北理工課題組在集成電路傳感芯片研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-09-19 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
日前,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組和集成電路與電子學(xué)院孫厚軍教授課題組合作,，理論提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了目前世界上第一個(gè)高階拓?fù)鋫鞲行酒?。相關(guān)成果以“Ultra-sensitive integrated circuit sensors based on high-order non-Hermitian topological physics”為題發(fā)表在Science Advances期刊上,。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的大力支持,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士生鄧聞遠(yuǎn),、集成電路與電子學(xué)院朱偉特聘研究員為該論文的共同第一作者,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授,、集成電路與電子學(xué)院孫厚軍教授和朱偉特聘研究員為論文共同通訊作者。另外,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院陳天副教授也對此工作做出了貢獻(xiàn),。
高精度傳感器在日常生活的許多方面起著重要作用。根據(jù)不同的物理機(jī)制,，傳感器的構(gòu)造有多種方案,，例如信號頻譜的偏移和分裂常用于識別外部擾動(dòng)。隨著近年來對于量子器件的深入研究,，已經(jīng)有很多新型的量子傳感器被提出和實(shí)現(xiàn),，例如具有超高品質(zhì)因數(shù)的光子微腔傳感器可用于監(jiān)測背景折射率的變化，可以實(shí)現(xiàn)單分子的無標(biāo)記檢測,；光機(jī)換能器可用作弱非相干力的超靈敏探測等,。目前，盡管已經(jīng)開發(fā)出許多傳感器,，但獲得更高靈敏度和更強(qiáng)魯棒性的傳感器一直是人們追求的目標(biāo),，因?yàn)樗鼈儾粌H可以檢測到以前無法檢測到的信號,，而且還可以在特殊環(huán)境中工作。受拓?fù)淞孔游锢韺W(xué)的啟發(fā),，最近量子拓?fù)鋫鞲衅鞯母拍钜脖惶岢?，例如依賴于對一維邊界態(tài)的異常靈敏度的非厄米拓?fù)鋫鞲衅鞑粌H在理論上被建議，而且實(shí)驗(yàn)上也得到了證明【Adv. Sci. 10, 2301128 (2023)】,。
另一方面,，人們發(fā)現(xiàn)在一些非厄米系統(tǒng)中能呈現(xiàn)高階趨膚效應(yīng)（skin effect）。與一階非厄米趨附效應(yīng)相比,，高階趨膚效應(yīng)展現(xiàn)出更強(qiáng)的邊界局域化程度,，并且具有更強(qiáng)的魯棒性。問題是能否利用該高階趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)具有更高靈敏度和更強(qiáng)魯棒性的傳感器,？
在本工作中,，研究人員從理論上提出了一種基于高階非厄米趨膚效應(yīng)的量子傳感器。進(jìn)一步,，利用65nm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝制備出了對應(yīng)的集成電路傳感芯片,，證明了其對極弱信號的優(yōu)良檢測能力。由于高頻振蕩特性和先進(jìn)的納米技術(shù),，該量子傳感系統(tǒng)在高達(dá)2GHz的頻率下可以保持小于1%的誤差,，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性。同時(shí),，研究人員還首次引入了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）模塊來控制非厄米傳感系統(tǒng),，以實(shí)現(xiàn)極微弱被測物的高精度檢測，為進(jìn)一步的應(yīng)用提供了更便捷的方案,。
研究亮點(diǎn)之一：基于高階趨附效應(yīng)的超高靈敏度傳感理論
圖1. 高階拓?fù)淞孔觽鞲邢到y(tǒng)示意圖
研究人員首次提出了高階拓?fù)淞孔觽鞲欣碚?，該量子傳感理論可以適用于任意維度與階數(shù)的非厄米趨附效應(yīng)。在本工作中,，研究人員以具有二維二階拓?fù)浣菓B(tài)的系統(tǒng)為例進(jìn)行了相關(guān)的理論計(jì)算,，如圖1a-1b所示。該系統(tǒng)的k空間哈密頓量如下所示：
（1）
其中,，
為泡利矩陣,，
為單位矩陣。
