Влияние графена на развитие автономных датчиков и систем транспортных средств

Графен, двумерная решетка атомов углерода толщиной всего в один атом, вызвала интенсивный исследовательский интерес с момента его изоляции в 2004 году. Его экстраординарные электрические, механические, тепловые и оптические свойства открыли новые возможности во многих отраслях промышленности, и автомобильный сектор не является исключением. В частности, графен готов преобразовать датчики и системы, которые делают автономные транспортные средства (AV) безопасными, эффективными и надежными. Путем обеспечения более быстрого, более точного зондирования при одновременном снижении потребления энергии и веса, графен решает некоторые из самых упрямых инженерных препятствий на пути к полной автономии. В этой статье рассматриваются уникальные характеристики материала, его конкретные применения в технологии датчиков AV, более широкие воздействия на системы транспортных средств и проблемы, которые остаются до того, как компоненты на основе графена станут обычным явлением на наших дорогах.

Почему графен подходит для автономных датчиков

Автономные транспортные средства зависят от набора датчиков, включая LiDAR, радар, камеры и ультразвуковые устройства, чтобы воспринимать их среду с высокой точностью. Каждый тип датчиков имеет ограничения, но необычайное сочетание свойств графена может значительно улучшить производительность по всем направлениям. Его электрическая проводимость превышает медь, его механическая прочность больше, чем сталь, и он почти прозрачен для видимого света, будучи непроницаемым для газов. Эти функции позволяют инженерам проектировать датчики, которые более чувствительны, долговечны и эффективны, чем обычные аналоги.

Исключительная электропроводность

Носители заряда графена ведут себя как безмассовые фермионы Дирака, позволяя подвижности, превышающие 200 000 см2/В·с при комнатной температуре. Это приводит к чрезвычайно быстрой передаче сигнала в элементах датчика. Например, фотодетектор на основе графена может преобразовывать свет в электрический сигнал в пикосекундах, намного быстрее, чем традиционные кремниевые фотодиоды. В системах LiDAR, которые полагаются на измерение времени полета лазерных импульсов, такая скорость улучшает разрешение диапазона и позволяет системе различать близко расположенные объекты — критическая способность для предотвращения столкновения на шоссейной скорости.

Механическая сила и гибкость

Несмотря на то, что графен является самым тонким материалом, известным, он примерно в 100 раз прочнее стали по весу и может растягиваться до 20% без разрушения. Эта комбинация прочности и гибкости идеально подходит для датчиков, которые должны выдерживать вибрацию, тепловой цикл и воздействие на движущийся автомобиль. Конформные покрытия графена могут быть применены к изогнутым поверхностям, таким как панели кузова транспортного средства, что позволяет использовать низкопрофильные датчики, которые не нарушают аэродинамику. Кроме того, прочность графена может снизить риск отказа датчика из-за дорожного мусора или незначительных столкновений, снижая долгосрочные затраты на техническое обслуживание.

Оптическая прозрачность

Графен поглощает только 2,3% падающего видимого света, что делает его почти прозрачным, в то же время оставаясь электропроводящим. Это свойство особенно ценно для интеграции датчиков в лобовые стекла или окна, не мешая обзору водителя (или кормам камеры AV). Прозрачные графеновые электроды уже используются в сенсорных экранах и дисплеях; для AV они могут включать дисплеи с подголовником, прозрачные окна LiDAR или многофункциональное стекло, которое сочетает электромагнитное экранирование с интеграцией датчиков.

Революционизируя производительность LiDAR, радара и камеры

Ниже мы рассмотрим, как графен может улучшить системы LiDAR, радара и камеры, устранив фундаментальные ограничения, которые замедлили развертывание автономии уровня 4 и уровня 5.

Графен-усиленная лидар

LiDAR (Light Detection and Ranging) создает 3D-карты высокого разрешения, излучая лазерные импульсы и измеряя их время возврата. Ключевой задачей является достижение достаточного диапазона и разрешения при всех погодных условиях, сохраняя при этом систему компактной и доступной. Лавинные фотодиоды на основе графена могут достигать более высоких показателей пропускной способности, чем кремниевые или InGaAs устройства, позволяя обнаруживать более слабые сигналы на более длинных расстояниях. Исследователи из Мичиганского университета продемонстрировали графеновые фотодетекторы с пропускной способностью 400 ГГц, намного превышающие коммерческие стандарты. На практике это означает, что устройство LiDAR может обнаруживать темного цвета пешехода на высоте более 200 метров в дождливую ночь - сценарий, в котором часто борются датчики тока. Кроме того, широкий спектральный ответ графена позволяет различать материалы, такие как асфальт и вода, улучшая алгоритмы планирования пути.

