导读
据瑞典皇家理工学院（KTH）官网近日报道，该校研究人员采用石墨烯研制出迄今为止最小的加速度计。该加速度计有望成为身体传感器与导航技术中的重要突破。
背景
石墨烯，是由单层碳原子组成的蜂窝状结构薄片。它具有卓越的导电与机械特性以及柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
科学家们预测，石墨烯极有可能掀起一场席卷全球的技术革命。目前，石墨烯已广泛应用于许多领域，例如半导体制造、太赫兹技术、超级电容、柔性电子、晶体管、传感器、新能源、通信、医疗等。
石墨烯材料的未来应用（图片来源：石墨烯旗舰项目）
今天，笔者要带大家关注石墨烯的一个重要应用领域，该领域就是微纳机电系统（MEMS/NEMS）。
MEMS，即微机电系统，是一种尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。时下，MEMS 正在迈向更小的特征尺寸（1纳米~100纳米），这样的系统又称为“纳机电系统（NEMS）”。
MEMS/NEMS 是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来，融合光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工以及精密机械加工等技术制作而成的高科技电子机械器件。
微纳机电系统的应用范围很广，相关产品也很丰富，例如加速度计、麦克风、微马达、微泵、微振子、光学传感器、压力传感器、陀螺仪、湿度传感器、气体传感器、质量分析仪、扫描显微镜探针等。
微机电系统芯片（图片来源：维基百科）
去年8月，据石墨烯材料领先供应商 Graphenea 公司官网报道，该公司与英飞凌（Infineon Technologies）、WITec GmbH、亚琛工业大学以及 Simune Atomistics S.L. 等工业和学术界伙伴合作，宣布成功完成了 NanoGraM 项目，该项目专注于基于石墨烯的 NEMS/MEMS 器件研究。
NanoGraM 项目重点关注三类特定器件包括：石墨烯麦克风、石墨烯膜压力传感器和石墨烯膜霍尔传感器。这些石墨烯器件的目标市场包括便携式电子产品（智能手机、笔记本电脑）、汽车、工业以及智能家居等。
石墨烯麦克风、压力传感器和霍尔传感器（图片来源：亚琛工业大学、英飞凌与 Graphenea）
石墨烯麦克风展现出了超高的灵敏度，以及覆盖从音频到超声波频段的运行频谱，这可以带来许多新颖的功能。对于压力传感器和霍尔传感器，应用石墨烯材料的预期优势包括更高的灵敏度（高达100倍）、坚固性（高达5倍）、增强的信噪比以及避免工艺中的有害材料等。
创新
近日，瑞典皇家理工学院（KTH）与德国亚琛工业大学以及位于亚琛的研究机构 AMO GmbH 的研究人员们组成的国际科研团队，采用石墨烯研制出迄今为止最小的加速度计。相关论文发表在《自然·电子学（Nature Electronics）》上。
（图片来源：瑞典皇家理工学院）
该加速度计有望成为身体传感器与导航技术中的重要突破。这项技术未来可能的应用包括心血管疾病监测系统、超灵敏的可穿戴和便携式运动捕捉技术。
技术
瑞典皇家理工学院微纳系统系研究员范绪阁（Xuge Fan）表示，石墨烯独特的材料特性，使之可用于构造这些超小型加速度计。
具有焊接线的超小型 NEMS 加速度计的扫描电镜图像。（图片来源：瑞典皇家理工学院）
范绪阁表示：“基于我们所做的调查和对比，我们可以说，这是迄今为止世界上最小的机电式加速度计。”
石墨烯是良好的导体，其导电性能胜过铜。独特的碳原子排列，使石墨烯中的电子能轻松地高速移动。此外，石墨烯还具备卓越的机械特性，例如轻薄、柔性、强度大。因此，石墨烯是最有前景的材料之一，将为纳机电系统带来一系列令人叹为观止的应用。
范绪阁表示：“因为材料具有原子级的厚度，所以我们可以缩小元器件的尺寸，并且这种材料具有卓越的电气与机械特性。我们可以创造出一个压阻式 NEMS 加速度计，它比当今任何 MEMS 加速度计都要小得多，但却保留了这些系统所需的灵敏性。”
一个封装好且引线键合的裸片含有64个器件。（图片来源：瑞典皇家理工学院）
价值
范绪阁表示，这种小型加速度计的未来前景是光明的。他用计算机的小型化过程，来类比纳米技术领域中的进展。
他表示：“这将最终造福于具有导航、移动游戏、计步器功能的手机，以及心脏疾病监测系统和捕捉运动的可穿戴装置，这些可穿戴装置甚至可以监测最轻微的运动。”
这些 NEMS 换能器的其他潜在用途包括超小型的 NEMS 传感器与致动器，例如谐振器、陀螺仪和麦克风。此外，范绪阁还表示，这些 NEMS 换能器还可作为描述石墨烯机械与机电特性的系统来使用。
亚琛工业大学教授马克斯·莱姆（Max Lemme）对于这些成果感到很兴奋：“我们与瑞典皇家理工学院的数年合作已经表明，石墨烯膜在压力和霍尔传感器以及麦克风中应用的潜力。现在，我们又将它应用到加速度计。这样一来，我们对于看到这种材料在数年内出现在市场上抱有希望。为此，我们正在研究工业兼容的制造与集成技术。”
关键字
石墨烯、MEMS、可穿戴技术
参考资料
【1】Xuge Fan et al. Graphene ribbons with suspended masses as transducers in ultra-small nanoelectromechanical accelerometers, Nature Electronics (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0287-1
【2】https://www.kth.se/en/aktuellt/nyheter/world-s-smallest-accelerometer-points-to-new-era-in-wearables-gaming-1.921647
【3】https://www.graphenea.com/blogs/graphene-news/project-nanogram-propels-applications-of-suspended-graphene-membranes
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