Созданы микроскопические датчики для контроля температуры чипов

Используя новейший класс материалов двумерных (2D) материалов,  толщиной всего в несколько атомов, команда создала датчики, способные улавливать малейшие изменения температуры всего за 100 наносекунд — в миллионы раз быстрее, чем моргает глаз. Чрезвычайно компактная структура датчиков позволяет интегрировать множество таких устройств прямо в  чип, обеспечивая, по словам исследователей, невероятно эффективный мониторинг температуры. Команда подробно описала свою работу в статье, опубликованной в Nature Sensors.

Чтобы уменьшить размер датчиков до размеров площадью всего в один квадратный микрометр, то есть в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, команда использовала новый класс двумерных материалов — биметаллические тиофосфаты, — которые ранее не применялись в тепловых датчиках.

Отличительные свойства этого материала, в частности способность ионов эффективно перемещаться даже под воздействием электрического тока, позволяют датчикам демонстрировать сильную зависимость от температуры даже при очень малых размерах. Это означает, что физические свойства материала могут динамически меняться при повышении или понижении температуры.

По словам Дипанджана Сена, кандидата технических наук и первого автора статьи, этот двумерный материал может «связывать» между собой перенос ионов и электронов — субатомных частиц, которые играют разные роли в передаче энергии.

Хотя улучшение потока электронов может привести к созданию более мощных устройств, более эффективная регуляция движения ионов в системе может способствовать улучшению терморегуляции и контроля, поскольку эти частицы особенно чувствительны к теплу. Такое соединение позволяет крошечным датчикам работать от тех же электрических токов, что и весь чип, а значит, они могут обеспечивать чрезвычайно точные измерения температуры, не оказывая существенного влияния на производительность чипа. Дас объяснил, что понимание этой взаимосвязи стало ключевым фактором для интеграции датчиков непосредственно в чип.

«То, что в транзисторах обычно нежелательно, отлично подходит для термочувствительных элементов, поэтому мы постарались использовать это в нашей разработке, — сказал Дас. — Вместо того чтобы пытаться удалить эти ионы из системы, мы используем их в своих интересах. Сочетание этих ионов для измерения температуры и электронов для считывания тепловых данных позволяет нам создать чрезвычайно точное, но компактное устройство».

Команда использовала современное оборудование, чтобы изготовить датчики и разместить тысячи из них на одном чипе. Этот датчик не только в 100 раз меньше других ведущих разработок, но и в 80 раз энергоэффективнее традиционных кремниевых систем, поскольку не требует дополнительных схем или преобразователей сигналов.