文/李梅
當今物理學(xué)的皇后是凝聚態(tài)物理學(xué),而超導物理則是皇后王冠上最耀眼奪目的一顆明珠。一百多年來(lái),致力于超導現象發(fā)現,新型超導體探索,超導電性的理論研究以及中國科學(xué)家在超導材料及應用技術(shù)方面艱辛奮斗。
全球各國都極為重視傳感器制造行業(yè)的發(fā)展,投入了大量資源。傳感器與通信、計算機并稱(chēng)為現代信息技術(shù)的三大支柱和物聯(lián)網(wǎng)基礎,其應用涉及國民經(jīng)濟及國防科研的各個(gè)領(lǐng)域,是國防軍事和國民經(jīng)濟基礎性、戰略性產(chǎn)業(yè)之一,直接影響到國防安全、經(jīng)濟安全和社會(huì )安全。近年來(lái),隨著(zhù)全球信息化的推進(jìn),快速響應、小型化和智能化的傳感器件日益深入人心,顯示出巨大的商業(yè)潛能。
任聰教授提出在高溫超導材料方面的研究具有偶然發(fā)現的不確定性。任聰教授,1991年云南大學(xué)本科畢業(yè),1999年南京大學(xué)物理系研究生畢業(yè),獲理學(xué)博士學(xué)位。1999年赴美留學(xué),先后在布朗大學(xué)及佛羅里達州立大學(xué)材料物理研究中心博士后訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者,從事自旋電子學(xué)器件及材料物理研究。2005年回國入職中科院物理研究所超導國家重點(diǎn)實(shí)驗室。2016年入職云南大學(xué)物理與天文學(xué)院。
沖破國外傳感器 共話(huà)祖國大計
目前美國、歐洲、日本、俄羅斯從事傳感器研究和生產(chǎn)廠(chǎng)家均在1000家以上。
在各國持續推動(dòng)下,全球傳感器市場(chǎng)保持快速增長(cháng)。據前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的信息顯示:2010年全球傳感器市場(chǎng)已達720億美元,2013年全球傳感器市場(chǎng)已破千億美元大關(guān),2017年已達1900億美元,同比增長(cháng)9.13%;2018年預計可達2059億美元,同比增長(cháng)8.37%。
同時(shí),Yole Developement的數據中也顯示:全球MEMS傳感器產(chǎn)品需求近年增勢迅猛,2017年MEMS傳感器市場(chǎng)規模為437.6億元,平均以超過(guò)15%的增長(cháng)率增長(cháng),2020年預計將達到721億元。并且在2018年3月6日發(fā)布的Status of the MEMS Industry 2018報告中,也預測到2023年,MEMS和傳感器市場(chǎng)的規模將達到1000億美元[2]。據高工產(chǎn)業(yè)研究院預測,未來(lái)幾年全球傳感器市場(chǎng)將保持20%以上的增長(cháng)速度。全球傳感器各類(lèi)約有2萬(wàn)種之多,我國已擁有科研、技術(shù)和產(chǎn)品約1萬(wàn)多種。
但目前國際主流傳感技術(shù)仍掌握在國外企業(yè)手中,我國傳感器行業(yè)整體缺乏創(chuàng )新的基礎和動(dòng)力,特別是在敏感元件核心技術(shù)及生產(chǎn)工藝方面差距較大。因此,為了擺脫對國外傳感器的依賴(lài),就必須對傳感器技術(shù)進(jìn)行大量、廣泛的研究。
納米技術(shù)就在身邊 為傳感器保駕護航
研究各種新型的、高性能的壓力傳感器對帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提升這一行業(yè)的整體科學(xué)技術(shù)水平和產(chǎn)品國際競爭力,都具有重大而又深遠的意義。
