯的化學(xué)傳感器照片

石墨烯被認(rèn)為在生物傳感器和診斷領(lǐng)域的應(yīng)用將變得尤為廣泛。石墨烯的大表面積可以增強(qiáng)所需生物分子的表面負(fù)載，而優(yōu)良的導(dǎo)電性和小帶隙有利于在生物分子和電極表面之間傳導(dǎo)電子。生物傳感器可用于葡萄糖、谷氨酸、膽固醇、血紅蛋白等一系列分析物的檢測(cè)等。石墨烯在實(shí)現(xiàn)電化學(xué)生物傳感器的開發(fā)方面也有很大的潛力，基于酶和電極表面之間的直接電子轉(zhuǎn)移。

石墨烯將使傳感器更小、更輕--提供無限的設(shè)計(jì)可能性。它們還將更加敏感，能夠檢測(cè)到更小的物質(zhì)變化，工作速度更快，最終甚至比傳統(tǒng)傳感器更便宜。一些基于石墨烯的傳感器設(shè)計(jì)包含一個(gè)帶有石墨烯通道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)分析物的結(jié)合時(shí)，通過晶體管的電流會(huì)發(fā)生變化，從而發(fā)送一個(gè)信號(hào)，可以分析確定幾個(gè)變量。

基于石墨烯的納米電子器件還被研究用于DNA傳感器(用于檢測(cè)核堿基和核苷酸)、氣體傳感器(用于檢測(cè)不同氣體)、PH傳感器、環(huán)境污染傳感器、應(yīng)變和壓力傳感器等。

石墨烯傳感器的商業(yè)化之路

2015年6月，德國工程巨頭博世公司與馬克斯-普朗克固態(tài)研究所的科學(xué)家合作，產(chǎn)生了一種基于石墨烯的磁性傳感器，其靈敏度是基于硅的同等器件的100倍。

2014年8月，總部位于美國的石墨烯前沿公司宣布融資160萬美元，用于擴(kuò)大其石墨烯功能化GFET傳感器的研發(fā)和制造。他們的"六種傳感器"品牌的高靈敏度化學(xué)和生物傳感器可用于診斷疾病，其靈敏度和效率是傳統(tǒng)傳感器無法比擬的。

石墨烯前沿的G-FET傳感器

2014年9月，德國AMO公司與阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了基于石墨烯的光電探測(cè)器，據(jù)說這是世界上最快的光電探測(cè)器。

2013年11月，諾基亞劍橋研究中心開發(fā)出基于氧化石墨烯的濕度傳感器，該傳感器速度快得驚人，薄、透明、靈活，而且響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間都很好。諾基亞還在2012年8月申請(qǐng)了一種基于石墨烯的光電探測(cè)器的專利，這種探測(cè)器透明、輕薄，最終價(jià)格應(yīng)該比傳統(tǒng)光電探測(cè)器更便宜。
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