从“被动采集”到“主动感知”：Nature Sensors两篇论文揭示传感技术新范式，Lake Shore探针台贯穿验证全程
发布日期：2026-09-03
导语：
Nature Sensors作为Nature Portfolio在2026年1月推出的新刊，旨在为“跨界”传感科学建立一个共同的“学术家园”。传感器在现代生活中无处不在——从智能设备到基础设施，从医疗健康到环境监测——而传感器研究本身也横跨材料科学、器件物理、信号处理、系统集成与应用等多个环节。我们整合了两项来自不同团队、不同方向的研究不约而同地指向了同一趋势：传感器正在从“被动采集数据”走向“主动智能感知”。而Lake Shore探针台，凭借其精准的样品定位能力、稳定的低噪声测试环境与宽温区覆盖，为这两项横跨材料、器件与系统的前沿突破，提供了贯穿始终的硬件保障。
从数据采集走向智能感知：探针台助力华科团队构建仿生注意力视觉传感器
人工智能技术的发展正在对传感器提出全新要求——它不再只是一个“记录数据的眼睛”，而应成为一个能够“自主筛选关键信息”的智能前端。传统视觉传感器无差别采集所有光学信息，导致后端神经网络处理大量冗余数据，既拉高延迟，也浪费算力。
受绿条袖蝶（Heliconius cydno）基于偏振的同类识别机制启发，华中科技大学翟天佑、李渊教授团队提出了一种注意力驱动的传感器内选择性计算范式，相关成果以《Attention-driven in-sensor selective computing》为题发表于《Nature Sensors》。他们构建了一款注意力视觉传感器（AVS），利用具有传感器内存储特性的各向异性光电突触——基于ReS₂/h-BN/石墨烯范德华异质结——实现了偏振相位敏感性和基于偏振度的对比度滤波。该器件同时具备偏振敏感性与非易失存储功能，可在传感器前端实现对特定偏振特征的选择性增强与自然背景的自动抑制。
图1. 仿生原理与阵列级的两种成像模式。
图2.实际场景的选择性识别仿真
该AVS阵列展现出稳健且可重复的偏振依赖性突触响应，能够在杂乱的非偏振环境中实现特征特异性对比成像和选择性物体识别。与用于语义分割的神经网络集成后，系统对人造物体的识别准确率达到97.57%，同时筛除了99.56%的自然背景——这意味着关键的视觉信息在进入后端处理器之前，已在传感器前端完成了“提纯”。
这一仿生视觉系统的验证高度依赖光电协同测量与突触可塑性的精确表征——需要在可控环境中对不同偏振角度、不同光脉冲条件下的器件电流响应进行长时间、低漂移的追踪。研究团队选择Lake Shore探针台作为核心测试平台：
稳定的低温/真空环境（温度稳定性<±0.03 K）：确保了器件在反复电写入与光擦除循环中，循环变异系数低于2.5%，验证了偏振分辨突触响应的可重复性；
微米级探针定位精度（光学分辨率优于4 µm）：使团队能在3×5阵列上完成不同偏振相位（0°、45°、90°、135°）下的逐像素光电流映射，实现了相位驱动（PBA）与偏振度驱动（CBA）双模式成像的功能验证；
低噪声电学测试环境：支撑了偏振度映射随时间演化的定量分析，实验表明偏振相关特征在光刺激撤除后仍持续增强。
从“传感-处理-供电”分离到三位一体：探针台赋能宾大团队破解自供能化学传感器集成难题
多功能、自供电的化学传感器对于环境检测、工业安全和即时诊断至关重要，但在紧凑、完全自主的系统中实现这样目标仍具挑战。宾夕法尼亚州立大学Saptarshi Das教授团队《Nature Sensors》发表题为《Self-powered chemical sensing via graphene, MoS2 and silicon integration》文章，突破性地将石墨烯传感、MoS₂片上逻辑与硅光伏能量收集整合于同一平台，实现了无需电池、仅凭环境光即可完成化学信号采集与数字化输出的自供能传感系统。
