本發(fā)明涉及納米電子器件，尤其涉及一種多端口傳感器件及其制備方法和矢量磁場檢測方法。
背景技術(shù)：
1、磁場傳感器是一類用于感知外部磁場強(qiáng)度、方向或空間分布的關(guān)鍵器件，在導(dǎo)航定位、醫(yī)療診斷、工業(yè)自動化以及可穿戴與微型化電子系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。隨著后摩爾時(shí)代電子系統(tǒng)向高集成度、低功耗與片上系統(tǒng)化發(fā)展，磁場感知功能逐步從宏觀傳感模塊向片上納米電子器件形態(tài)演進(jìn)。尤其在微尺度系統(tǒng)、柔性電子與異質(zhì)集成場景中，磁場傳感器不僅需要具備較高的靈敏度與響應(yīng)速度，還需要滿足納米尺度可縮放、端口可編程、與cmos工藝或后端互連兼容、以及在受限面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)多維信息直接輸出等要求。因此，如何利用低維材料溝道的電可調(diào)諧性與納米電極的局域調(diào)控能力，在單一芯片或單一器件單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)對矢量磁場的高效反演，成為納米電子器件與磁傳感交叉領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的研究方向。
2、在現(xiàn)有磁場傳感技術(shù)中，霍爾效應(yīng)器件因結(jié)構(gòu)相對簡單、制程成熟、響應(yīng)速度快而被廣泛采用。但傳統(tǒng)霍爾器件多以平面半導(dǎo)體薄膜或外延層為載流子輸運(yùn)通道，通常對單一方向磁場分量具有較高響應(yīng)，而對矢量磁場的獲取往往依賴多芯片、多器件或多取向敏感結(jié)構(gòu)的組合。現(xiàn)有工程實(shí)現(xiàn)中常見的方式是在封裝或模組層面沿不同空間取向布置多個(gè)霍爾單元，分別采集不同正交分量后再進(jìn)行矢量重構(gòu)；或通過復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)、堆疊互連與多層封裝實(shí)現(xiàn)多方向磁場感知。然而，上述方案在納米電子器件的集成約束下仍存在明顯不足：其一，多器件布置與多芯片封裝占用面積與厚度資源，難以滿足片上集成與微型化系統(tǒng)的封裝窗口，同時(shí)引入互連寄生參數(shù)與功耗增加；其二，不同敏感單元之間存在制造偏差與溫漂差異，疊加安裝角度誤差與信號耦合效應(yīng)，易導(dǎo)致矢量重構(gòu)誤差累積，增加標(biāo)定與補(bǔ)償復(fù)雜度；其三，在低維材料或納米尺度溝道器件中，載流子輸運(yùn)受界面散射、接觸勢壘與局域電場分布影響更顯著，若仍采用多器件拼接方式，系統(tǒng)級一致性與可靠性更難保證。在對尺寸、柔性與集成度要求更為苛刻的可穿戴、生物檢測或微尺度系統(tǒng)中，上述問題尤為突出。
3、現(xiàn)有中國專利cn113609750a公開了一種基于磁場傳感信號機(jī)器學(xué)習(xí)的電流計(jì)算方法，包括：對長直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場矢量進(jìn)行定量計(jì)算，得到通電長直導(dǎo)線磁場模型；基于該模型，獲得數(shù)據(jù)樣本，對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行預(yù)處理，獲得訓(xùn)練集與測試集；基于訓(xùn)練集搭建mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)，并采用bp算法，獲得訓(xùn)練后的mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；利用測試集對訓(xùn)練后的mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行誤差測試；利用已訓(xùn)練好的mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行電流計(jì)算。上述專利雖然引入數(shù)據(jù)驅(qū)動建模思想，但其訓(xùn)練與推斷依賴?yán)硐牖艌瞿Ｐ图疤囟ū粶y對象形態(tài)，方法目標(biāo)集中于導(dǎo)線電流反演而非器件層面的矢量磁場直接檢測。更重要的是，該方案未面向納米電子器件的多端口電學(xué)響應(yīng)建立端口激勵(lì)與輸出標(biāo)簽體系，未說明在單一器件單元內(nèi)如何通過多通道耦合響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對磁場強(qiáng)度與方向的同步反演機(jī)制，因此難以支撐高集成、小型化場景下對外部矢量磁場信息的片上直接感知需求。
