來源：Nature Sensors、TechXplore

鏈接：https://doi.org/10.1038/s44460-026-00034-2

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理器所依賴的半導(dǎo)體芯片上，密布著數(shù)十億個(gè)晶體管。在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，每一個(gè)晶體管都有可能因過熱而影響性能，甚至導(dǎo)致性能急劇下降。為了解決這一問題，由賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一支團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種微型溫度計(jì)，其尺寸比螞蟻的觸角還要小，可以直接集成到芯片上，實(shí)現(xiàn)對芯片溫度的精確監(jiān)測。

01 芯片上的超高速溫度追蹤

研究團(tuán)隊(duì)利用一種先進(jìn)材料——僅由數(shù)個(gè)原子厚度構(gòu)成的二維材料（2D materials），構(gòu)建了能夠在 100 納秒內(nèi)分辨細(xì)微溫度變化的傳感器。這個(gè)時(shí)間尺度比人類眨眼的速度快數(shù)百萬倍。由于傳感器結(jié)構(gòu)極其緊湊，它們可以大量集成在同一塊計(jì)算機(jī)芯片上，從而實(shí)現(xiàn)研究人員所稱的極其高效的溫度監(jiān)測能力。相關(guān)研究成果已發(fā)表在期刊 Nature Sensors 上。

該論文的通訊作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué) Ackley 教授、工程科學(xué)與力學(xué)教授 Saptarshi Das 表示，在開發(fā)計(jì)算機(jī)芯片或高性能集成電路時(shí)，準(zhǔn)確監(jiān)測晶體管溫度仍然是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。

“這些芯片在運(yùn)行過程中會(huì)迅速升溫，但目前用于監(jiān)測溫度的傳感器通常并不是嵌入在芯片內(nèi)部的?！盌as 說，“長期以來，研究人員一直在思考一個(gè)問題：是否可以將溫度傳感功能直接集成到芯片內(nèi)部，從而獲得更快速、更精確的溫度讀數(shù)?！盌as 解釋說，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，溫度傳感器必須極其微小，因?yàn)閭鹘y(tǒng)傳感器體積過大、結(jié)構(gòu)笨重，無法直接嵌入到芯片中。

02 利用新型二維材料實(shí)現(xiàn)傳感器微型化

為了將傳感器縮小到僅 1 平方微米的尺寸——這相當(dāng)于比人類頭發(fā)直徑小數(shù)千倍的一塊微小區(qū)域——研究團(tuán)隊(duì)采用了一類新的二維材料：雙金屬硫代磷酸鹽（bimetallic thiophosphates）。此前，這類材料從未被用于熱傳感器領(lǐng)域。

Das 表示，這種材料具有獨(dú)特的物理特性：即使在電流作用下，其中的離子仍然能夠有效移動(dòng)。這種特性使得傳感器即使在極小尺寸下，也能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫度依賴性。換句話說，材料的物理特性會(huì)隨著溫度的升高或降低而動(dòng)態(tài)變化。

“我的研究團(tuán)隊(duì)長期從事二維材料研究，而賓夕法尼亞州立大學(xué)在這一領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位。”Das 說?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，利用這種材料可以開發(fā)出速度非常快、功耗極低并且高度微型化的熱傳感器，從而能夠在單個(gè)芯片上布置大量傳感器?！?/span>

借助二維材料技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功將傳感器做得非常緊湊，以至于可以在一塊芯片上部署數(shù)千個(gè)傳感器。在實(shí)驗(yàn)展示中，一塊置于顯微鏡下的芯片表面可以看到大量分布的微型傳感器陣列。

03 利用離子與電子耦合實(shí)現(xiàn)溫度感知

論文第一作者、工程科學(xué)博士生 Dipanjan Sen 表示，這種二維材料能夠?qū)崿F(xiàn)離子與電子的耦合傳輸。電子和離子都是亞原子粒子，但在能量傳遞過程中承擔(dān)著不同角色。

通常來說，提高電子傳輸能力可以提升器件性能，而更好的離子調(diào)控則有助于提升系統(tǒng)的熱管理和監(jiān)測能力，因?yàn)殡x子對溫度變化非常敏感。

這種耦合機(jī)制使得微型傳感器能夠利用芯片本身的電流運(yùn)行，從而在不明顯影響芯片性能的情況下提供高度靈敏的溫度讀數(shù)。Das 表示，正是對這種關(guān)系的理解，使得研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)鞲衅髦苯蛹傻叫酒小?/span>

“在晶體管設(shè)計(jì)中，工業(yè)界通常希望避免離子效應(yīng)，但對溫度傳感而言，這恰恰是一種優(yōu)勢?！盌as 說，“我們沒有試圖消除系統(tǒng)中的離子，而是利用它們的特性。通過讓離子負(fù)責(zé)溫度感知、電子負(fù)責(zé)讀取信號，我們可以構(gòu)建一種既精確又緊湊的溫度傳感裝置?！?/span>

04 在單個(gè)芯片上制造數(shù)千個(gè)傳感器

研究團(tuán)隊(duì)利用賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所納米制造實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)設(shè)備完成了傳感器制造，并成功在單個(gè)計(jì)算機(jī)芯片上部署了數(shù)千個(gè)傳感器。

這種傳感器不僅尺寸比現(xiàn)有主流設(shè)計(jì)小 100 倍以上，而且由于無需額外電路或信號轉(zhuǎn)換器，其功耗也比傳統(tǒng)硅基系統(tǒng)降低約 80%。

Das 表示，這種傳感器未來有望與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合，從而提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性。接下來，研究團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)推進(jìn)相關(guān)研究，并探索二維材料在傳感器設(shè)計(jì)中的更多應(yīng)用。

Das 認(rèn)為，這項(xiàng)研究還可以為未來開發(fā)更多類型的微型傳感器提供框架，例如用于測量化學(xué)、光學(xué)或物理信息的超小型傳感器?！斑@是一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究，它表明這種設(shè)計(jì)是可行的——它可以實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗，并有望成為將溫度監(jiān)測直接集成到芯片中的下一步發(fā)展方向。”Das 說。