该平台的核心突破在于：石墨烯离子敏感场效应晶体管（ISFET）可检测多种分析物——包括无机盐、醇类、糖类以及涵盖宽泛物理特性（粘度、表面张力等）的液体；单层MoS₂逻辑电路将模拟响应实时转换为稳定的数字输出；硅光伏模块在环境光下同时为传感与处理供电，真正实现了“采集-处理-输出”的完整系统功能。
图3. 自供能集成电路化学传感工作状态
然而，这一“三位一体”集成的实现面临核心挑战：MoS₂场效应晶体管（FET）必须在极低功耗下保持稳定开关特性与高增益，同时石墨烯传感器的液体环境电学表征也需避免漏电干扰。为此，团队选用Lake Shore CRX-VF低温探针台作为核心电学测试平台：
精准的变温电学表征（10 K – 500 K）：团队在室温至低温范围内系统提取了50个MoS₂ FET的转移特性，验证了开关比>10⁷、关态电流<100 pA/μm、亚阈值摆幅~141 mV/dec等关键参数——这些数据直接决定了MoS₂比较器在微瓦级功耗下的数字化精度与可靠性；
高真空环境与多探针灵活配置（最多6个探针臂）：确保了液体环境中石墨烯ISFET的信噪比（SNR）>40 dB，同时支持从单器件到复杂电路功能验证的全流程测试；
±2.5 T垂直超导磁体选配能力：为未来探索二维材料在磁场调控下的输运行为预留了空间，体现了平台的前瞻性。
本论文Methods部分明确指出，所有器件的电学表征均基于Lake Shore CRX-VF探针台环境完成。正是依托CRX-VF系统提供的超低噪声测试环境与精准温控能力，团队得以精确量化MoS₂电路在低电压（V_DD=1–2.5 V）下的增益、功耗与电压-代码转换分辨率，最终实现8种典型分析物通过多电压点读取获得15 bit数字编码的精准识别。
硬核底座：从材料表征到系统验证的无缝衔接
两项研究覆盖了二维材料器件表征中最为严苛的需求——超低电流测量、温度敏感参数提取、多端子协同控制与长时间稳定性跟踪。无论是化学分子识别还是偏振光场感知，无论是数字逻辑计算还是模拟突触可塑性，Lake Shore探针台都成为研究人员从“新材料构想”跨越到“完整系统验证”的坚实桥梁。
对华科团队，探针台支撑了ReS₂异质结从单器件光电突触表征到3×5阵列功能验证的全链条测试，为偏振视觉传感器的硬件可行性提供了实验证据；Lake Shore探针台低噪声、高稳定的电学环境，是从单器件性能优化推进到阵列功能验证的可靠保障。
对宾大团队，CRX-VF保障了MoS₂ FET从关态漏电到开态驱动的完整参数提取，为微瓦级功耗数字电路的设计提供了可靠数据基础，其稳定性和灵活性是集成工作得以推进的关键硬件保障。
Lake Shore探针台：为智能传感未来提供硬核支撑
从探索二维材料的奇异物理特性，到构建突破传统架构的自供能传感与仿生视觉系统，Lake Shore Cryotronics的低温探针台持续站位于科研创新的最前沿。目前，Lake Shore已推出包括CRX-VF（集成超导磁体）、CRX-4K（基础型闭循环）、CPX（高性价比液氮/液氦型）在内的全系列探针台产品线，覆盖从基础物理研究到器件工程验证的多元需求，为新一代低功耗电子、神经形态计算、量子材料与智能传感领域的研究突破持续提供硬核支撑——让更多“从0到1”的科学发现，能够穿越从材料到系统的“最后一公里”，转化为可落地的技术方案。
图4. 低温探针台选型和适用的应用场景
参考文献：
1. Ouyang, D., Wu, Y., Li, Y. et al. Attention-driven in-sensor selective computing. Nat. Sens. (2026). https://doi.org/10.1038/s44460-026-00114-3
2. Rasyotra, A., Ghosh, S., Nair, R.T. et al. Self-powered chemical sensing via graphene, MoS2 and silicon integration. Nat. Sens. 1, 305–314 (2026). https://doi.org/10.1038/s44460-026-00042-2
