研究人員製造出微型自供電溫度傳感器

2021-01-08 科技報告與資訊

來自牛津大學,代爾夫特大學和IBM蘇黎世的一組研究人員研究表明,石墨烯可用於構建靈敏且自供電的溫度傳感器。這些發現為高度敏感的熱電偶的設計鋪平了道路,該熱電偶可以集成在納米器件甚至活細胞中。

可擴展,可靠且可安裝在納米設備中的片上溫度傳感器對於CPU未來的熱管理至關重要。通過沿著臨界點分布溫度監控器來確定CPU某些部分的局部熱量,可以將反饋提供給控制系統。作為響應,熱管理允許通過點冷卻或負載分配(例如在不同的計算核心之間)進行熱負載的重新分配,從而避免出現熱點並延長設備壽命並節省能源。這樣的溫度傳感器應具有較小的佔地面積,高精度,消耗最少的功率並且與已建立的納米製造技術兼容。

熱電偶是自供電且相對容易製造的,因此是低成本測溫的理想選擇。由於它們的信號源自固有的材料特性,因此它們的靈敏度往往會有很小的差異。通常,熱電偶是由兩種具有不同塞貝克係數的材料組合而成,可以測量在傳感端和參考物之間建立的與溫度差成比例的熱電壓。為了使用常規熱電偶實現片上測溫,通常需要兩次單獨的製造。因此,可以很容易地集成到當前晶片規模的熱電偶已經引起了人們的興趣,以前也有報導過單個金屬熱電偶。不過這些熱電偶的靈敏度較差(約為1μv/k),還往往有很大的佔用面積,厚度相對較大,約為100納米。

牛津大學,代爾夫特大學和IBM蘇黎世大學的研究人員發現,石墨烯可用於構建敏感的、單材料的和自供電的溫度傳感器。他們將石墨烯(一原子厚的碳原子片)化成U形,在傳感端連接著一條寬窄的腿。通過調整石墨烯支腳的幾何形狀並利用電子在石墨烯器件邊緣的散射效應,研究小組獲得了最大靈敏度ΔS≈39μV/ K。

結果可能為高靈敏度熱電偶的設計鋪平道路,並有可能集成在範德華結構和未來的石墨烯電路中。此外,由於石墨烯的生物惰性和在各種情況下的穩定性,這些熱電偶還可以在惡劣或敏感的環境(例如細胞和其他生物系統)中用作溫度傳感器。

論文標題為《SingleMaterial Graphene Thermocouples》。

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