4、現(xiàn)有中國專利cn119894037a公開了一種二維材料多端口可重構(gòu)器件結(jié)構(gòu)及其制備方法，該器件具有數(shù)個(gè)納米電極，其中一部分納米電極與二維材料溝道相連作為輸入輸出端，另一部分納米電極不與二維材料溝道相連并作為側(cè)柵電極對溝道載流子類型與密度進(jìn)行靜電調(diào)控，從而在不同柵極電壓組合下實(shí)現(xiàn)器件在不同導(dǎo)電狀態(tài)間切換，并可通過選取與有源區(qū)相連的電極作為輸入電極與輸出電極、其余電極作為控制電極，測量輸入輸出及控制輸出之間的電壓電流數(shù)據(jù)，基于目標(biāo)功能設(shè)置損失函數(shù)并通過梯度下降或進(jìn)化算法搜索控制電極電壓參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算功能。上述專利方案在器件結(jié)構(gòu)層面體現(xiàn)了納米尺度多端口電極與側(cè)柵局域電場調(diào)控的設(shè)計(jì)思路，具有較強(qiáng)的柵極控制能力與器件集成潛力。然其核心目的在于面向邏輯與算術(shù)運(yùn)算的可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)，訓(xùn)練與搜索過程圍繞控制電極電壓參數(shù)以滿足目標(biāo)電路功能展開，并未針對外部磁場這一物理場輸入建立可用于反演的監(jiān)督標(biāo)簽體系與輸出機(jī)制，也未給出利用多端口異構(gòu)電學(xué)響應(yīng)在單一器件上實(shí)現(xiàn)磁場強(qiáng)度與磁場方向或多正交分量同步預(yù)測的實(shí)現(xiàn)路徑。因此，該方案難以直接解決高集成納米電子系統(tǒng)中對矢量磁場信息直接感知的需求。
5、為此，如何利用單一納米電子器件的多端口電學(xué)耦合響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對外部磁場的矢量化檢測與強(qiáng)度方向同步輸出，仍是亟待解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了多端口傳感器件及其制備方法和矢量磁場檢測方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中難以利用單一納米電子器件的多端口電學(xué)耦合響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對外部磁場的矢量化檢測與強(qiáng)度方向同步輸出的問題。
2、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多端口傳感器件，所述多端口傳感器件包括多個(gè)用于調(diào)控納米二維材料溝道導(dǎo)電類型的靜電柵極以及與有源區(qū)直接相連的納米電極；所述多端口傳感器件的正面或反面自下而上包括敏感層和設(shè)置于所述敏感層上的金屬電極層，所述金屬電極層使用電子束光刻制作數(shù)個(gè)納米電極，一部分納米電極直接與二維材料溝道相連，另一部分納米電極未與二維材料相連并且作為側(cè)柵電極對二維材料溝道進(jìn)行調(diào)控；所述多端口傳感器件包括：
3、設(shè)置于所述敏感層正面的若干個(gè)正面端口，以及設(shè)置于所述敏感層反面的若干個(gè)反面端口，其中，所述正面端口與所述反面端口在所述敏感層的厚度方向上相對設(shè)置；
4、所述敏感層的正面與反面分別形成器件的工作面，所述正面端口與所述反面端口共同形成多端口接口結(jié)構(gòu)。
5、在一可選實(shí)施例中，所述敏感層由敏感材料構(gòu)成，用于為所述多端口傳感器件提供機(jī)械支撐及電學(xué)基礎(chǔ)，其中，所述敏感材料包括硅、銻化銦、鎵砷、鍺、碲鋅鎘中的一種或多種；所述金屬電極層由導(dǎo)電金屬材料構(gòu)成，并在對應(yīng)位置形成多個(gè)彼此電隔離的電極區(qū)域，所述電極區(qū)域分別構(gòu)成所述正面端口和所述反面端口，用于實(shí)現(xiàn)所述多端口傳感器件與外部電路的電學(xué)連接，其中，所述導(dǎo)電金屬材料包括金、鎳、鈦、鋁、鉻中的一種或多種；所述敏感層與所述金屬電極層之間設(shè)置有絕緣層及導(dǎo)電通孔，所述絕緣層及導(dǎo)電通孔用于確定電壓在襯底激勵(lì)的具體位置，所述絕緣層的材料包括氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺、氧化鋁中的一種或多種。
