O sensor de nanofios está chegando, o chip do sensor vai ficar para trás?

- May 30, 2019-

Nanowire sensor and sensor chip

Esquema de crescimento de ponte de nanofios "sem circuito de bypass"

Micro gas detector

Detector de micro gás


A tecnologia da informação, como inteligência artificial, equipamentos portáteis e a Internet das Coisas, está se desenvolvendo rapidamente. Requer um grande número de sensores para fornecer suporte. Big data e serviços de computação em nuvem também exigem vários sensores para coletar dados em tempo real para suportá-los. No entanto, os sensores atuais têm problemas como baixa localização, produtos de baixo custo, inovação tecnológica fraca e processos de produção retrógrados.


Recentemente, uma equipe de professores da Escola de Ciência e Tecnologia Eletrônica da Universidade de Tecnologia de Dalian inventou a “tecnologia de crescimento de pontes de nanofios” para correntes sem vazamentos, o que resolveu o problema de montagem de arranjos, contato de eletrodos e estabilidade de materiais de dispositivos de nanofios. e desenvolveu alta confiabilidade e baixa potência. Um sensor de gás de nanofios de GaN altamente sensível que pode ser estendido para detecção biométrica e detecção de tensão e deformação.


Micro-nano sensor tem uma "lata"


Nos últimos anos, os chips de circuitos integrados de semicondutores (ICs) se desenvolveram rapidamente, impulsionando a ascensão da Internet das Coisas e das indústrias de inteligência artificial. "Se o CI é comparado ao cérebro humano (processamento de informações), o sensor é equivalente ao órgão sensorial humano (obtendo informações), e o CI e o sensor são interdependentes."


No entanto, a velocidade de desenvolvimento de sensores, especialmente micro-nano sensores, fica muito aquém do desenvolvimento de CIs. Micro-nano sensores e chips sensores serão outra grande indústria após a indústria de circuitos integrados.


O menor sensor atualmente amplamente utilizado é um sensor MEMS.


Os sensores MEMS (MEMS) são novos sensores fabricados com tecnologia de microeletrônica e micro-usinagem. Sua estrutura interna é geralmente da ordem de micrômetros ou nanômetros e é um sistema inteligente independente. Comparado com os sensores tradicionais, possui características de tamanho pequeno, peso leve, baixo custo, baixo consumo de energia, alta confiabilidade, adequado para produção em massa, fácil integração e inteligente. Ao mesmo tempo, o tamanho do recurso na ordem dos micrômetros possibilita a execução de funções impossíveis com alguns sensores mecânicos convencionais.


"Em comparação com os dispositivos MEMS, os nanofios semicondutores são 1000 vezes menores e 1 milhão de vezes menores. Portanto, os nanofios são o menor dispositivo e ideal para micro-nano sensores".


Em comparação com materiais a granel tradicional e materiais de película fina, nanofios semicondutores têm muitas vantagens únicas: grande área de superfície específica pode melhorar a sensibilidade do dispositivo, fácil de deformar pode melhorar a integração de materiais, guia de luz nanoescala e canais condutivos podem fazer única Dispositivos fotônicos de linha nanométrica. Além disso, as excelentes propriedades mecânicas dos nanofios e a estrutura flexível tornam-no mais flexível e podem formar um revestimento central e uma estrutura de grade cruzada.


No entanto, a aplicação prática de dispositivos de nanofios enfrenta uma série de problemas. Professor da Escola de Engenharia Eletrônica da Universidade de Pequim de Correios e Telecomunicações, introduziu que o crescimento do material e a preparação do dispositivo de nanofios são separados, exigindo etapas como decapagem, transferência, alinhamento e revestimento. O processo é complicado e pode danificar e contaminar os nanofios.

Além disso, os nanofios são difíceis de manipular e é difícil posicioná-los. "E a área de contato entre o nanofio e o eletrodo de metal é muito pequena, então a resistência de contato do eletrodo é muito grande, quase duas ordens de magnitude maior do que a resistência do próprio nanofio."


O sensor de nanofios "longo" saiu


A fim de resolver uma série de problemas como o difícil posicionamento de nanofios e pequena área de contato de eletrodos, em 2004, a Hewlett-Packard e a Universidade da Califórnia inventaram uma "tecnologia de crescimento de pontes de nanofios". Gravando os recessos no substrato SOI, os nanofios crescem de um lado do recesso e encostam no outro lado, de modo que os eltrodos de metal podem ser preparados nas superfies laterais dos recessos.


