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南方科技大学研发芯片级光学式气流传感器

judy — Mon, 14 Mar 2022 06:58:22 +0000

作者：麦姆斯咨询殷飞，文章来源： MEMS

气流速度测量与分布分析在大气环境监测、空气动力学研究、涡轮检测、导航控制、生物医学工程等领域具有重要意义。目前已经开发出采用热阻、压阻、电阻、电容、磁致弹性以及力致发光原理的各种传感器用于气流检测。然而，开发同时具有快速响应和宽测量范围的气流传感器仍然存在挑战。近些年，基于光纤的光学式气流传感器以其重量轻、灵敏度高、光学响应快等独特优势吸引了人们的广泛关注。

基于氮化镓（GaN）的光学和电子元件在芯片级平台上的单片集成，已被证明可用于片上可见光通信、心率检测以及照明和成像应用。不过，到目前为止，关于使用集成GaN基器件进行气流检测的报道仍然非常有限。其主要限制在于刚性生长衬底（如蓝宝石和硅）的存在，限制了器件在气流作用下的形变。

据麦姆斯咨询报道，南方科技大学深港微电子学院助理教授李携曦课题组近日在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇关于芯片级光学式气流传感器的研究成果，提出了一种集成柔性PDMS膜的新型紧凑GaN基气流传感器，能够在不需要外部光耦合组件的情况下感应气流。这种GaN芯片具有发射和探测双重功能，通过晶圆级制造工艺在GaN/蓝宝石模板上制造而成，其PDMS膜则通过低成本的液滴成型工艺制得。

GaN芯片通过光刻、蚀刻、金属和氧化物层沉积等晶圆级微加工工艺制造而成，PDMS膜结构通过低成本的液滴成型工艺制得，由于PDMS表面的高粘性，铝膜可以牢固地粘附在PDMS膜上。然后用PDMS凝胶粘合薄膜边缘，加上固化处理，将PDMS膜固定在GaN芯片上。通过铝印刷电路板（PCB）封装建立与片上器件的电气连接，亦即可以通过电流源对LED进行偏置，通过电流表读出光电流信号。

（a）该研究成果提出的气流传感器示意图；（b）GaN芯片结构示意图；（c）PDMS膜制造过程示意图，以及不同阶段的光学图像；（d）结合铝膜的PDMS膜的正面和（e）背面的显微照片；（f）PDMS膜覆盖之前和（g）之后封装芯片的放大图像；（h）气流传感器的光学图像。

这款气流传感器的工作原理如上图（a）所示。在电流注入下，限制在InGaN有源区的载流子辐射重组，LED发光。底部分布的布拉格反射镜（DBR）使发射的光向上辐射。从透明蓝宝石中提取的光向铝膜传播。当气流通过时，PDMS膜与铝膜一起形变，并调节到达光电探测器的反射光量。反射光被光电探测器中InGaN层吸收，转换后的光电流信号可用于指示气流变化。

低速（左）和高速（右）气流下传感器中反射光的分布示意图

（a）实验人员通过鼻子对传感器呼气；（b）鼻子对传感器呼气时的光电流响应；（c）实验人员通过管子对传感器呼气，管子直径（ø）分别为11.50 mm、7.30 mm和5.55 mm；（d）通过管子对传感器呼气时的光电流响应。

研究人员开发的这款气流传感器具有体积小、响应快、检测范围宽等优点，在现场测量中具有很高的应用潜力。例如，从鼻子和嘴巴呼出的气流被认为是评估人体健康的有效参数。为了实验证明其性能，研究人员将这款气流传感器放置在距离人体鼻子5 cm的位置，如上图（a）所示。从上图（b）光电流曲线图中，可以观察到与呼吸频率相关的光电流周期性变化，0.4 μA范围内的光电流变化意味着鼻腔呼气产生的气流水平较低。

而在快速深呼吸的情况下，可以获得0.8 μA的密集周期性光电流信号。除了正常的呼吸模式，确定一个人呼气的峰值流速可以表明空气是如何从肺部排出的，从而判断哮喘的状况。上图（c）展示了通过直径不同的管子向传感器呼气的气流测量，（d）显示了相应的不同光电流信号。实验研究发现，较小的管径ø会带来更宽的衰减曲线。直径为5.55 mm的最小管子可以将气流集中到传感器上，从而获得约9 μA的最大光电流。

