Der Nanodrahtsensor kommt, wird der Sensorchip weit hinterherhinken?

- May 30, 2019-

Nanowire sensor and sensor chip

Nanodraht-Brückenwachstumsschema "No Bypass Circuit"

Micro gas detector

Mikrogasdetektor


Informationstechnologien wie künstliche Intelligenz, tragbare Geräte und das Internet der Dinge entwickeln sich rasant. Es ist eine große Anzahl von Sensoren erforderlich, um Unterstützung zu bieten. Für Big Data- und Cloud-Computing-Dienste sind auch verschiedene Sensoren erforderlich, um Daten in Echtzeit zu erfassen und zu unterstützen. Die gegenwärtigen Sensoren weisen jedoch Probleme auf, wie beispielsweise eine geringe Lokalisierung, niedrige Endprodukte, schwache technologische Innovation und rückständige Produktionsprozesse.


Kürzlich hat ein Team von Professoren der Fakultät für elektronische Wissenschaften und Technologien der Technischen Universität Dalian die „Nanodraht-Brückenwachstumstechnologie“ für leckfreien Strom erfunden, mit der das Problem der Array-Anordnung, des Elektrodenkontakts und der Materialstabilität von Nanodraht-Bauelementen gelöst wurde. und entwickelte hohe Zuverlässigkeit und geringe Leistung. Ein hochempfindlicher GaN-Nanodraht-Gassensor, der auf die biometrische Erkennung sowie die Erkennung von Spannungen und Dehnungen erweitert werden kann.


Mikro-Nano-Sensor hat eine "Dose"


In den letzten Jahren haben sich integrierte Halbleiterschaltungs-Chips (ICs) rasant entwickelt und den Aufstieg der Industrie im Bereich des Internets der Dinge und der künstlichen Intelligenz vorangetrieben. "Wenn der IC mit dem menschlichen Gehirn verglichen wird (Verarbeiten von Informationen), entspricht der Sensor dem menschlichen Sinnesorgan (Abrufen von Informationen), und der IC und der Sensor sind voneinander abhängig."


Die Entwicklungsgeschwindigkeit von Sensoren, insbesondere von Mikro-Nanosensoren, bleibt jedoch weit hinter der Entwicklung von ICs zurück. Mikro-Nanosensoren und Sensorchips werden nach der IC-Industrie eine weitere wichtige Industrie sein.


Der derzeit am weitesten verbreitete kleinste Sensor ist ein MEMS-Sensor.


MEMS-Sensoren (MEMS) sind neue Sensoren, die unter Verwendung von Mikroelektronik und Mikrobearbeitungstechnologie hergestellt werden. Seine interne Struktur liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von Mikrometern oder sogar Nanometern und ist ein unabhängiges intelligentes System. Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren zeichnet es sich durch geringe Größe, geringes Gewicht, geringe Kosten, geringen Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, Massenproduktionsfähigkeit, einfache Integration und Intelligenz aus. Gleichzeitig ermöglicht die Strukturgröße in der Größenordnung von Mikrometern, Funktionen auszuführen, die mit einigen herkömmlichen mechanischen Sensoren nicht möglich sind.


"Im Vergleich zu MEMS-Geräten sind Halbleiter-Nanodrähte 1000-mal kleiner und 1 Million-mal kleiner. Daher sind Nanodrähte das kleinste Gerät und ideal für Mikro-Nanosensoren."


Im Vergleich zu herkömmlichen Massenmaterialien und Dünnfilmmaterialien bieten Halbleiter-Nanodrähte viele einzigartige Vorteile: Eine große spezifische Oberfläche kann die Empfindlichkeit des Bauelements verbessern, eine einfache Verformung kann die Integration von Materialien verbessern, ein Lichtleiter im Nanomaßstab und leitende Kanäle können einzeln hergestellt werden Photonische Geräte mit Nanometer-Linien. Darüber hinaus machen die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Nanodrähte und die flexible Struktur diese flexibler und können eine Kernummantelung und eine gitterübergreifende Struktur bilden.


Die praktische Anwendung von Nanodrahtvorrichtungen ist jedoch mit einer Reihe von Problemen verbunden. Professor der Fakultät für Elektrotechnik der Pekinger Universität für Post und Telekommunikation stellte vor, dass das Materialwachstum und die Vorrichtungsherstellung von Nanodrähten getrennt sind und Schritte wie Abisolieren, Übertragen, Ausrichten und Beschichten erfordern. Der Prozess ist kompliziert und kann die Nanodrähte beschädigen und verunreinigen.

Darüber hinaus sind Nanodrähte schwer zu manipulieren und zu positionieren. "Und die Kontaktfläche zwischen dem Nanodraht und der Metallelektrode ist sehr klein, sodass der Elektrodenkontaktwiderstand sehr groß ist und fast zwei Größenordnungen über dem Widerstand des Nanodrahts selbst liegt."


Nanodraht-Sensor "lang" kam heraus


Um eine Reihe von Problemen wie die schwierige Positionierung von Nanodrähten und die kleine Kontaktfläche von Elektroden zu lösen, haben Hewlett-Packard und die University of California im Jahr 2004 eine "Technologie zur Überbrückung von Nanodrähten" erfunden. Durch Ätzen der Aussparungen auf dem SOI-Substrat wachsen die Nanodrähte von einer Seite der Aussparung und stoßen an die andere Seite, so dass Metallelektroden auf den Seitenflächen der Aussparungen hergestellt werden können.


Dieser "Wachstums" -Ansatz zur Integration von Nanodrähten und Seitenwänden vermeidet die Herstellung von Metallelektroden auf der Oberfläche der Nanodrähte, wodurch der Elektrodenkontaktwiderstand um zwei Größenordnungen und das Rauschen um drei Größenordnungen verringert werden. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit, die Nanodrähte anzuordnen und zu positionieren, was den Herstellungsprozess vereinfacht und eine Kontamination der Oberfläche und eine Beschädigung der Nanodrähte beseitigt.


Das HP Programm zur Überbrückung von Nanodrähten wurde jedoch nicht beworben. Aufgrund des Verfahrens wird beim Wachstumsprozess des Nanodrahts gewöhnlich ein polykristalliner Film (parasitäre Abscheidungsschicht) auf dem Grund der Rille abgeschieden, und die parasitäre Abscheidungsschicht erzeugt einen großen Bypassstrom, der die Leistung des Nanodrahts stark verschlechtert Gerät.


Zu diesem Zweck untersuchte das Expertenteam zunächst den parasitären Abscheidungseffekt beim Überbrücken von Nanodrähten und erfand eine Überbrückungsmethode, die den Luftstrom-Okklusionseffekt und den Oberflächenpassivierungseffekt kombiniert, um das Problem der parasitären Abscheidung zu lösen. Die Forscher verwendeten ein neues Rillenschema und eine neue Rillenstruktur, um Materialablagerungen am Grund der Rille zu vermeiden und ein überbrücktes Wachstum der Nanodrähte zu erreichen.


Unter Verwendung einer GaN-Pufferschicht können durch Anpassen der Wachstumsbedingungen von Nanodrähten wie Gasfluss, Katalysator, Temperaturgradient usw. die Position, Richtung, Durchmesser und Länge des Nanodrahtwachstums geändert werden, und Nanodrähte können aus GaN-Nanodrähten realisiert werden , Nanonadel zu Mikrosäule. Kontrollierbares Wachstum. "


Es wird berichtet, dass GaN-Materialien Halbleiter der dritten Generation mit ausgezeichneter Stabilität und Biokompatibilität, Hochtemperaturbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Säure- und Alkali-Korrosionsbeständigkeit sind und sich zum Nachweis von Flüssigkeits- und Gasproben in rauen Umgebungen eignen. "Experimente haben gezeigt, dass die Korrosion in Flusssäure über 48 Stunden die Beständigkeit gegen GaN-Nanodrähte nicht beeinträchtigt, und die Anwendung ist sehr umfangreich."


Auf dieser Basis entwickelte das Team einen integrierten Nanodrahtgassensor, den GaN-Nanodrahtgassensor. Nach dem Test kann der Sensor bei Raumtemperatur arbeiten, die Widerstandsänderungsrate von <8% in="" 8="" monaten="" und="" die="" nachweisgrenze="" für="" no2="" liegt="" bei="" 0,5="" ppb,="" was="" sich="" durch="" hohe="" stabilität,="" geringen="" stromverbrauch="" und="" hohe="" empfindlichkeit="">


Diese Technologie ist die erste, die GaN-verbrückte Nanodrähte ohne Leckstrom realisiert, und die Entwicklung von GaN-Nanodraht-Gassensoren wird die Entwicklung von Sensorchips vorantreiben.


Sensorchip kommt bald


Mikro-Nanosensoren sind subversive Technologien mit enormen Innovations- und Marktanforderungen. In den letzten Jahren haben sich Mikro-Nanosensoren zu einem Hotspot für staatliche und soziale Investitionen entwickelt. „Der Mikronatriumsensor ist eng mit der Entwicklung des Internets der Dinge und von 5G verbunden. Es ist weit verbreitet in den Bereichen Mobiltelefone, Automobile, Medizin und Konsumgüter, und seine Entwicklungssituation ist sehr gut. “


Der Leiter der Fakultät für Elektronik und Computertechnik an der Universität von Michigan sagte, dass die vorherigen Sensoren drei Komponenten erforderten: Elektronik, drahtlose Netzwerksysteme und drahtlose Netzwerksysteme. In Zukunft werden Sensoren und Sensoranwendungen allgegenwärtig sein. Wenn sie zu einem Netzwerk zusammengefasst werden, können sie durch Micro-Nano-Sensoren in einer kleinen Umgebung bessere Sensornetzwerke erzielen.


„Es ist möglich, Millionen von Sensoren in nur 1 Millimeter zu laden. Solche Geräte können sehr kleine Chips bereitstellen und Daten zeitnah, zeitnah und genau überwachen, was uns hilft, in verschiedenen Energiesystemen und Energiesystemen zu spielen. bewirken."


Das Team wird sich auf die Entwicklung kleinerer GaN-Nanodrahtgassensoren mit geringerer Leistung konzentrieren und versuchen, Sensorchips herzustellen. "Die ideale Situation besteht darin, mit integrierten Schaltkreischips zu arbeiten, um Erfassungs-, Steuerungs- und Verarbeitungssignale für ein breiteres Anwendungsspektrum zu kombinieren."


Der Sensorchip hat gute Entwicklungsperspektiven und großes Potenzial und verdient Forschung und Entwicklung. Gleichzeitig schlug er vor, dass die Sensor-Chip-Technologie, sobald sie ausgereift ist, von Fachleuten der Branche schnell gefördert und gefördert werden sollte, um die Chancen zu nutzen.


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