壓力傳感器作為傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分,具有技術(shù)成熟,性能穩定,性?xún)r(jià)比相對較高等優(yōu)點(diǎn),已成為各類(lèi)傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩定、性?xún)r(jià)比最高的一類(lèi)傳感器。1980年至今,傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)史無(wú)前例的新型技術(shù)發(fā)展階段。隨著(zhù)納米技術(shù),微加工技術(shù)和微電子技術(shù)等新型技術(shù)逐步應用到傳感器上,壓力傳感器得到了進(jìn)一步的發(fā)展。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)和社會(huì )經(jīng)濟的高速發(fā)展,對壓力傳感器的性能參數,工作環(huán)境等都提出了更高的標準。
壓力傳感器的發(fā)展是以半導體傳感器的發(fā)現為標志的。1954年史密斯(C.S.Smith)通過(guò)利用半導體硅(Si)和鍺(Ge)作為媒介,并對其施以外力作用,結果發(fā)現此過(guò)程中媒介的電阻率顯而易見(jiàn)地出現了改變,以此制成第一個(gè)壓阻式壓力傳感器。根據這一原理,形式多樣的壓力傳感器被人們發(fā)明出來(lái)。
介紹幾種比較有代表意義的壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器:利用半導體材料的壓阻效應制成,相較于金屬材料,利用半導體材料制成的壓力傳感器具有更高的靈敏度和精確度。且半導體材料具有較強的過(guò)壓能力,良好的機械特性,強度高,遲滯小,這是其他材料無(wú)法超越的優(yōu)勢。目前半導體壓力傳感器主要是基于Si材料,但Si材料溫度特性差,采用擴散工藝形成的電阻在較高溫度下特性會(huì )發(fā)生變化,造成非線(xiàn)性壓阻出現;用來(lái)隔離電阻和襯底的PN結的隔離度也會(huì )出現衰退,甚至發(fā)生穿通,導致器件徹底毀壞。通常Si材料壓力傳感器只能工作于溫度低于120℃的環(huán)境下。 為解決該類(lèi)壓力傳感器的漂移問(wèn)題,目前常用的方法是利用硬件電路、軟件補償算法等方式進(jìn)行溫度補償與壓力補償,以提高壓力傳感器的整體性能。然而,由于擴散硅在高壓下結構失穩,這些解決方法只能夠在一定的時(shí)間范圍內有效。壓電式壓力傳感器:壓電式壓力傳感器的基本設計思想是使用壓電材料的壓電效應測量壓力,即壓電材料受到壓力作用而產(chǎn)生形變,正負電荷會(huì )在壓電體的兩端出現。當作用壓力處于一定范圍內時(shí),壓電體兩端產(chǎn)生的極化電荷與壓電材料所受壓力大小呈線(xiàn)性關(guān)系,根據電荷量的大小就可以計算出壓力值。壓電式壓力傳感器的響應速度非?？?靈敏度很高,常用于測量高頻變化的壓力信號。但該類(lèi)傳感器的溫度和時(shí)間穩定性差,難以測量傳感器的靜態(tài)特性。
電阻應變式壓力傳感器:電阻應變式壓力傳感器主要通過(guò)金屬應變片或半導體應變片的電阻變化進(jìn)行壓力的傳感,這是由于在形變時(shí)應變片的形狀長(cháng)度和厚度發(fā)生變化(機械形變)從而導致材料的電阻變化。電阻應變式壓力傳感器具有性能穩定、結構簡(jiǎn)單、易于制造等優(yōu)點(diǎn),但其也存在著(zhù)輸出信號小、線(xiàn)性范圍窄、動(dòng)態(tài)響應差等特點(diǎn),特別是靈敏度系數低是制約其應用的主要障礙。以硅薄膜制備的電阻應變片為例,在壓強2000大氣壓狀態(tài)下器件電阻僅變化～1%。因此,電阻應變片型的壓力傳感器靈敏度不高。陶瓷壓力傳感器:陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料,基于陶瓷材料制作的壓力傳感器具有較好的穩定性、抗腐蝕性,能夠在 -40℃～125℃的環(huán)境下穩定工作,主要有陶瓷電容式及陶瓷壓阻式(平膜型和凹膜型)傳感器兩種。兩種傳感器結構類(lèi)似,工藝和成本也類(lèi)似,且都有過(guò)載保護機制,但是陶瓷壓阻對溫度更為敏感,而且由于陶瓷為脆性材料,極端過(guò)壓情況下可能出現感壓膜爆破,導致介質(zhì)泄露,因此可靠性較低。目前這幾類(lèi)壓力傳感器大多工作在中、高壓區,總體性能很難再有突破性的提升。國內外基于高壓/超高壓力傳感器的研究仍處于實(shí)驗研究階段。
