新加坡國立大學(xué)（NUS）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的混合磁傳感器，它比大多數(shù)的商用傳感器更靈敏。這一技術(shù)突破限制，開發(fā)出體積更小、更便宜的傳感器技術(shù)，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如消費電子、信息及通訊技術(shù)、生物技術(shù)和汽車。

本發(fā)明是由新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院電子與計算機工程系副教授Yang Hyunsoo領(lǐng)導(dǎo)的，于2015年九月發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

廣泛需要的高性能磁傳感器

當(dāng)外部磁場被施加到某些材料上，發(fā)生的電阻變化（也被稱為磁阻）是由于電子被偏轉(zhuǎn)。磁電阻的發(fā)現(xiàn)為硬盤驅(qū)動器和其他設(shè)備中使用的磁場傳感器打下來基礎(chǔ)，徹底改變了數(shù)據(jù)的存儲和讀取。

在尋找理想磁阻傳感器的時候，研究人員非常看重對低和高磁場的高靈敏度性能、可調(diào)性，以及隨溫度非常小的電阻變化。

由楊副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)的新型混合傳感器終于滿足了這些要求，楊副教授也和新加坡國立大學(xué)納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所（NUSNNI）和新加坡國立大學(xué)理學(xué)院的先進2D材料（CA2DM）中心進行了合作。這個跨學(xué)科研究小組的其他成員包括NUSNNI和CA2DM的Kalon Gopinadhan博士、Thirumalai Venkatesan教授、NUSNNI主任；、‘英國曼徹斯特大學(xué)Andre K.Geim教授’新加坡國立大學(xué)物理系教授及CA2DM主任Antonio H.Castro Neto。

比市售的傳感器靈敏200多倍

由石墨烯和氮化硼制成的新型傳感器，包括幾個層的載體移動通道，每一個都可以由磁場進行控制。研究人員在各種溫度下、磁場的角度下，以及不同的配對材料下，對新傳感器進行了表征。

Kalon博士說，“我們首先試圖了解石墨烯在磁場下是如何響應(yīng)的。我們發(fā)現(xiàn)，石墨烯和氮化硼的雙層結(jié)構(gòu)顯示在磁場下發(fā)生非常大的反應(yīng)。這樣的組合可以用于磁場傳感應(yīng)用。

相比于通常由硅和銻化銦制成的其他現(xiàn)有傳感器，該團隊的混合傳感器顯示出更高的磁場靈敏度。

特別是，當(dāng)在127攝氏度下（大多數(shù)電子產(chǎn)品操作的最高溫度）測定時，研究人員觀察到靈敏度的增益比先前實驗室報道的結(jié)果高八倍以上，并且超過市售傳感器的200倍。

這項研究的另一個突破是，發(fā)現(xiàn)石墨烯多層的流動性可以部分的通過調(diào)整傳感器上的電壓進行控制，使傳感器的特性得到優(yōu)化。這種控制賦予該材料優(yōu)于市售傳感器的特點。此外，該傳感器在室溫至127攝氏度的范圍內(nèi)表現(xiàn)出非常小的溫度依賴性，使其成為一種適合更高溫度環(huán)境的理想傳感器。

滿足行業(yè)需求

該磁阻傳感器產(chǎn)業(yè)，2014年預(yù)計價值US$18億，預(yù)計到2020年將增長到US$29億，。石墨烯基磁阻傳感器跟現(xiàn)有傳感器相比，具有更大的前景，由于其隨溫度變化穩(wěn)定的性能，消除了對昂貴晶片或溫度校正電路的需要。石墨烯的生產(chǎn)成本也比硅和銻化銦低得多。

新傳感器的潛在應(yīng)用包括汽車工業(yè)，目前在汽車中的傳感器，像流量計、位置傳感器和聯(lián)鎖裝置，主要由硅或銻化銦制成。例如，當(dāng)車的空調(diào)或太陽的熱量導(dǎo)致溫度的變化，傳統(tǒng)的傳感器的屬性也發(fā)生改變。為了解決這個問題，一個溫度校正機構(gòu)是必需的，產(chǎn)生額外的生產(chǎn)成本。然而，使用該團隊的新混合傳感器，對制造傳感器的昂貴晶片和額外溫度校正電路系統(tǒng)的需要可以被消除。

“我們的傳感器極好的為磁阻市場的嚴峻挑戰(zhàn)做好準備，通過填補現(xiàn)有傳感器的性能缺口，并找到如熱敏開關(guān)、硬盤驅(qū)動器和磁場傳感器等應(yīng)用。我們的技術(shù)甚至可以用于柔性應(yīng)用，”楊教授副教授補充說。

該研究小組已經(jīng)申請了發(fā)明專利。隨著這項概念證明的研究，研究人員計劃擴大其研究范圍并制造工業(yè)用的工業(yè)尺寸晶圓。