结语

南方科技大学研究团队提出了一种GaN芯片与PDMS膜以可控和可扩展方式集成的光学式气流传感器。对气流高度敏感的柔性PDMS膜可以在无需外部光学元件的情况下调节芯片发出的光，通过检测到的光电流信号反映气流的变化。并且，这种气流传感器在响应时间和可检测范围方面展现了优异的性能，使其适合在广泛的实际应用中进行现场测量。

气流传感器

重大突破！清华大学集成电路学院首次实现亚1纳米栅长晶体管

judy — Fri, 11 Mar 2022 08:12:39 +0000

近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重大突破，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，并具有良好的电学性能。

图1 亚1纳米栅长晶体管结构示意图

晶体管作为芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。

Intel公司创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965提出：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”这在集成电路领域被称为“摩尔定律”。

过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩，然而近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，这使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。

根据信息资源词典系统（IRDS2021）报道，目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12nm以上，如何促进晶体管关键尺寸的进一步微缩，引起了业界研究人员的广泛关注。

图2 随着摩尔定律的发展，晶体管栅长逐步微缩，本工作实现了亚1纳米栅长的晶体管

学术界在极短栅长晶体管方面做出了探索。任天令教授团队巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34nm。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。具体器件结构、工艺流程、完成实物图如下所示：

图3 亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程，示意图，表征图以及实物图

研究发现，由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，在超窄亚1纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启、关闭，其关态电流在pA量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。基于工艺计算机辅助设计（TCAD）的仿真结果进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控，预测了在同时缩短沟道长度条件下，晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

图4 统计目前工业界和学术界晶体管栅极长度微缩的发展情况，本工作率先达到了亚1纳米

上述相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）为题，于3月10日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

文章来源：清华大学

晶体管

一种稳定固态锂离子电池界面的方法开启了新的可能性

judy — Wed, 09 Mar 2022 02:42:41 +0000

在无休止地寻求在不增加电池重量或体积的情况下将更多能量装入电池的过程中，一种特别有前途的技术是固态电池。在这些电池中，通常在电极之间来回携带电荷的液体电解质被固体电解质层所取代。这种电池不仅有可能以其尺寸提供两倍的能量，而且还能从根本上消除与今天的锂离子电池有关的火灾危险。

但有一件事阻碍了固态电池的发展。固体电解质层和两边的电极之间的边界的不稳定性会大大缩短这种电池的寿命。一些研究使用了特殊的涂层来改善层间的结合，但这增加了制造过程中额外涂层步骤的费用。现在，麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的一个研究小组已经想出了一种方法，可以达到相当于或超过涂层表面耐久性的结果，但不需要任何涂层。

新方法只需要在一个关键的制造步骤（称为烧结）中消除存在的任何二氧化碳，在这个步骤中，电池材料被加热，以在阴极和电解质层之间建立结合，而电解质层是由陶瓷化合物制成的。尽管空气中存在的二氧化碳数量少得可怜，以百万分之几计算，但它的影响却是巨大而有害的。研究人员说，在纯氧中进行烧结步骤，可以创造出与最好的涂层表面性能相匹配的结合物，而没有涂层的额外成本。

导电性问题已经得到有效解决，合理的高导电性材料已经被证明。但是，克服在界面上出现的不稳定性则要困难得多。这些不稳定因素在这种电池的制造和电化学操作过程中都可能发生，但目前研究人员已经把重点放在制造上，特别是烧结过程。他们证明，避免二氧化碳，特别是在烧结过程中保持纯氧气氛，可以在高达700度的温度下产生非常好的结合，而且没有任何有害的化合物形成。

文章来源：cnBeta.COM

锂离子电池

新突破：科学家研发基于超表面的天线通过无线电波为LED等设备充电

judy — Mon, 07 Mar 2022 06:42:09 +0000

研究人员近日开发出一种全新基于超表面（metasurface）的天线，这意味着人类朝着从无线电波中获取能量这个目标迈出了实质性的一步。通过这项技术，用户可以通过目前 Wi-Fi、蓝牙传输等使用的无线电波给传感器、LED 以及其他具有低能量要求的简单设备提供无线电源。

