微型自供电温度传感器芯片

2020年4月15日，牛津大学、代尔夫特大学和IBM苏黎世组成的一组研究人员发现了石墨烯可用于构建灵敏且自供电的温度传感器。这一重大发现为热电偶的设计提供了很大的帮助。

热电偶是低成本测温的理想选择，因为它们是自供电的，相对容易制造。同时，它们的灵敏度往往变化很小，因为它们的信号来源于固有的材料特性。通常，热电偶是两种具有不同Seebeck系数的材料的组合，连接在传感端，从而可以测量在传感和参考之间建立的与温度差成比例的热电压。为了用常规热电偶实现片上测温，通常需要两个独立的制造过程。然而，可以很容易地集成到当前晶圆级集成中的热电偶已经引起了人们的兴趣，此前报道了多方面的努力来制造单金属热电偶。然而，这些热电偶的灵敏度很小(约为1μV/K)，占地面积大，厚度约为100纳米。

来自牛津大学、代尔夫特大学和IBM苏黎世大学的研究人员团队现已证明，石墨烯可用于构建敏感的、单材料和自供电的温度传感器。他们将石墨烯(一个单原子厚的碳原子薄片)做成了U形图案，在传感端连接着一条宽窄的腿。通过仔细调整石墨烯支脚的几何形状并利用电子在石墨烯器件边缘的散射效应，研究小组获得了最大灵敏度ΔS≈39μV/ K。

据研究人员介绍，这项研究结果可能为高灵敏度热电偶的设计铺平道路，并有可能集成在范德华结构和未来的石墨烯电路中。此外，由于石墨烯的生物惰性和在各种情况下的稳定性，这些热电偶还可以在恶劣或敏感的环境(例如细胞和其他生物系统)中用作温度传感器。

同时，该温度传感器芯片具有可扩展性、可靠性，可安装到纳米设备中，将是未来CPU热管理的关键。通过沿临界点分布的温度监视器来确定CPU的某些部分的局部加热，可以向控制系统提供反馈。作为响应，热管理可以允许通过点冷或负载分配((例如在不同的计算核心之间)进行热负载的重新分配，从而避免热点、延长设备寿命并节约能源。这样的温度传感器应具有较小的占地面积、高精度、消耗最少的功率并且与已建立的纳米制造技术兼容。