6、在一可選實(shí)施例中，所述多端口傳感器件生長于襯底層之上，所述襯底層用于支撐所述多端口傳感器件，所述襯底層的材料包括硅、藍(lán)寶石、玻璃、石英、氧化鋁陶瓷和氮化鋁中的一種或多種。
7、第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多端口傳感器件制備方法，所述多端口傳感器件為如第一方面所述的器件，所述多端口傳感器件從下至上包括襯底層、絕緣層、金屬電極層、二維材料層，所述制備方法包括：
8、在襯底/絕緣層材料上制作金屬對準(zhǔn)標(biāo)記以及納米電極；
9、在制作納米電極的基礎(chǔ)上，制作與納米電極相連的微米級電極；
10、將二維材料轉(zhuǎn)移或生長在已完成電極制作的襯底上；
11、對樣品表面的二維材料進(jìn)行微米級圖形化；
12、對樣品表面的二維材料進(jìn)行納米級圖形化；
13、對樣品進(jìn)行退火處理去除二維材料表面污染，完成多端口傳感器件的制備。
14、在一可選實(shí)施例中，所述制備方法還包括：
15、在具有二維材料的襯底上制作金屬對準(zhǔn)標(biāo)記；
16、利用金屬對準(zhǔn)標(biāo)記套刻制作微米級電極；
17、對樣品表面的二維材料進(jìn)行微米級圖形化；
18、對樣品表面的二維材料進(jìn)行納米級圖形化；
19、制作納米電極連接二維材料溝道及微米電極；
20、對樣品進(jìn)行退火處理去除二維材料表面污染，完成多端口傳感器件的制備；
21、其中，二維材料溝道位于金屬電極下方或者上方。
22、第三方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多端口傳感器件矢量磁場檢測方法，應(yīng)用于如第一方面所述的多端口傳感器件，所述方法包括：
23、根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)磁場工況和目標(biāo)電壓組合，對多端口磁場傳感器進(jìn)行測試，獲取表征所述多端口磁場傳感器件在所述目標(biāo)磁場工況下的多端口異構(gòu)響應(yīng)的原始數(shù)據(jù)集；
24、對所述原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集；
25、根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和所述測試數(shù)據(jù)集，構(gòu)建磁場信息檢測模型；
26、將實(shí)時(shí)電流值和實(shí)時(shí)電壓值輸入所述磁場信息檢測模型中，得到實(shí)時(shí)磁場信息，其中，所述實(shí)時(shí)磁場信息包括實(shí)時(shí)磁場強(qiáng)度和實(shí)時(shí)磁場方向，或包括磁場在預(yù)設(shè)坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)矢量分量。
27、在一可選實(shí)施例中，所述根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)磁場工況和目標(biāo)電壓組合，對所述多端口磁場傳感器進(jìn)行測試，獲取原始數(shù)據(jù)集包括：
28、獲取所述多端口磁場傳感器上的各端口編號；
29、對各所述端口編號進(jìn)行篩選，確定目標(biāo)端口編號；
30、根據(jù)所述目標(biāo)磁場工況，對所述多端口磁場傳感器所處的測試環(huán)境施加磁場，得到目標(biāo)測試環(huán)境，其中，所述目標(biāo)磁場工況包括目標(biāo)磁場強(qiáng)度和目標(biāo)磁場方向，或包括磁場在預(yù)設(shè)坐標(biāo)系下的目標(biāo)矢量分量；
31、根據(jù)所述目標(biāo)電壓組合，對所述目標(biāo)測試環(huán)境下所述目標(biāo)端口編號對應(yīng)的端口施加電壓，獲取所有端口的輸出電流值作為原始電流數(shù)據(jù)；
32、根據(jù)所述目標(biāo)磁場工況、目標(biāo)電壓組合和所述原始電流數(shù)據(jù)，確定所述原始數(shù)據(jù)集。