Графен в радарных системах

Миллиметровый радар необходим для измерения скорости и обнаружения объектов в условиях низкой видимости (туман, снег, пыль). Однако обычный радар страдает от ограниченного углового разрешения и беспорядка от отражений от поверхности дороги. Графеновые полевые транзисторы (GFET) могут действовать как смесители и детекторы на терагерцовых частотах, позволяя радару работать в более высоких диапазонах (например, 300 ГГц), где угловое разрешение резко улучшается без необходимости больших антенных решеток. Кроме того, низкий уровень шума графена уменьшает ложные тревоги, вызванные тепловыми колебаниями. В статье 2022 года в ]Nature Electronics показано, что радарные детекторы на основе графена могут достигать эквивалентной мощности шума ниже 1 pW / √Hz, что делает их одними из самых чувствительных детекторов комнатной температуры, когда-либо построенных. Эта чувствительность позволяет радару «видеть» небольшие обломки или животных на дороге задолго до того, как транспортное средство достигнет их.

Графеновые камеры и датчики изображений

Камеры являются основным датчиком для разметки полос, светофоров и распознавания знаков, но они ограничены динамическим диапазоном и низкой светоотдачей. Датчики изображения на основе графена могут обнаруживать свет от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона, покрывая больше, чем видимый спектр. Комбинируя графен с квантовыми точками, исследователи создали датчики с динамическим диапазоном, превышающим 120 дБ - намного лучше, чем 60-80 дБ, типичные для датчиков CMOS. Это означает, что та же камера может захватывать четкое изображение пешехода при ярком солнечном свете и тускло освещенном туннеле без насыщения или шума. Гибкость графена также позволяет изогнутые фокусные плоские массивы, которые имитируют сетчатку глаза человека, уменьшая оптические аберрации и делая модуль камеры меньше.

Энергоэффективность и долговечность: низкая мощность, более длительный срок службы

Автономные транспортные средства потребляют значительную электрическую энергию для работы десятков датчиков, вычислительных блоков и систем связи. Каждый сэкономленный ватт расширяет диапазон транспортного средства - критический для электрических AV - и снижает требования к управлению температурой. Графен предлагает несколько путей к экономии энергии и повышенной долговечности на уровнях компонентов и систем.

Снижение потребления энергии сенсора

Низкое сопротивление графена означает, что для управления током через датчики электродов или межсоединений требуется меньшее напряжение. В графеновом газовом датчике, например, активная область может работать на уровнях под-1В при сохранении высокой чувствительности. Для LiDAR графеновые фотодетекторы могут достигать сопоставимой чувствительности к лавинообразным фотодиодам при фракции напряжения смещения, уменьшая потребность в высоковольтных источниках питания. В совокупности эти улучшения могут сократить потребляемую мощность подсистемы датчика на 30-50%, основываясь на оценках проекта Graphene Flagship в Европе.

Термическое управление и долголетие

Графен обладает теплопроводностью около 5000 Вт/м·К — в десять раз больше, чем у меди, — что позволяет ему эффективно распределять тепло из горячих точек в процессорах или усилителях мощности. В радиолокационных модулях, где высокочастотные транзисторы генерируют значительное тепло, графеновые тепловые распределители могут снижать температуры перехода более чем на 20 °C, резко увеличивая среднее время между отказами. Помимо управления теплом химическая инертность графена защищает поверхности датчиков от коррозии, вызванной дорожной солью, влагой и выхлопными газами. Покрытия, полученные из оксида графена, как было показано, уменьшают износ движущихся частей (например, в сканирующих зеркалах LiDAR) до 60% в лабораторных испытаниях.

Влияние на системный уровень: обработка данных, интеграция и связь

Улучшенные датчики — это только половина истории; данные, которые они производят, должны обрабатываться, сливаться и действовать в режиме реального времени. Влияние графена распространяется на вычислительные и коммуникационные подсистемы, которые являются основой автономных стеков вождения.

Ускорение обработки данных с помощью Graphene Electronics

Современные АВ генерируют терабайты данных датчиков в час. Обработка этих данных требует мощных процессоров, графических процессоров и ускорителей нейронных сетей, все из которых ограничены скоростью межсоединений. Графен можно использовать для изготовления высокоскоростных межсоединений и даже логических устройств, работающих на терагерцовых частотах. В то время как графеновые транзисторы не имеют пропускной способности для традиционной цифровой логики, исследования в области двухслойного графена и графеновых нанолент произвели коэффициенты переключения 106 - достаточно для определенных аналоговых и смешанных сигналов. В ближайшей перспективе графеновые аналого-цифровые преобразователи (ADC) могут отбирать сигналы более чем на 100 ГС/с с меньшей мощностью, чем кремниевые АЦП, что позволяет осуществлять прямую оцифровку широкополосных радиолокационных эхо без понижения конверсии. Это уменьшает задержку и упрощает слияние датчиков трубопровода.

