我们生活的环境中存在各种模拟属性，例如阳光强度或风速。另一方面，技术正朝着使用数字信号的方向发展，因为它们可以很容易地复制和传输。传感器通过将物理属性转换为可以测量和分析的数字形式来弥合这些领域之间的差距。
今天几乎每个电子设备都有某种形式的传感器或转换器，它们对设备的工作有很大贡献。无论是智能手表中的运动传感器还是冰箱中的温度传感器，传感器已成为我们生活的一部分。随着物联网 (IoT)、第五代 (5G) 通信网络、人工智能和机器学习等正在进行的技术革命，传感器与这些系统的集成开启了大量应用。这就是当前未来的发展方向。
传感器基本上由传感器基板/平台、传感材料和电子电路组成。传感器技术的进步完全致力于传感材料的创新，因为它与环境发生物理或化学相互作用。传统传感器使用金属氧化物或碳基纳米材料，但这些结构受到环境稳定性差、功耗高和制造过程繁琐的限制。正如本研究中所讨论的，随着基于 MXene（氮化物）和 Borophene （硼墨烯）的高级二维材料 (A2M) 的推出，与基于纳米材料的传感器相关的挑战正在得到解决。
研究人员表示：“MXenes 的高水分散性使其能实现可伸缩的机器处理，用于构建自立式薄膜，从而消除了对基板的需求，降低了制造传感器的尺寸、成本和复杂性”。
(来自维基百科的解释：MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。)
下面来看看这项技术如何彻底改变物联网应用中使用的传感器。
应变传感器（也称为应变计）是测量施加在其上的外力影响的设备。
然后，测量值可用于计算各种其他物理参数，如应力、压力、振动、扭矩等。它们广泛用于各种应用，如体重秤、运动检测、机器人、人工耳膜和可穿戴设备。
传统上，这些传感器是使用半导体材料/刚性金属制造的，具有重新堆叠层和小应变范围。外力的应用会在层中产生裂缝，从而导致传感器上的输出电阻发生变化。然而，由于层的重新堆叠，它们的性能有限。
为了设计下一代应变传感器，基于 MXene 的水凝胶被添加为层间的第二相材料，以减少它们之间的相互作用。它们的应变水平高达152%，具有优异的抗拉强度，并表现出优异的自修复能力和拉伸能力。这种反叠加策略已广泛应用于制造应变/应力传感器。
对于炼油厂或气体加工厂等场所，检测和监测气体水平非常关键，这主要通过气体和挥发性有机化合物 (VOC) 传感器完成。
它们的主要任务是检测不同类型的气体及其浓度，尤其是有毒和易爆气体。常见的气体传感器是使用金属氧化物半导体制造的。它由一个气敏层组成，当与目标气体接触时会改变其电阻，也称为化学电阻器。然而，这些传感器的工作温度高，功耗高，选择性有限。
通过在气体传感器中使用 MXene，即使在室温下也可以实现非常灵敏的检测。MXenes 具有更高的有效表面积和高电导率，信噪比约为 150-200。该材料擅长在其表面吸附气体分子，尤其是对其具有化学吸引力的气体分子，从而显示出良好的选择性。
由于广泛的应用，包括工业控制、天气监测、可穿戴电子设备，甚至模仿人体感觉器官，测量湿度的研究一直很受欢迎。
传统的湿度传感器是基于高分子的，其中在高湿度的情况下水分子被吸附在表面上。这导致大分子中的载流子增加，因此材料的电阻会降低。然而，这些类型的传感器由于涉及有毒化学物质和不稳定的变化环境，易遭受性能瓶颈。
通过构建 A2M 与水响应材料的混合复合材料，湿度传感器显示出更好的结果。据报道，“A2Ms 具有丰富的表面功能、高有效表面积、低扩散长度和最佳孔隙率，从而实现卓越的湿度检测性能。“
据报道，氢化硼烯基湿度传感器的灵敏度比传统的原始石墨烯传感器高 700 倍，这使得 A2M 更胜一筹。此外，这些传感器非常适合可穿戴技术，因为它们能够在不同的弯曲条件下保持选择性和稳定性。
生物传感器是一种由两个主要部分组成的设备：物理化学传感器和生物受体，通常由酶、抗体或核酸组成。
生物受体与目标分析物发生反应，生物反应通过换能器转换为电反应。
传统的生物传感器基于一维 (1D) 纳米材料，如碳纳米管、金属纳米线和高分子纳米纤维。由于优越的比表面积，它们表现出增强的生物传感性能。然而，其昂贵的制造成本、在不同的大气环境下的不稳定性以及在不同的设备模块中不一致的性能限制了其商业前景。
另一方面，基于 A2M 的生物传感器由于其丰富的表面化学成分和更精简的制造能力而更具前景。
研究人员报告说，基于二维材料的生物传感器和生物标志物可以定性和定量地检测代谢异常，评估各种治疗的功效，并评估病原体和毒素等不同的环境风险因素。
随着基于 MXene 和 Borophene 的 A2M 材料的发现，使用 A2M 构建的传感器在各个方面都优于传统传感器。
一些传统传感器利用金属氧化物等无机纳米材料，这限制了它们在下一代可穿戴传感器中的使用，并使它们可用于机器加工。A2M 可以在低温下大规模生产，并具有可扩展的操作。它们可以制作在独立的薄膜上，从而成功地集成到灵活、可穿戴和便携式传感器中。
“多样化、可扩展、环保、经济、可重复和节能的传感器架构策略是集成技术以制造基于 A2M 的下一代传感器的关键。” 研究人员表示。
物联网 (IoT) 使传感器能够通过互联网在世界任何地方进行寻址和识别。基于a2m的传感器的快速响应可以远程监控、记录和检查。这些传感器聚焦微小的变化，提供智能警报等服务，以及预防和控制重大的全球性问题。
例如，利用热稳定的A2M传感器为基础的物联网设备，能监测和探测火山喷发，这可能会挽救很多生命。同样，围绕 A2M 生物传感器构建的物联网设备甚至可以感知由于手臂肌肉收缩和眼睛运动而在体内产生的微小电位差。因此，集成物联网传感器对于开发智能、灵活和可互操作的电子医疗流程具有巨大的前景。
本文翻译自EDN电子技术设计姐妹刊IOT Design Zone，原文标题Revolutionizing the IoT sensor market with 2D MXenes and Borophene based 5th generation intelligent sensors。
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