33、在一可選實(shí)施例中，所述對所述原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集包括：
34、對所述原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征提取，得到離散特征信息和連續(xù)特征信息；
35、對所述離散特征信息進(jìn)行編碼處理，得到模型輸入向量；
36、對所述連續(xù)特征信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化連續(xù)特征信息；
37、對所述模型輸入向量和所述標(biāo)準(zhǔn)化連續(xù)特征信息進(jìn)行特征拼接，構(gòu)建訓(xùn)練樣本集；
38、對所述訓(xùn)練樣本集進(jìn)行分類，得到所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和所述測試數(shù)據(jù)集。
39、在一可選實(shí)施例中，若所述目標(biāo)磁場工況為球面坐標(biāo)系下的磁場工況，則所述根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和所述測試數(shù)據(jù)集，構(gòu)建磁場信息檢測模型包括：
40、根據(jù)所述目標(biāo)磁場工況，獲取目標(biāo)磁場方向和目標(biāo)磁場強(qiáng)度，其中，所述目標(biāo)磁場方向包括目標(biāo)俯仰角和目標(biāo)方位角；
41、對所述目標(biāo)俯仰角和所述目標(biāo)方位角進(jìn)行正余弦轉(zhuǎn)換處理，得到角度標(biāo)簽信息；
42、對所述目標(biāo)磁場強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到強(qiáng)度標(biāo)簽信息；
43、獲取與所述磁場信息檢測模型對應(yīng)的預(yù)設(shè)模型結(jié)構(gòu)；
44、根據(jù)所述角度標(biāo)簽信息和所述強(qiáng)度標(biāo)簽信息，結(jié)合所述預(yù)設(shè)模型結(jié)構(gòu)、所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和所述測試數(shù)據(jù)集，分別構(gòu)建磁場強(qiáng)度檢測模型和磁場方向檢測模型作為所述磁場信息檢測模型。
45、在一可選實(shí)施例中，所述根據(jù)所述角度標(biāo)簽信息和所述強(qiáng)度標(biāo)簽信息，結(jié)合所述預(yù)設(shè)模型結(jié)構(gòu)、所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和所述測試數(shù)據(jù)集，分別構(gòu)建磁場強(qiáng)度檢測模型和磁場方向檢測模型作為所述磁場信息檢測模型包括：
46、根據(jù)所述預(yù)設(shè)模型結(jié)構(gòu)，獲取基于淺層結(jié)構(gòu)的離散特征支路、基于多層全連接結(jié)構(gòu)的連續(xù)特征支路、特征融合層和模型輸出層；
47、根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，獲取目標(biāo)離散特征信息和目標(biāo)連續(xù)特征信息；
48、將所述目標(biāo)離散特征信息輸入所述離散特征支路進(jìn)行前向計(jì)算，得到離散支路特征；
49、將所述目標(biāo)連續(xù)特征信息輸入所述連續(xù)特征支路進(jìn)行前向計(jì)算，得到連續(xù)支路特征；
50、對所述離散支路特征和所述連續(xù)支路特征輸入所述特征融合層中，得到融合特征；
51、將所述融合特征輸入所述模型輸出層中，得到磁場輸出信息；
52、根據(jù)所述磁場輸出信息、所述強(qiáng)度標(biāo)簽信息和所述角度標(biāo)簽信息，對所述預(yù)設(shè)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)迭代更新，得到更新后的模型結(jié)構(gòu)；
53、利用所述測試數(shù)據(jù)集，對所述更新后的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試評估，根據(jù)評估結(jié)果，分別對所述磁場強(qiáng)度檢測模型和磁場方向檢測模型進(jìn)行構(gòu)建，得到所述磁場信息檢測模型。
54、綜上所述，本發(fā)明的有益效果如下：
