科学家研发出可嵌入芯片的微型温度传感器，可进行纳秒级测温

3 月 9 日消息，当地时间 3 月 6 日发表在《自然 · 传感器》（Nature Sensors）上的一篇论文显示，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出了他们所称的微型温度传感器，其尺寸小到可直接嵌入处理器芯片内部。

据了解，这种传感器采用一类新型二维材料制成，能在 100 纳秒内检测到温度变化，宾州州立大学的新闻稿称，这比人眼眨眼的速度快数百万倍，且体积仅 1 平方微米。如此微小的尺寸意味着，单个芯片上可集成数千个这样的传感器。

目前处理器的温度传感器都置于芯片裸片外部，这限制了热监测的速度与精度。这一差距至关重要：单个晶体管的温度飙升速度，往往快于外部传感器的响应速度，这迫使芯片对整个核心采取保守的热节流，而非针对局部热点做出响应。宾州州立大学的设计则通过将传感单元直接集成到硅片中，并利用芯片中已有的电流来解决这一问题。

该传感器由双金属硫代磷酸盐制成，这是一种此前未用于热传感领域的二维材料。这种材料的关键特性是：即使在通电状态下，其离子仍能自由移动。芯片工程师在设计晶体管时通常会设法消除这一特性，但宾州州立大学团队反其道而行之，将离子传输用于温度检测，电子传输用于读取热数据。

研究人员表示，由此制成的传感器无需额外电路或信号转换器，功耗是传统硅基热传感器的不到 1/80。

宾州州立大学工程科学与力学教授、该论文通讯作者萨普塔什 · 达斯说：“工业界在晶体管中通常不想要的特性，对热传感来说却非常理想，因此我们在设计中充分利用了这一点。我们没有试图从系统中去除这些离子，而是将它们为我所用。”

他进一步解释，将离子用于温度传感、电子用于读取热数据的结合方式，让团队造出了精度极高且极为紧凑的器件。

不过达斯明确表示，这项工作目前还只是概念验证。尽管传感器已在该校材料研究所纳米制造实验室完成制备与测试，但要实现商用芯片集成，还需要芯片制造商对该工艺进行大规模验证。

即便如此，其已展示出的性能指标 ——100 纳秒响应时间、1 平方微米面积、无需额外电路，已经解决了不少阻碍片上热监测进入量产硅片的关键限制。