石墨烯與其他霍爾傳感器材料相比如何

Paragraf 通過(guò)開(kāi)發(fā)首款量產(chǎn)霍爾效應(yīng)傳感器，利用了“神奇材料”的眾多特性，開(kāi)創(chuàng)了石墨烯電子行業(yè)的先河。

這些特性到底是什么?利用可用于構(gòu)建電子設(shè)備的傳統(tǒng)技術(shù)，存在哪些需求來(lái)鼓勵(lì)制造商轉(zhuǎn)向石墨烯?事實(shí)上，石墨烯在許多特性方面都優(yōu)于現(xiàn)有的電子材料，其中許多特性如下。

傳統(tǒng)霍爾傳感器材料有哪些?

傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體器件(包括霍爾傳感器)采用硅作為主要導(dǎo)電元件。硅是電子領(lǐng)域最豐富、最重要的半導(dǎo)體材料。

近年來(lái)，人們開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)材料來(lái)提高霍爾傳感器等半導(dǎo)體器件的性能。這些材料包括砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)。

石墨烯的物理特性如何比較?

導(dǎo)電性

盡管硅是世界上最知名和最廣泛使用的半導(dǎo)體，但它的電子遷移率卻處于中低范圍(~1,000 cm2/(V·s))。相比之下，化合物半導(dǎo)體材料具有極高的電子遷移率——InSb 的電子遷移率高達(dá) 80,000 cm2/(V·s)。石墨烯的遷移率有可能達(dá)到超過(guò) 100,000 cm2/(V?s)。

結(jié)論：石墨烯的導(dǎo)電性優(yōu)于硅，與復(fù)合材料相當(dāng)。

功率要求

與其他半導(dǎo)體材料相比，硅器件需要相對(duì)較高的電流來(lái)工作。石墨烯和復(fù)合材料的電子遷移率得到改善，使其能夠以低于硅的 60% 的電力需求運(yùn)行。

結(jié)論：同樣，石墨烯的優(yōu)點(diǎn)與復(fù)合材料相當(dāng)，并且優(yōu)于硅。

靈敏度

硅霍爾傳感器的靈敏度通常約為 0.06 V/VT(伏特/特斯拉)。復(fù)合傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比硅更高的靈敏度測(cè)量——在GaAs的情況下，通常高達(dá)0.3 V/VT。通過(guò)改進(jìn)沉積工藝，Paragraf 即將生產(chǎn)出與 GaAs 靈敏度相匹配的傳感器。

結(jié)論：石墨烯傳感器擁有比硅傳感器更高的靈敏度，并且對(duì)復(fù)合材料至少具有相同的靈敏度，并將進(jìn)一步的改進(jìn)。

熱響應(yīng)

硅傳感器在環(huán)境溫度下運(yùn)行良好，但在極端溫度下無(wú)法獲得一致的結(jié)果。某些復(fù)合傳感器設(shè)計(jì)用于高溫或低溫應(yīng)用，但很難保持其線性度。換句話說(shuō)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大幅變化與極端溫度同時(shí)發(fā)生時(shí)，這些傳感器就失去了繼續(xù)提供精確磁場(chǎng)測(cè)量的能力。

石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使其在極端溫度下具有令人印象深刻的堅(jiān)固性。Paragraf的低溫傳感器已實(shí)現(xiàn)低至 mK 溫度的操作，同時(shí)保持高達(dá) 30T 的線性度。

結(jié)論：石墨烯的熱穩(wěn)健性使其成為寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)健性解決方案。

雜散場(chǎng)

由于存在多個(gè)電子設(shè)備、電線、移動(dòng)部件等，幾乎所有采用霍爾傳感器的環(huán)境都會(huì)充滿磁場(chǎng)。當(dāng)非預(yù)期的場(chǎng)與傳感元件相交時(shí)，這些場(chǎng)會(huì)在傳感器的讀數(shù)中產(chǎn)生噪聲。傳感器的讀數(shù)。硅傳感器和復(fù)合傳感器中的傳感元件都包含厚度元件，增加了傳感器拾取的雜散場(chǎng)的數(shù)量。

由于石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，垂直于傳感元件的交叉雜散場(chǎng)的數(shù)量大大減少。就產(chǎn)生了一個(gè)更清晰的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。

結(jié)論：石墨烯傳感器比硅傳感器和復(fù)合霍爾傳感器能產(chǎn)生更清潔、更準(zhǔn)確的磁場(chǎng)測(cè)量，因?yàn)樗灰资茈s散場(chǎng)影響。

石墨烯霍爾傳感器還有商業(yè)利益嗎?

成本效益

硅是地球上最豐富的元素之一，幾十年來(lái)一直在電子應(yīng)用中使用。因此，硅霍爾傳感器的制造相對(duì)簡(jiǎn)單且便宜。

生產(chǎn)具有多個(gè)元件的傳感元件是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。這些元件的數(shù)量和成本各不相同，并且以正確的布置組裝它們以產(chǎn)生有效的傳感器需要一定的成本。通常，與砷化鎵一樣，其中一些元素具有毒性——需要昂貴的安全和處置程序，從而導(dǎo)致成本增加。

石墨烯只是碳原子的排列。碳也是世界上最豐富的元素之一。雖然它在電子設(shè)備中的應(yīng)用不如硅廣泛，但規(guī)模化生產(chǎn)的機(jī)會(huì)使其可能與硅一樣具有成本效益。

結(jié)論：與復(fù)合材料相比，石墨烯在成本效益方面具有優(yōu)勢(shì)。一旦其使用變得更加廣泛，就有可能與硅持平。

現(xiàn)有供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性

如上所述，用于構(gòu)建霍爾傳感器和其他硅半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)設(shè)施和流程已經(jīng)很完善。這些設(shè)備已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，因此增加供應(yīng)始終是可能的。復(fù)合材料制造工藝的復(fù)雜性限制了其可擴(kuò)展性。

石墨烯是電子領(lǐng)域相對(duì)較新的材料。Paragraf 的專利沉積工藝正在通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝制造設(shè)備來(lái)釋放石墨烯的縮放潛力。因此，現(xiàn)有的硅器件生態(tài)系統(tǒng)可以很容易地適應(yīng)石墨烯電子器件。

結(jié)論：硅的可擴(kuò)展性仍然優(yōu)于其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但石墨烯的可擴(kuò)展性潛力顯而易見(jiàn)。

總結(jié)

在所有的物理特性中，石墨烯傳感器均優(yōu)于硅傳感器。商業(yè)特性中硅占據(jù)了主導(dǎo)地位，但石墨烯有可能持平甚至超越硅的優(yōu)勢(shì)。

石墨烯霍爾傳感器在上述的三個(gè)特性中與復(fù)合傳感器相當(dāng)，而在其他四個(gè)特性中超過(guò)了復(fù)合傳感器。

審核編輯：湯梓紅