基于上述哈密頓量,，研究人員計(jì)算出了系統(tǒng)的實(shí)空間能譜,，其結(jié)果如圖1c所示。從計(jì)算結(jié)果不難看出,，該系統(tǒng)具有二階的拓?fù)浣菓B(tài),，而與二階拓?fù)浣菓B(tài)所對應(yīng)的態(tài)分布也在圖1d中給出。通過調(diào)整系統(tǒng)的耦合參數(shù)
，系統(tǒng)的態(tài)密度能向人為控制的方向指數(shù)級別的偏移,。利用該指數(shù)差異的系統(tǒng)量子態(tài),，研究人員在該量子態(tài)差異最大的兩個(gè)格點(diǎn)直接插入外源干擾，如圖1a中所示,。當(dāng)外源干擾
接入到了系統(tǒng)中,，系統(tǒng)的能譜會發(fā)生偏移，通過推導(dǎo),，該偏移可表示為：
（2）
其中 
, 這里m和n分別表示不同方向的系統(tǒng)尺度,，而常數(shù)
。
為了驗(yàn)證該理論方程的準(zhǔn)確性,，研究人員進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值仿真與理論計(jì)算,，相關(guān)數(shù)據(jù)展示在圖1e和1f中。通過數(shù)值仿真和理論曲線的可以清晰看出,，理論推導(dǎo)結(jié)果符合數(shù)值仿真結(jié)果,，系統(tǒng)的靈敏度隨著系統(tǒng)的尺度增大而增大。不同的是,，在尺度增長到一定范圍后,，系統(tǒng)的靈敏度數(shù)值上會出現(xiàn)一定的飽和效應(yīng)，如圖1e所示,。該飽和效應(yīng)是由于待測物理量的數(shù)值過大，放大后的能量偏移具有上限,，不代表系統(tǒng)的靈敏度會受到限制,，所以在待測量無窮小時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度會完全如理論方程式所示,，隨著系統(tǒng)尺度而指數(shù)增長,。同時(shí)，圖1f給出了系統(tǒng)的靈敏度隨著系統(tǒng)耦合參數(shù)的變化情況,，可以看到在一定的范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的耦合參數(shù),，系統(tǒng)的靈敏度可以在小范圍內(nèi)精細(xì)調(diào)節(jié)，這種特性使該系統(tǒng)在應(yīng)用層面有更多的可調(diào)性,，可以適用于更多種復(fù)雜的應(yīng)用場景,。
研究亮點(diǎn)之二：首次利用65nm CMOS工業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)鋫鞲行酒?/p>
圖2. 二維二階拓?fù)淞孔觽鞲行酒疽鈭D
根據(jù)上述理論模型，同時(shí)為了靈活地改變系統(tǒng)尺寸,，研究人員使用模塊化設(shè)計(jì)制備了一個(gè)傳感器電路,。該傳感電路基于了65nm CMOS工藝。圖2a顯示了兩個(gè)模塊單元的示意圖,，每個(gè)模塊單元對應(yīng)于圖1a所示的3×3的理論模型,。模塊中的黃色和橙色球體代表電路網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)于理論模型的網(wǎng)格,。電路節(jié)點(diǎn)之間通過電容器和緩沖器（藍(lán)色和綠色箭頭）連接,。這里,，兩個(gè)傳感單元由多個(gè)同步開關(guān)（SW）連接和控制。在這種情況下,，尺寸為25×25的理論模型需要12個(gè)傳感單元串聯(lián)連接,。在圖2b中，我們顯示了所設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的非互易（非厄米）耦合,，這與圖1b所示的模型相對應(yīng),。圖2b中的標(biāo)記1和2也對應(yīng)于圖1b中的格子1和2。通過控制電容器所在的緩沖器來實(shí)現(xiàn)非互易耦合（藍(lán)色和綠色箭頭）,。相關(guān)的傳感電路實(shí)物圖與耦合器件性能參數(shù)展示在圖2c-2d中,。
圖3. 高階拓?fù)淞孔觽鞲行酒瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果
研究人員在圖3中展示了所設(shè)計(jì)傳感芯片的控制模塊和具體性能參數(shù)，圖3a中展現(xiàn)了基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)模塊控制,，可以通過控制測量端口所連接的開關(guān)SW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在多種靈敏度模式的切換,。通過研究人員的實(shí)驗(yàn)測試和標(biāo)定，系統(tǒng)可以非常清晰地展現(xiàn)出指數(shù)級別的趨附效應(yīng)（圖3b）,，同時(shí),，該芯片可以精確測量容值為到
的標(biāo)準(zhǔn)電容（圖3c-3e）。事實(shí)上,，對于
