Forskere skaber små selvdrevne temperatursensorer

Et team af forskere fra University of Oxford, Delft University og IBM Zürich har vist, at grafen kan bruges til at bygge følsomme og selvdrevne temperatursensorer. Resultaterne baner vejen for design af meget følsomme termoelementer, som kunne integreres i nanoenheder og endda levende celler.

On-chip temperatursensorer, der er skalerbare, pålidelig og installerbar i nanodeenheder er afgørende for fremtidig termisk styring i CPU'er. Ved at bestemme den lokale opvarmning i visse segmenter af en CPU gennem fordelingen af ​​temperaturmonitorer langs kritiske punkter, feedback kan gives til et kontrolsystem. Som svar, termisk styring kunne give mulighed for omfordeling af den termiske belastning gennem punktafkøling eller belastningsfordeling, for eksempel mellem forskellige computerkerner, undgår hot spots og muliggør en længere levetid for enheden samt sparer energi. Sådanne temperatursensorer bør have et lille fodaftryk, høj nøjagtighed, forbruge et minimum af strøm og være kompatibel med etablerede nanofabrikationsteknikker.

On-chip termometri

Termoelementer er en ideel kandidat til lavpris termometri, da de er selvdrevne og relativt nemme at fremstille. De har tendens til at have små variationer i følsomhed, fordi deres signal stammer fra iboende materialeegenskaber. Typisk, termoelementer er en kombination af to materialer med forskellige Seebeck-koefficienter, der er forbundet i føleenden, muliggør måling af en opbygget termospænding mellem en sensing og reference, der er proportional med en temperaturforskel. For at opnå on-chip termometri med konventionelle termoelementer, normalt kræves to separate fremstillingskørsler. Imidlertid, termoelementer, der let kan integreres i den nuværende waferskala-integration, har allerede vakt interesse, med flere bestræbelser på at fremstille enkelt metal termoelementer rapporteret tidligere. Endnu, disse termoelementer har en lille følsomhed (i størrelsesordenen 1 μV/K), tendens til at have et stort fodaftryk og have en relativt stor tykkelse i størrelsesordenen 100 nanometer.

Grafen

Et team af forskere fra University of Oxford, Delft University og IBM Zürich har nu vist, at grafen kan bruges til at opbygge følsomme, enkeltmateriale og selvforsynende temperatursensorer. De mønstrede grafen, et ét atom tykt lag af carbonatomer, i en U-form, med et bredt og et smalt ben, der samles i føleenden. Ved omhyggeligt at justere geometrien af ​​grafenbenene og udnytte effekten af ​​elektronspredning ved kanterne af grafenanordningen, holdet opnåede en maksimal følsomhed på ΔS≈39 μV/K.

Resultaterne kunne bane vejen for design af meget følsomme termoelementer med mulighed for integration i van der Waals strukturer og fremtidige grafenkredsløb. Ud over, på grund af grafens bioinerte natur og dets stabilitet under en række forskellige omstændigheder, disse termoelementer kan også bruges som temperatursensorer i barske eller følsomme omgivelser, såsom celler og andre levende systemer.