文/李梅
當(dāng)今物理學(xué)的皇后是凝聚態(tài)物理學(xué),而超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn),新型超導(dǎo)體探索,超導(dǎo)電性的理論研究以及中國(guó)科學(xué)家在超導(dǎo)材料及應(yīng)用技術(shù)方面艱辛奮斗。
全球各國(guó)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(jì)算機(jī)并稱(chēng)為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ),其應(yīng)用涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防科研的各個(gè)領(lǐng)域,是國(guó)防軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一,直接影響到國(guó)防安全、經(jīng)濟(jì)安全和社會(huì)安全。近年來(lái),隨著全球信息化的推進(jìn),快速響應(yīng)、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(dǎo)材料方面的研究具有偶然發(fā)現(xiàn)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(dá)州立大學(xué)材料物理研究中心博士后訪問(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(guó)入職中科院物理研究所超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2016年入職云南大學(xué)物理與天文學(xué)院。
沖破國(guó)外傳感器 共話祖國(guó)大計(jì)
目前美國(guó)、歐洲、日本、俄羅斯從事傳感器研究和生產(chǎn)廠家均在1000家以上。
在各國(guó)持續(xù)推動(dòng)下,全球傳感器市場(chǎng)保持快速增長(zhǎng)。據(jù)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(dá)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(dá)1900億美元,同比增長(zhǎng)9.13%;2018年預(yù)計(jì)可達(dá)2059億美元,同比增長(zhǎng)8.37%。
同時(shí),Yole Developement的數(shù)據(jù)中也顯示:全球MEMS傳感器產(chǎn)品需求近年增勢(shì)迅猛,2017年MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模為437.6億元,平均以超過(guò)15%的增長(zhǎng)率增長(zhǎng),2020年預(yù)計(jì)將達(dá)到721億元。并且在2018年3月6日發(fā)布的Status of the MEMS Industry 2018報(bào)告中,也預(yù)測(cè)到2023年,MEMS和傳感器市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到1000億美元[2]。據(jù)高工產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè),未來(lái)幾年全球傳感器市場(chǎng)將保持20%以上的增長(zhǎng)速度。全球傳感器各類(lèi)約有2萬(wàn)種之多,我國(guó)已擁有科研、技術(shù)和產(chǎn)品約1萬(wàn)多種。
但目前國(guó)際主流傳感技術(shù)仍掌握在國(guó)外企業(yè)手中,我國(guó)傳感器行業(yè)整體缺乏創(chuàng)新的基礎(chǔ)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(duì)國(guó)外傳感器的依賴(lài),就必須對(duì)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(hù)航
研究各種新型的、高性能的壓力傳感器對(duì)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,都具有重大而又深遠(yuǎn)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(wěn)定,性?xún)r(jià)比相對(duì)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(wěn)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(yīng)用到傳感器上,壓力傳感器得到了進(jìn)一步的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對(duì)壓力傳感器的性能參數(shù),工作環(huán)境等都提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。
壓力傳感器的發(fā)展是以半導(dǎo)體傳感器的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)志的。1954年史密斯(C.S.Smith)通過(guò)利用半導(dǎo)體硅(Si)和鍺(Ge)作為媒介,并對(duì)其施以外力作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)此過(guò)程中媒介的電阻率顯而易見(jiàn)地出現(xiàn)了改變,以此制成第一個(gè)壓阻式壓力傳感器。根據(jù)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(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成,相較于金屬材料,利用半導(dǎo)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(dǎo)體材料具有較強(qiáng)的過(guò)壓能力,良好的機(jī)械特性,強(qiáng)度高,遲滯小,這是其他材料無(wú)法超越的優(yōu)勢(shì)。目前半導(dǎo)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(kuò)散工藝形成的電阻在較高溫度下特性會(huì)發(fā)生變化,造成非線性壓阻出現(xiàn);用來(lái)隔離電阻和襯底的PN結(jié)的隔離度也會(huì)出現(xiàn)衰退,甚至發(fā)生穿通,導(dǎo)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(bǔ)償算法等方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償與壓力補(bǔ)償,以提高壓力傳感器的整體性能。然而,由于擴(kuò)散硅在高壓下結(jié)構(gòu)失穩(wěn),這些解決方法只能夠在一定的時(shí)間范圍內(nèi)有效。壓電式壓力傳感器:壓電式壓力傳感器的基本設(shè)計(jì)思想是使用壓電材料的壓電效應(yīng)測(cè)量壓力,即壓電材料受到壓力作用而產(chǎn)生形變,正負(fù)電荷會(huì)在壓電體的兩端出現(xiàn)。當(dāng)作用壓力處于一定范圍內(nèi)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性關(guān)系,根據(jù)電荷量的大小就可以計(jì)算出壓力值。壓電式壓力傳感器的響應(yīng)速度非?？?靈敏度很高,常用于測(cè)量高頻變化的壓力信號(hào)。但該類(lèi)傳感器的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性差,難以測(cè)量傳感器的靜態(tài)特性。