来自南佛罗里达大学的研究小组负责人周江峰（Jiangfeng Zhou，音译）表示：“通过消除有线连接和电池，这些天线可以帮助降低成本，提高可靠性，并使一些电气系统更加有效。这将有助于为智能家居传感器供电，如用于温度、照明和运动的传感器，或用于监测建筑物或桥梁结构的传感器，在这些地方更换电池可能很困难或不可能”。

这项研究成果近日发表在《Optical Materials Express》上。

研究人员报告说，他们的新天线的实验室测试表明，它可以从低功率无线电波中获取 100 微瓦的功率，足以为简单的设备供电。这是可能的，因为用于制造天线的超材料表现出对无线电波的完美吸收，并被设计为在低强度下工作。

制作样品和进行测量的团队成员克莱顿·福勒（Clayton Fowler）说：“尽管还需要更多的工作来使天线小型化，但我们的设备使用现实世界中发现的环境功率水平，以高效率跨越了 100 微瓦收获功率的关键门槛。这项技术也可以进行调整，这样就可以提供一个无线电波源，为房间周围的设备供电或充电”。

科学家们试图从无线电波中获取能量已经有相当长的时间了，但一直很难获得足够的能量来发挥作用。这种情况正在发生变化，这要归功于超材料的发展和可用的无线电频率能量的环境来源的不断增加，如手机网络、Wi-Fi、GPS和蓝牙信号。

周说：“随着基于无线电波的技术的巨大爆炸，将有大量的废弃电磁辐射可以被收集。这一点，再加上超材料的进步，为新的设备和应用创造了一个成熟的环境，这些设备和应用可以从收集这些废旧能量并将其投入使用中获益”。

稿源：cnBeta.COM

传感器阵列最高分辨率记录脑信号,为中长期脑机接口开辟新的可能性

judy — Thu, 20 Jan 2022 03:39:44 +0000

作者: 张梦然，文章来源：科技日报

一个由工程师、外科医生和医学研究人员组成的团队发布了来自人类和大鼠的数据，证明一种新的大脑传感器阵列可直接从人脑表面记录电信号，并实现破纪录的细节处理。该大脑传感器具有密集网格，由1024或2048个嵌入式皮质电图（ECoG）传感器组成。

如果获准用于临床，传感器将直接从大脑皮层表面为外科医生提供大脑信号信息，且分辨率比目前可用的高100倍。该论文于19日发表在《科学·转化医学》杂志上。

人的大脑总是在运动，例如，随着每一次心跳，大脑会随着流过它脉动的血液而发生活动。从直接放置在大脑表面的传感器网格记录大脑活动，已经被外科医生普遍用作一种工具，用来切除脑肿瘤和治疗对药物或其他药物无反应的癫痫症。

此次新研究提供了广泛的同行评审数据，证明具有1024或2048个传感器的网格可用于可靠地记录和处理直接来自人类和大鼠大脑表面的电信号。相比之下，当今手术中最常用的ECoG网格通常具有16到64个传感器。

能够以如此高分辨率记录脑信号，可提高外科医生尽可能多地切除脑肿瘤的能力，同时最大限度地减少对健康脑组织的损害。对于癫痫，更高分辨率的脑信号记录能力可提高外科医生精确识别癫痫发作起源的大脑区域的能力，这样就可在不接触附近未参与癫痫发作的大脑区域的情况下移除这些区域。通过这种方式，这些高分辨率网格可以增强正常功能脑组织的保存。

研究团队表示，此次能以更高的分辨率记录大脑信号，归因于他们能够将单个传感器放置得更靠近彼此，而不会在附近的传感器之间产生干扰。例如，该团队的3厘米×3厘米网格和1024个传感器直接记录了19名志愿者的脑组织信号。在这种网格配置中，传感器彼此相距一毫米。相比之下，已经批准用于临床的ECoG网格通常具有相距1厘米的传感器。这为新网格提供了每单位面积100个传感器，而临床使用的网格每单位面积1个传感器。

该项目由加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院领导，团队其他成员来自加州大学圣地亚哥分校、马萨诸塞州总医院和俄勒冈健康与科学大学。该团队正在研究这些高分辨率ECoG网格的无线版本，可用于对顽固性癫痫患者进行长达30天的大脑监测。