蓄謀已久堅持美好 潛力超強新型傳感器
隨著(zhù)高壓新技術(shù)快速發(fā)展,超高壓力測量在軍工和民用方面高壓測試的需求越來(lái)越多、要求也越來(lái)越高。因此,研究新型實(shí)用的高靈敏度超高壓力傳感器是目前亟需解決的重要課題。
任聰課題組長(cháng)期從事高壓下的功能材料的物性以及超導體平面結隧道譜實(shí)驗的研究。在超導體平面結隧道譜實(shí)驗研究中,我們發(fā)現金屬隧道結具有良好的壓力效應,而且具有寬溫區內的穩定性。根據對金屬-絕緣-金屬隧道效應的理論研究,發(fā)現隧道結電阻值的變化正是由于壓力作用下勢壘層厚度和勢壘高度的變化引起?；谝陨峡紤],我們課題組在這方面做了一些前期的探索,取得了很有潛力的初步結果,在此基礎上提出本課題,期望設計出一種新型的對溫度不敏感的具有較大量程壓力傳感元器件。
任聰長(cháng)期在中科院物理研究所工作,與南京大學(xué)、北京大學(xué)、中科院半導體物理研究所等國內著(zhù)名的高校、科研院所保持著(zhù)長(cháng)期良好的合作關(guān)系,在與本項目相關(guān)的樣品制備、實(shí)驗條件、理論計算以及專(zhuān)家咨詢(xún)等方面都可得到保障。在超導異質(zhì)隧道結及隧道譜特性測試,如超導體隧道結(superconducting tunnel junction)、磁隧道結(magnetic tunnel junction),鐵基超導體低勢壘隧道結,自旋極化隧道(spin-polarized tunnel junction)效應等隧道譜相關(guān)領(lǐng)域,相關(guān)成果已經(jīng)在物理評論快報(Phys. Rev. Lett.), 物理評論(Phys. Rev. B),以及應用物理快報(Appl. Phys. Lett.) 等知名期刊上發(fā)表。
在凝聚態(tài)物理超導材料、超導體隧道結、磁性功能材料物性和磁性隧道結等研究領(lǐng)域,取得了諸多成果。任聰在國際上較早地制備合成出性能優(yōu)良的磁性隧道結【J. Appl. Phys.92,4722 (2002); J. MMM 267, 133 (2003)】;設計研制了一套隧道結噪聲譜測量系統,進(jìn)行磁隧道結及半導體二維電子氣的噪聲譜的研究【Phys.Rev.B 69, 104405 (2004); Phys. Rev. Lett. 93, 246602 (2004)】。在利用隧道譜進(jìn)行磁性材料物性研究方面,測量了EuS、HgCrSe等磁性半導體材料的電子自旋極化率【Phys. Rev. B75, 205208(2007);Phys. Rev.Lett. 115, 087002 (2015)】。在鐵基超導體研究的競爭熱潮中,利用微霍爾探測技術(shù)和Andreev隧道譜,測量了鐵基超導體微米級單晶樣品的下臨界磁場(chǎng),得到了超導能隙和超流密度【Phys. Rev. Lett. 101, 257006 (2008);Phys.Rev.B 86, 060508(R)(2012)】。在拓撲物性研究中,申請人利用高壓技術(shù)調控直接帶隙半導體黑磷,觀(guān)測到拓撲相變,證實(shí)了黑磷具有拓撲物性【Phys.Rev.B 95,125417 (2017)】。
任聰創(chuàng )新性地發(fā)展了隧道譜儀技術(shù),結合高壓技術(shù),發(fā)明了高壓隧道譜技術(shù)【Appl. Phys. Lett.106, 202601 (2015)】,并將該技術(shù)手段應用于鐵基高壓超導電性和拓撲絕緣體物性的研究【Phys. Rev. B 95,125417(2017)】,取得了豐碩的研究成果,未來(lái)幾年將迎來(lái)黃金增長(cháng)期。