55、本發(fā)明實(shí)施例提供的多端口傳感器件及其制備方法和矢量磁場檢測方法，所述多端口傳感器件包括多個(gè)用于調(diào)控納米二維材料溝道導(dǎo)電類型的靜電柵極以及與有源區(qū)直接相連的納米電極；所述多端口傳感器件的正面或反面自下而上包括敏感層和設(shè)置于所述敏感層上的金屬電極層，所述金屬電極層使用電子束光刻制作數(shù)個(gè)納米電極，一部分納米電極直接與二維材料溝道相連，另一部分納米電極未與二維材料相連并且作為側(cè)柵電極對二維材料溝道進(jìn)行調(diào)控；所述多端口傳感器件的正面或反面自下而上包括敏感層和設(shè)置于所述敏感層上的金屬電極層，所述多端口傳感器件包括：設(shè)置于所述敏感層正面的若干個(gè)正面端口，以及設(shè)置于所述敏感層反面的若干個(gè)反面端口，其中，所述正面端口與所述反面端口在所述敏感層的厚度方向上相對設(shè)置；所述敏感層的正面與反面分別形成器件的工作面，所述正面端口與所述反面端口共同形成多端口接口結(jié)構(gòu)。所述矢量磁場檢測方法包括：制備特殊結(jié)構(gòu)的多端口磁場傳感器件，根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)磁場工況和目標(biāo)電壓組合，對多端口磁場傳感器進(jìn)行測試，獲取表征所述多端口磁場傳感器件在所述目標(biāo)磁場工況下的多端口異構(gòu)響應(yīng)的原始數(shù)據(jù)集；對所述原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集；根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和所述測試數(shù)據(jù)集，構(gòu)建磁場信息檢測模型；將實(shí)時(shí)電流值和實(shí)時(shí)電壓值輸入所述磁場信息檢測模型中，得到實(shí)時(shí)磁場信息，其中，所述實(shí)時(shí)磁場信息包括實(shí)時(shí)磁場強(qiáng)度和實(shí)時(shí)磁場方向，或包括磁場在預(yù)設(shè)坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)矢量分量。本發(fā)明通過在單一器件單元內(nèi)引入多端口納米電極與靜電側(cè)柵協(xié)同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將外部磁場作用下二維材料溝道的載流子輸運(yùn)變化轉(zhuǎn)化為可被多端口同時(shí)讀取的異構(gòu)電學(xué)響應(yīng)，從而在有限面積與端口資源條件下實(shí)現(xiàn)矢量磁場的直接感知與反演：一方面，電子束光刻形成的納米電極中，部分電極與二維材料溝道直接相連作為有源區(qū)的注入與讀出端口，能夠在外加磁場下同步采集不同電流路徑、不同接觸區(qū)域所對應(yīng)的電流電壓響應(yīng)差異，部分未接觸溝道的納米電極作為側(cè)柵以局域電場方式調(diào)控溝道載流子類型與密度，增強(qiáng)對輸運(yùn)通道的電可調(diào)諧性與端口響應(yīng)的可分辨性，使同一磁場工況在不同端口組合下呈現(xiàn)更豐富、更穩(wěn)定的特征模式；另一方面，正面端口與反面端口在厚度方向相對設(shè)置并分別構(gòu)成工作面，使器件可在單芯片上形成更立體的電場耦合與多通道讀取結(jié)構(gòu)，減少依賴多器件空間布置即可獲得近似多取向的響應(yīng)信息，降低封裝體積、互連復(fù)雜度與安裝誤差帶來的矢量重構(gòu)偏差；在此基礎(chǔ)上，檢測方法不再依賴?yán)硐牖艌瞿Ｐ突蚨鄠鞲衅饔布唇樱峭ㄟ^在預(yù)設(shè)磁場工況與多端口偏置組合下采集原始數(shù)據(jù)集，經(jīng)過預(yù)處理構(gòu)建訓(xùn)練集與測試集，建立由多端口電流電壓到磁場強(qiáng)度與方向或矢量分量的映射模型，并在運(yùn)行時(shí)將實(shí)時(shí)電流值與實(shí)時(shí)電壓值輸入模型直接輸出磁場信息，實(shí)現(xiàn)把多端口異構(gòu)響應(yīng)的耦合利用轉(zhuǎn)化為單器件條件下的矢量磁場同步預(yù)測，從根本上解決現(xiàn)有方案需要多霍爾單元布置或復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的體積大、功耗高、校準(zhǔn)難、誤差累積等問題，滿足高集成、小型化場景對矢量磁場高效全面感知的需求。