電容的精準(zhǔn)測量并不是該傳感芯片的極限,，這是因?yàn)樵?5nm CMOS的工藝制成下，標(biāo)準(zhǔn)電容（誤差5%-10%）的容值極限為
,。如果可以接入一個(gè)容值為
的標(biāo)準(zhǔn)電容,，理論上，該芯片也可以提供非常優(yōu)良的測量結(jié)果,。
研究亮點(diǎn)之三：高階拓?fù)鋺B(tài)使傳感系統(tǒng)具有超強(qiáng)魯棒性和高信噪比
圖4. 高階拓?fù)淞孔觽鞲行酒敯粜詫?shí)驗(yàn)結(jié)果
研究人員制備的芯片不僅具有很高的靈敏度,，而且有強(qiáng)的魯棒性。為了驗(yàn)證電路系統(tǒng)的魯棒性,，研究人員引入了無序串?dāng)_（DC）,，它是正常情況下實(shí)際噪聲強(qiáng)度的1000多倍。在實(shí)驗(yàn)中,，在信號輸入節(jié)點(diǎn)額外輸入直流電,，并將直流電與主信號的百分比定義為直流電的強(qiáng)度，如10%,、25%和50%,。圖4a顯示了具有50%無序串?dāng)_的電壓趨膚效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這里的參數(shù)與圖3b中的參數(shù)相同,。當(dāng)信號頻率處于本征頻率時(shí),，非互易系統(tǒng)中的趨膚效應(yīng)具有極高的魯棒性。即使由50%直流的信號驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的集膚效應(yīng)電壓也基本保持不變,，如圖4a中的藍(lán)色（0直流）和綠色（50%直流）所示,。與本征頻率的情況相比，在隨機(jī)頻率（紫色和橙色）下,，工作信號已經(jīng)完全失真,，趨膚效應(yīng)不再存在。相應(yīng)的傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4b所示,?？梢钥闯觯谥绷麟姷挠绊懴?，系統(tǒng)的傳感性能沒有受到太大影響,，仍然保持指數(shù)靈敏度的特性。圖4b的插圖顯示了相應(yīng)的導(dǎo)納譜,，表明系統(tǒng)的趨附模式不受直流電的影響,。該芯片之所以具有如此良好的魯棒性，不僅是因?yàn)楦唠A拓?fù)涮匦?，還因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)中,，該LC電路本身具有極強(qiáng)的帶阻效應(yīng)。在圖4c中,，我們提供了帶阻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,，其中的三個(gè)面板顯示了DC=-20dB、-7.22dB和-7.23dB的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,。在所有情況下,，本征頻率附近都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的帶阻效應(yīng)。這種效應(yīng)有助于測量本征頻率時(shí)降低噪聲,，提高系統(tǒng)精度和魯棒性。
上述設(shè)計(jì)和制造的電路傳感器（芯片）僅基于二階非厄米現(xiàn)象,。事實(shí)上,，以上的所有設(shè)計(jì)和制造思想都可以擴(kuò)展到三階、四階甚至更高階的情況,。系統(tǒng)的靈敏度和魯棒性隨著系統(tǒng)階數(shù)的增加呈指數(shù)級增長,。這些高階非厄米傳感器對于我們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛使用的電容器前端具有很強(qiáng)的檢測優(yōu)勢。同時(shí),，對于該感測電路的構(gòu)造,，可以選擇任何類型的電路耦合組件，例如LC振蕩電路中具有電容接地的電感耦合,，或RLC振蕩電路中的電阻耦合,。此外，強(qiáng)大的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性使芯片在制備過程中具有很高的成功率。這是因?yàn)樗母唠A對稱性帶來了更強(qiáng)的性能穩(wěn)定性,，使系統(tǒng)即使在更加復(fù)雜的環(huán)境干擾下也能保持指數(shù)級增長的探測靈敏度,。
總之，研究人員從理論上提出了一種基于高階非厄米拓?fù)湮锢砥娈愋再|(zhì)的具有優(yōu)越性能的新型傳感器,，并采用65nm CMOS工藝技術(shù)制造了相應(yīng)的集成電子平臺,。基于這樣一個(gè)平臺,，研究人員已經(jīng)證明所設(shè)計(jì)的傳感器不僅具有極高的靈敏度,，而且具有很強(qiáng)的魯棒性。這意味著它們可以在各種極端復(fù)雜的環(huán)境中工作,。同時(shí),，研究人員使用的65nm CMOS工藝使系統(tǒng)高度集成，可以由FPGA控制,，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adp6905
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