Улучшение связи между автомобилем и всем (V2X)

Автономные транспортные средства полагаются на протоколы V2X для обмена информацией с инфраструктурой и другими участниками дорожного движения. Графеновые антенны могут быть напечатаны на тонких, гибких подложках и настроены на работу в нескольких частотных диапазонах (например, 5,9 ГГц для DSRC и 60 ГГц для высокопроизводительных линий связи). Поскольку плотность носителей заряда графена может быть настроена приложенным напряжением, одна антенна может перенастроить свой паттерн излучения в электронном виде — концепция, известная как управление лучом без механических частей. Это позволит AV поддерживать прочную связь с придорожным блоком даже при движении через городские каньоны или туннели. Кроме того, высокая подвижность электронов графена поддерживает схемы модуляции, такие как 256-QAM, со скоростью передачи данных, превышающей 1 Гбит / с, что необходимо для передачи обновлений карт высокой четкости и данных датчиков между транспортными средствами.

Производственные проблемы и дорога вперед

Несмотря на замечательный потенциал, внедрение графена в автомобильные датчики сталкивается с несколькими практическими препятствиями. Масштабируемое, экономически эффективное производство высококачественного графена остается постоянной проблемой. Химическое осаждение паров (CVD) может производить графен большой площади, но перенос его на подложки устройств без дефектов по-прежнему является искусством. Для многих применений датчиков графен требует функционализации с другими молекулами или квантовыми точками для достижения желаемой селективности и чувствительности - добавление сложности в производственный процесс.

Стоимость и интеграция

Текущие затраты на изготовление устройств на основе графена значительно выше, чем для кремниевых эквивалентов. Однако автомобильная промышленность, как известно, чувствительна к затратам, и автопроизводители вряд ли примут графен, если он не предлагает явное преимущество производительности в конкурентной ценовой точке. Экономия масштаба для графена CVD улучшается, и несколько компаний, таких как Graphenea, Applied Graphene Materials и CVD Equipment Corporation, теперь поставляют графеновые пленки по ценам, приближающимся к 100 долларам за квадратный метр для материала исследовательского класса. Для массового производства потребуется дальнейшее снижение до менее 10 долларов за квадратный метр, чтобы конкурировать с ITO или алюминием в сенсорных электродах. Между тем, интеграция графена в существующие линии упаковки датчиков требует новых протоколов обработки, чтобы избежать загрязнения и механических повреждений.

Сертификация надежности и безопасности

Автономные датчики транспортных средств должны соответствовать строгим стандартам надежности автомобилей, таким как AEC-Q100 для ИС и ISO 26262 для функциональной безопасности. Графеновые устройства должны демонстрировать последовательную производительность при экстремальных температурах (−40 °C до 125 °C), высокой влажности и тысячах часов работы. Ранние исследования графеновых полевых транзисторов показывают многообещающую стабильность при напряжении смещения, но долгосрочные данные о надежности в автомобильных средах все еще редки. Исследователи активно разрабатывают слои инкапсуляции и методы пассивации для защиты графена от окисления и влаги, которые, как известно, ухудшают его свойства с течением времени.

Будущие направления и новые приложения

В перспективе роль графена в автономных транспортных средствах, вероятно, будет расширяться за пределы датчиков в новых областях, таких как хранение энергии, структурный мониторинг здоровья и тактильные интерфейсы для взаимодействия человека и машины. Суперконденсаторы на основе графена могут доставлять всплески мощности для аварийных тормозных приводов или быстрой подзарядки бортовых батарей. Встроенные графеновые датчики в шинах или компонентах шасси могут обнаруживать напряжение, температуру и давление, подавая данные в алгоритмы прогнозного обслуживания. Кроме того, пьезоэлектрические свойства графена (в сочетании с другими 2D-материалами) могут обеспечить сбор энергии от дорожных вибраций, питая датчики низкого тока без батареи.

Несколько исследовательских групп также изучают нейроморфные вычислительные элементы на основе графена, которые имитируют синапсы и нейроны, предлагая путь к энергоэффективным системам восприятия, которые учатся и адаптируются в режиме реального времени.Если такие устройства могут быть интегрированы непосредственно с датчиками графена, результатом будет ультракомпактный, маломощный блок обработки датчиков, который может поместиться внутри бокового зеркала или бампера.

В заключение, графен выступает в качестве преобразующего материала для датчиков и систем, которые лежат в основе автономного вождения. Его беспрецедентное сочетание электрических, механических и тепловых свойств решает критические болевые точки в связи LiDAR, радара, камер и V2X - повышение производительности при одновременном снижении мощности и веса. Проблемы производства и интеграции остаются, но темпы прогресса свидетельствуют о том, что датчики с улучшенным графеном начнут появляться в производственных транспортных средствах в течение следующих пяти-десяти лет. По мере того, как отрасль движется к автоматизации уровня 5, уникальные возможности графена могут оказаться недостающим элементом, который делает действительно безопасные и эффективные самоуправляемые автомобили реальностью.

Внешние ресурсы для дальнейшего чтения: