传感器初现成果 指日可待黄金期
文/李梅
当今物理学的皇后是凝聚态物理学,而超导物理则是皇后王冠上最耀眼夺目的一颗明珠。一百多年来,致力于超导现象发现,新型超导体探索,超导电性的理论研究以及中国科学家在超导材料及应用技术方面艰辛奋斗。
全球各国都极为重视传感器制造行业的发展,投入了大量资源。传感器与通信、计算机并称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础,其应用涉及国民经济及国防科研的各个领域,是国防军事和国民经济基础性、战略性产业之一,直接影响到国防安全、经济安全和社会安全。近年来,随着全球信息化的推进,快速响应、小型化和智能化的传感器件日益深入人心,显示出巨大的商业潜能。
任聪教授提出在高温超导材料方面的研究具有偶然发现的不确定性。任聪教授,1991年云南大学本科毕业,1999年南京大学物理系研究生毕业,获理学博士学位。1999年赴美留学,先后在布朗大学及佛罗里达州立大学材料物理研究中心博士后访问学者,从事自旋电子学器件及材料物理研究。2005年回国入职中科院物理研究所超导国家重点实验室。2016年入职云南大学物理与天文学院。
冲破国外传感器 共话祖国大计
目前美国、欧洲、日本、俄罗斯从事传感器研究和生产厂家均在1000家以上。
在各国持续推动下,全球传感器市场保持快速增长。据前瞻产业研究院发布的信息显示:2010年全球传感器市场已达720亿美元,2013年全球传感器市场已破千亿美元大关,2017年已达1900亿美元,同比增长9.13%;2018年预计可达2059亿美元,同比增长8.37%。
同时,Yole Developement的数据中也显示:全球MEMS传感器产品需求近年增势迅猛,2017年MEMS传感器市场规模为437.6亿元,平均以超过15%的增长率增长,2020年预计将达到721亿元。并且在2018年3月6日发布的Status of the MEMS Industry 2018报告中,也预测到2023年,MEMS和传感器市场的规模将达到1000亿美元[2]。据高工产业研究院预测,未来几年全球传感器市场将保持20%以上的增长速度。全球传感器各类约有2万种之多,我国已拥有科研、技术和产品约1万多种。
但目前国际主流传感技术仍掌握在国外企业手中,我国传感器行业整体缺乏创新的基础和动力,特别是在敏感元件核心技术及生产工艺方面差距较大。因此,为了摆脱对国外传感器的依赖,就必须对传感器技术进行大量、广泛的研究。
纳米技术就在身边 为传感器保驾护航
研究各种新型的、高性能的压力传感器对带动相关产业的发展,提升这一行业的整体科学技术水平和产品国际竞争力,都具有重大而又深远的意义。
压力传感器作为传感器领域的一个重要组成部分,具有技术成熟,性能稳定,性价比相对较高等优点,已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。1980年至今,传感器的发展进入了一个史无前例的新型技术发展阶段。随着纳米技术,微加工技术和微电子技术等新型技术逐步应用到传感器上,压力传感器得到了进一步的发展。随着科学技术和社会经济的高速发展,对压力传感器的性能参数,工作环境等都提出了更高的标准。
压力传感器的发展是以半导体传感器的发现为标志的。1954年史密斯(C.S.Smith)通过利用半导体硅(Si)和锗(Ge)作为媒介,并对其施以外力作用,结果发现此过程中媒介的电阻率显而易见地出现了改变,以此制成第一个压阻式压力传感器。根据这一原理,形式多样的压力传感器被人们发明出来。
介绍几种比较有代表意义的压力传感器。压阻式压力传感器:利用半导体材料的压阻效应制成,相较于金属材料,利用半导体材料制成的压力传感器具有更高的灵敏度和精确度。且半导体材料具有较强的过压能力,良好的机械特性,强度高,迟滞小,这是其他材料无法超越的优势。目前半导体压力传感器主要是基于Si材料,但Si材料温度特性差,采用扩散工艺形成的电阻在较高温度下特性会发生变化,造成非线性压阻出现;用来隔离电阻和衬底的PN结的隔离度也会出现衰退,甚至发生穿通,导致器件彻底毁坏。通常Si材料压力传感器只能工作于温度低于120℃的环境下。 为解决该类压力传感器的漂移问题,目前常用的方法是利用硬件电路、软件补偿算法等方式进行温度补偿与压力补偿,以提高压力传感器的整体性能。然而,由于扩散硅在高压下结构失稳,这些解决方法只能够在一定的时间范围内有效。压电式压力传感器:压电式压力传感器的基本设计思想是使用压电材料的压电效应测量压力,即压电材料受到压力作用而产生形变,正负电荷会在压电体的两端出现。当作用压力处于一定范围内时,压电体两端产生的极化电荷与压电材料所受压力大小呈线性关系,根据电荷量的大小就可以计算出压力值。压电式压力传感器的响应速度非常快,灵敏度很高,常用于测量高频变化的压力信号。但该类传感器的温度和时间稳定性差,难以测量传感器的静态特性。
电阻应变式压力传感器:电阻应变式压力传感器主要通过金属应变片或半导体应变片的电阻变化进行压力的传感,这是由于在形变时应变片的形状长度和厚度发生变化(机械形变)从而导致材料的电阻变化。电阻应变式压力传感器具有性能稳定、结构简单、易于制造等优点,但其也存在着输出信号小、线性范围窄、动态响应差等特点,特别是灵敏度系数低是制约其应用的主要障碍。以硅薄膜制备的电阻应变片为例,在压强2000大气压状态下器件电阻仅变化～1%。因此,电阻应变片型的压力传感器灵敏度不高。陶瓷压力传感器:陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料,基于陶瓷材料制作的压力传感器具有较好的稳定性、抗腐蚀性,能够在 -40℃～125℃的环境下稳定工作,主要有陶瓷电容式及陶瓷压阻式(平膜型和凹膜型)传感器两种。两种传感器结构类似,工艺和成本也类似,且都有过载保护机制,但是陶瓷压阻对温度更为敏感,而且由于陶瓷为脆性材料,极端过压情况下可能出现感压膜爆破,导致介质泄露,因此可靠性较低。目前这几类压力传感器大多工作在中、高压区,总体性能很难再有突破性的提升。国内外基于高压/超高压力传感器的研究仍处于实验研究阶段。
“蓄谋已久”坚持美好 潜力超强新型传感器
随着高压新技术快速发展,超高压力测量在军工和民用方面高压测试的需求越来越多、要求也越来越高。因此,研究新型实用的高灵敏度超高压力传感器是目前亟需解决的重要课题。
任聪课题组长期从事高压下的功能材料的物性以及超导体平面结隧道谱实验的研究。在超导体平面结隧道谱实验研究中,我们发现金属隧道结具有良好的压力效应,而且具有宽温区内的稳定性。根据对金属-绝缘-金属隧道效应的理论研究,发现隧道结电阻值的变化正是由于压力作用下势垒层厚度和势垒高度的变化引起。基于以上考虑,我们课题组在这方面做了一些前期的探索,取得了很有潜力的初步结果,在此基础上提出本课题,期望设计出一种新型的对温度不敏感的具有较大量程压力传感元器件。
任聪长期在中科院物理研究所工作,与南京大学、北京大学、中科院半导体物理研究所等国内著名的高校、科研院所保持着长期良好的合作关系,在与本项目相关的样品制备、实验条件、理论计算以及专家咨询等方面都可得到保障。在超导异质隧道结及隧道谱特性测试,如超导体隧道结(superconducting tunnel junction)、磁隧道结(magnetic tunnel junction),铁基超导体低势垒隧道结,自旋极化隧道(spin-polarized tunnel junction)效应等隧道谱相关领域,相关成果已经在物理评论快报(Phys. Rev. Lett.), 物理评论(Phys. Rev. B),以及应用物理快报(Appl. Phys. Lett.) 等知名期刊上发表。
在凝聚态物理超导材料、超导体隧道结、磁性功能材料物性和磁性隧道结等研究领域,取得了诸多成果。任聪在国际上较早地制备合成出性能优良的磁性隧道结【J. Appl. Phys.92,4722 (2002); J. MMM 267, 133 (2003)】;设计研制了一套隧道结噪声谱测量系统,进行磁隧道结及半导体二维电子气的噪声谱的研究【Phys.Rev.B 69, 104405 (2004); Phys. Rev. Lett. 93, 246602 (2004)】。在利用隧道谱进行磁性材料物性研究方面,测量了EuS、HgCrSe等磁性半导体材料的电子自旋极化率【Phys. Rev. B75, 205208(2007);Phys. Rev.Lett. 115, 087002 (2015)】。在铁基超导体研究的竞争热潮中,利用微霍尔探测技术和Andreev隧道谱,测量了铁基超导体微米级单晶样品的下临界磁场,得到了超导能隙和超流密度【Phys. Rev. Lett. 101, 257006 (2008);Phys.Rev.B 86, 060508(R)(2012)】。在拓扑物性研究中,申请人利用高压技术调控直接带隙半导体黑磷,观测到拓扑相变,证实了黑磷具有拓扑物性【Phys.Rev.B 95,125417 (2017)】。
任聪创新性地发展了隧道谱仪技术,结合高压技术,发明了高压隧道谱技术【Appl. Phys. Lett.106, 202601 (2015)】,并将该技术手段应用于铁基高压超导电性和拓扑绝缘体物性的研究【Phys. Rev. B 95,125417(2017)】,取得了丰硕的研究成果,未来几年将迎来黄金增长期。