Esta abordagem de "crescimento" para a integração de nanofios e paredes laterais evita a fabricação de eletrodos de metal na superfície dos nanofios, o que reduz a resistência de contato do eletrodo em duas ordens de grandeza e o ruído em três ordens de grandeza. Além disso, não há necessidade de organizar e posicionar os nanofios, o que simplifica o processo de preparação e elimina a contaminação da superfície e os danos dos nanofios.


No entanto, o programa de crescimento de pontes de nanofios da HP não foi promovido. Por causa do método, no processo de crescimento do nanofio, um filme policristalino (camada de deposição parasitária) é geralmente depositado no fundo do sulco, e a camada de deposição parasita gera uma corrente de desvio grande, o que deteriora muito o desempenho do nanofio. dispositivo.


Para isso, a equipe de especialistas primeiro estudou o efeito da deposição parasitária no crescimento de pontes de nanofios e inventou um método de crescimento em ponte que combina o efeito de oclusão do fluxo de ar e o efeito de passivação superficial para resolver o problema de deposição parasitária. Os pesquisadores usaram um novo esquema ranhurado e estrutura de sulco para evitar a deposição de material na parte inferior do sulco e alcançar o crescimento em ponte dos nanofios.


"Usando a camada tampão GaN, ajustando as condições de crescimento dos nanofios, como fluxo de gás, catalisador, gradiente de temperatura, etc., a posição, direção, diâmetro e comprimento do nanofio podem ser alterados, e nanofios podem ser obtidos a partir de nanofios de GaN nanoneedle to microcolumn Crescimento controlável ".


É relatado que os materiais de GaN são semicondutores de terceira geração com excelente estabilidade e biocompatibilidade, resistência a altas temperaturas, resistência à oxidação, resistência à corrosão ácida e alcalina, e são adequados para a detecção de amostras de líquidos e gases em ambientes severos. "Experimentos mostraram que a corrosão do ácido fluorídrico por 48 horas não afeta a resistência do nanofio de GaN, e sua aplicação é muito extensa."


Com base nisso, a equipe desenvolveu um sensor integrado de gás de nanofios, o sensor de gás de nanofios GaN. Após o teste, o sensor pode trabalhar à temperatura ambiente, a taxa de variação de resistência de <8% em="" 8="" meses="" e="" o="" limite="" de="" detecção="" de="" no2="" é="" de="" 0,5ppb,="" apresentando="" alta="" estabilidade,="" baixo="" consumo="" de="" energia="" e="" alta="">


Esta tecnologia é a primeira a realizar nanofios com pontes GaN "sem corrente de fuga", e o desenvolvimento de sensores de gás de nanofios GaN impulsionará o desenvolvimento de chips sensores.


O chip sensor está chegando em breve


Micro-nano sensores são tecnologias subversivas com enorme inovação e espaço de mercado. Nos últimos anos, micro-nano sensores tornaram-se um dos pontos críticos do governo e investimento de capital social. “O sensor de micro-sódio está intimamente relacionado ao desenvolvimento da Internet das Coisas e 5G. É amplamente utilizado em telefones celulares, automóveis, áreas médicas e de consumo, e sua situação de desenvolvimento é muito boa ”.


O chefe do Departamento de Eletrônica e Engenharia da Computação da Universidade de Michigan disse que os sensores anteriores precisavam de três componentes: eletrônica, sistemas de rede sem fio e sistemas de rede sem fio. No futuro, as aplicações de sensores e sensores serão onipresentes. Quando eles são combinados em uma rede, eles podem obter melhores redes de sensores em um ambiente pequeno através de micro-nano sensores.


“É possível carregar milhões de sensores em apenas 1 milímetro. Esses dispositivos podem fornecer chips muito pequenos e monitorar dados de maneira oportuna, precisa e oportuna, o que nos ajudará a jogar em diferentes sistemas de energia e sistemas de energia. efeito."


A equipe se concentrará no desenvolvimento de sensores de gás de nanofio de GaN de menor potência e menores e tentará fabricar chips de sensores. “A situação ideal é trabalhar com chips de circuitos integrados para combinar sinais de detecção, controle e processamento para uma ampla gama de aplicações.”


O chip sensor tem uma boa perspectiva de desenvolvimento e grande potencial, e é digno de pesquisa e desenvolvimento. Ao mesmo tempo, ele sugeriu que, uma vez que a tecnologia do chip sensor estivesse madura, ela deveria ser rapidamente promovida e promovida por profissionais do setor para aproveitar as oportunidades.


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