纳米线传感器来了，传感芯片还会远吗

 
纳米线传感器来了，传感芯片还会远吗  
 

“无旁路电路”纳米线桥接生长方案 黄辉供图

微型气体检测仪 黄辉供图

人工智能、可穿戴装备、物联网等信息技术迅猛发展，需要海量的传感器提供支持，大数据和云计算等业务也需要各种传感器实时采集数据来支撑。但目前的传感器存在国产化低、产品偏低端、技术创新薄弱、生产工艺落后等问题。

日前，大连理工大学电子科学与技术学院教授黄辉团队发明了无漏电流“纳米线桥接生长技术”，解决了纳米线器件的排列组装、电极接触及材料稳定性问题，研制出高可靠性、低功耗及高灵敏度的GaN纳米线气体传感器，该传感器可推广至生物检测以及应力应变检测等，相关研究成果发表于《纳米快报》。

微纳传感有个“坎”

近年来，半导体集成电路芯片（IC）发展迅猛，推动物联网和人工智能产业兴起。“如果把IC比作人的大脑（处理信息），传感器则相当于人的感知器官（获取信息）”黄辉告诉《中国科学报》，“IC和传感器相互依存。”

然而，传感器、特别是微纳传感器的发展速度，远远滞后于IC的发展水平。黄辉认为，微纳传感器、传感芯片将是继IC产业之后的另一重大产业。

黄辉介绍，目前广泛应用的最小的传感器是MEMS传感器。

MEMS传感器（微机电系统）是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

“而与MEMS器件相比，半导体纳米线的尺度缩小了1000倍，面积缩小100万倍。因此，纳米线是最小的器件，也是微纳传感器的理想选择。”黄辉说。

相较于传统体材料和薄膜材料，半导体纳米线具有许多独特优势：大的比表面积可以提高器件的灵敏度，易于形变可以提升材料的集成能力，纳米级的导光和导电通道可以制作单根纳米线光子器件。此外，纳米线优异的机械性能以及灵活多样的结构，使其具有较好的柔韧性，且可形成芯包层和交叉网格结构。

但是，纳米线器件的实用化还面临一系列问题。北京邮电大学电子工程学院教授忻向军向《中国科学报》介绍，纳米线的材料生长和器件制备是分开的，需要进行剥离、转移、排列定位、以及镀膜等步骤，工艺复杂而且会损伤和污染纳米线。

此外，纳米线难于操控，很难对其进行排列定位。“而且纳米线与金属电极的接触面积非常小，因此，电极接触电阻很大，比纳米线自身的电阻高出近两个数量级。” 忻向军说。

纳米线传感器“长”出来了

为解决纳米线排列定位难、电极接触面积小等一系列问题，2004年，惠普公司与加州大学合作发明了一种“纳米线桥接生长技术”。通过在SOI衬底上刻蚀凹槽，纳米线从凹槽一侧开始生长并与另一侧对接，从而可以在凹槽侧边台面上制备金属电极。

黄辉表示，这种通过“生长”使纳米线和侧壁融为一体的方案，避免了在纳米线表面制备金属电极，使电极接触电阻降低了两个数量级、噪声降低了三个数量级。此外，无需排列定位纳米线，简化了制备工艺，消除了纳米线的表面污染和损伤。