電阻應(yīng)變式壓力傳感器:電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要通過(guò)金屬應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)變片的形狀長(zhǎng)度和厚度發(fā)生變化(機(jī)械形變)從而導(dǎo)致材料的電阻變化。電阻應(yīng)變式壓力傳感器具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造等優(yōu)點(diǎn),但其也存在著輸出信號(hào)小、線性范圍窄、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差等特點(diǎn),特別是靈敏度系數(shù)低是制約其應(yīng)用的主要障礙。以硅薄膜制備的電阻應(yīng)變片為例,在壓強(qiáng)2000大氣壓狀態(tài)下器件電阻僅變化～1%。因此,電阻應(yīng)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(rèn)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(wěn)定性、抗腐蝕性,能夠在 -40℃～125℃的環(huán)境下穩(wěn)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(jié)構(gòu)類(lèi)似,工藝和成本也類(lèi)似,且都有過(guò)載保護(hù)機(jī)制,但是陶瓷壓阻對(duì)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(xiàn)感壓膜爆破,導(dǎo)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(qū),總體性能很難再有突破性的提升。國(guó)內(nèi)外基于高壓/超高壓力傳感器的研究仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。
蓄謀已久堅(jiān)持美好 潛力超強(qiáng)新型傳感器
隨著高壓新技術(shù)快速發(fā)展,超高壓力測(cè)量在軍工和民用方面高壓測(cè)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(zhǎng)期從事高壓下的功能材料的物性以及超導(dǎo)體平面結(jié)隧道譜實(shí)驗(yàn)的研究。在超導(dǎo)體平面結(jié)隧道譜實(shí)驗(yàn)研究中,我們發(fā)現(xiàn)金屬隧道結(jié)具有良好的壓力效應(yīng),而且具有寬溫區(qū)內(nèi)的穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)金屬-絕緣-金屬隧道效應(yīng)的理論研究,發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)電阻值的變化正是由于壓力作用下勢(shì)壘層厚度和勢(shì)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(jié)果,在此基礎(chǔ)上提出本課題,期望設(shè)計(jì)出一種新型的對(duì)溫度不敏感的具有較大量程壓力傳感元器件。
任聰長(zhǎng)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(dǎo)體物理研究所等國(guó)內(nèi)著名的高校、科研院所保持著長(zhǎng)期良好的合作關(guān)系,在與本項(xiàng)目相關(guān)的樣品制備、實(shí)驗(yàn)條件、理論計(jì)算以及專(zhuān)家咨詢(xún)等方面都可得到保障。在超導(dǎo)異質(zhì)隧道結(jié)及隧道譜特性測(cè)試,如超導(dǎo)體隧道結(jié)(superconducting tunnel junction)、磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction),鐵基超導(dǎo)體低勢(shì)壘隧道結(jié),自旋極化隧道(spin-polarized tunnel junction)效應(yīng)等隧道譜相關(guān)領(lǐng)域,相關(guān)成果已經(jīng)在物理評(píng)論快報(bào)(Phys. Rev. Lett.), 物理評(píng)論(Phys. Rev. B),以及應(yīng)用物理快報(bào)(Appl. Phys. Lett.) 等知名期刊上發(fā)表。
在凝聚態(tài)物理超導(dǎo)材料、超導(dǎo)體隧道結(jié)、磁性功能材料物性和磁性隧道結(jié)等研究領(lǐng)域,取得了諸多成果。任聰在國(guó)際上較早地制備合成出性能優(yōu)良的磁性隧道結(jié)【J. Appl. Phys.92,4722 (2002); J. MMM 267, 133 (2003)】;設(shè)計(jì)研制了一套隧道結(jié)噪聲譜測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)行磁隧道結(jié)及半導(dǎo)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(cè)量了EuS、HgCrSe等磁性半導(dǎo)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(dǎo)體研究的競(jìng)爭(zhēng)熱潮中,利用微霍爾探測(cè)技術(shù)和Andreev隧道譜,測(cè)量了鐵基超導(dǎo)體微米級(jí)單晶樣品的下臨界磁場(chǎng),得到了超導(dǎo)能隙和超流密度【Phys. Rev. Lett. 101, 257006 (2008);Phys.Rev.B 86, 060508(R)(2012)】。在拓?fù)湮镄匝芯恐?申請(qǐng)人利用高壓技術(shù)調(diào)控直接帶隙半導(dǎo)體黑磷,觀測(cè)到拓?fù)湎嘧?證實(shí)了黑磷具有拓?fù)湮镄浴綪hys.Rev.B 95,125417 (2017)】。
任聰創(chuàng)新性地發(fā)展了隧道譜儀技術(shù),結(jié)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(yīng)用于鐵基高壓超導(dǎo)電性和拓?fù)浣^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(zhǎng)期。
