来源 | Nature Sensors、TechXplore

链接 | https://doi.org/10.1038/s44460-026-00034-2

现代计算机处理器所依赖的半导体芯片上，密布着数十亿个晶体管。在高负载运行时，每一个晶体管都有可能因过热而影响性能，甚至导致性能急剧下降。为了解决这一问题，由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一支团队开发出一种微型温度计，其尺寸比蚂蚁的触角还要小，可以直接集成到芯片上，实现对芯片温度的精确监测。

01

芯片上的超高速温度追踪

研究团队利用一种先进材料——仅由数个原子厚度构成的二维材料（2D materials），构建了能够在 100 纳秒内分辨细微温度变化的传感器。这个时间尺度比人类眨眼的速度快数百万倍。由于传感器结构极其紧凑，它们可以大量集成在同一块计算机芯片上，从而实现研究人员所称的极其高效的温度监测能力。相关研究成果已发表在期刊 Nature Sensors 上。

Anirban Chowdhury（左）和Dipanjan Sen（右）

该论文的通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学 Ackley 教授、工程科学与力学教授 Saptarshi Das 表示，在开发计算机芯片或高性能集成电路时，准确监测晶体管温度仍然是最具挑战性的任务之一。

“这些芯片在运行过程中会迅速升温，但目前用于监测温度的传感器通常并不是嵌入在芯片内部的。”Das 说，“长期以来，研究人员一直在思考一个问题：是否可以将温度传感功能直接集成到芯片内部，从而获得更快速、更精确的温度读数。”Das 解释说，要实现这一目标，温度传感器必须极其微小，因为传统传感器体积过大、结构笨重，无法直接嵌入到芯片中。

02

利用新型二维材料实现传感器微型化

为了将传感器缩小到仅 1 平方微米的尺寸——这相当于比人类头发直径小数千倍的一块微小区域——研究团队采用了一类新的二维材料：双金属硫代磷酸盐（bimetallic thiophosphates）。此前，这类材料从未被用于热传感器领域。

Das 表示，这种材料具有独特的物理特性：即使在电流作用下，其中的离子仍然能够有效移动。这种特性使得传感器即使在极小尺寸下，也能表现出强烈的温度依赖性。换句话说，材料的物理特性会随着温度的升高或降低而动态变化。

“我的研究团队长期从事二维材料研究，而宾夕法尼亚州立大学在这一领域也处于领先地位。”Das 说。“我们发现，利用这种材料可以开发出速度非常快、功耗极低并且高度微型化的热传感器，从而能够在单个芯片上布置大量传感器。”

借助二维材料技术，研究团队成功将传感器做得非常紧凑，以至于可以在一块芯片上部署数千个传感器。在实验展示中，一块置于显微镜下的芯片表面可以看到大量分布的微型传感器阵列。

03

利用离子与电子耦合实现温度感知

论文第一作者、工程科学博士生 Dipanjan Sen 表示，这种二维材料能够实现离子与电子的耦合传输。电子和离子都是亚原子粒子，但在能量传递过程中承担着不同角色。

通常来说，提高电子传输能力可以提升器件性能，而更好的离子调控则有助于提升系统的热管理和监测能力，因为离子对温度变化非常敏感。

这种耦合机制使得微型传感器能够利用芯片本身的电流运行，从而在不明显影响芯片性能的情况下提供高度灵敏的温度读数。Das 表示，正是对这种关系的理解，使得研究团队能够将传感器直接集成到芯片中。

“在晶体管设计中，工业界通常希望避免离子效应，但对温度传感而言，这恰恰是一种优势。”Das 说，“我们没有试图消除系统中的离子，而是利用它们的特性。通过让离子负责温度感知、电子负责读取信号，我们可以构建一种既精确又紧凑的温度传感装置。”

04

在单个芯片上制造数千个传感器

研究团队利用宾夕法尼亚州立大学材料研究所纳米制造实验室的先进设备完成了传感器制造，并成功在单个计算机芯片上部署了数千个传感器。

这种传感器不仅尺寸比现有主流设计小 100 倍以上，而且由于无需额外电路或信号转换器，其功耗也比传统硅基系统降低约 80%。

Das 表示，这种传感器未来有望与现有技术结合，从而提升计算机系统的效率与稳定性。接下来，研究团队还将继续推进相关研究，并探索二维材料在传感器设计中的更多应用。

Das 认为，这项研究还可以为未来开发更多类型的微型传感器提供框架，例如用于测量化学、光学或物理信息的超小型传感器。“这是一项概念验证研究，它表明这种设计是可行的——它可以实现微型化、低功耗，并有望成为将温度监测直接集成到芯片中的下一步发展方向。”Das 说。