未来趋势：商业产品驱动下的传感监测与控制方法的不断拓展

受商业产品高性价比发展趋势的驱动，将传感、监测和控制方法应用于研发的场合将不断增多，该方法在微焊接和纳米尺度焊接中的应用也将更为深入。人们开始对那些能够提供实时、在线反馈信号的传感器更为关注。例如，内嵌式传感器和微传感器等将有望应用到微型焊点可靠性监测中。用于记录加速老化或热循环试验过程中焊点可靠性实时数据的方法也在不断发展中。针对丝球焊点，人们开始着力开发一种新型集成传感器，用于测量已焊焊点附近区域的应力变化。同时，研究人员开始采用四线法来测量球焊点的电阻^[37]。另外，建立焊接过程中特征信号与可靠性测试过程中实时特征信号之间的联系，以及建立这两种特征信号与一些传统反馈信号之间的联系等都是未来的研究方向。除了反映键合成功或失败的传统原位信号外，我们也期望能够利用这些传感器获得一些不同类型的可靠性反馈信号。微连接可靠性未来的发展趋势包括对失效机制的更进一步了解，以及研究如何控制或阻止这些失效机制的发生。在可靠性测试或加速测试中，采用更小尺寸的试样可以加速这类研究的进程。

纳米传感器具有非常好的应用前景，在未来几年将可能带来数十亿美元的产值，其潜在的应用场合包括：国防、半导体产业、生物医疗工程。纳米传感器所组成的安保电子器件能够对具有生物威胁或者具有重大医疗价值的危险材料的检测技术带来革新。未来还有可能出现一些生物信息探测器，通过远程遥控的方法，可对被感染的人或动物进行生物信息探测，根据所获得的信息进行诊断分析。一些可移植纳米级传感器可被种植到人体内，当人体受到病毒感染时发出预警信号，让被感染的人能及时采取应对措施。纳米级传感器尺寸一般都很小，因此，它们的敏感度相对较低，可以通过植入纳米级传感器阵列或让大量纳米传感器悬浮在血管中的方法，来弥补传感器件敏感度的不足。纳米级传感器还可应用于一些高性能、低功率的移动式电子设备中。纳米级传感器和纳米连接工艺监测的潜在应用包括：纳米连接工艺研发、纳米连接设备研制以及焊接工艺过程的监测。

最受关注的纳米级元件为碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNT），它因具有特殊材料特性和广泛应用前景而受到国内外研究机构的高度关注。文献[38]报道了采用单壁CNTs进行纳米连接的案例。研究人员利用高压电子扫描显微镜电子束辐照和加热效应，让CNTs产生足够的缺陷以形成连接，在这种条件下，CNTs的电性能并不会受到损伤。文献[39]报道了生长在取向为[111]Si基板上，直径为1.6nm的CNT纳米连接工艺。首先将扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）内部的纳米探针移到CNT附近，确保两者间距在纳米尺度范围内，然后在探针尖端和Si上的CNT之间施加一个电压。在30%～50%的湿度气氛下，导电原子显微镜（Conductive Atomic Force Microscope，AFM）可以观察到氧化过程，在电压作用下，形成Si氧化物。随着放电的不断进行，CNT附近的硅氧化物不断生长，最终将CNT连接在硅基板上。(www.xing528.com)

以上研究结果为新型材料的处理和连接提供了开创性的研究思路，例如，如何将DNA分子连接在硅基板上，以及分子电路和纳米管网络的制备。由此可见，对将要应用的纳米连接工艺进行表征和优化很有必要。从这个角度来讲，能够获取放电过程中温度反馈信息的纳米传感器将变得非常有用，文献[40]报道了这类纳米级传感器在SEM中的应用。该文献中，研究人员将集成电路制作技术和聚焦等离子切割技术结合起来，制作了尺寸为200nm×100nm和50nm×30nm两种规格的Au-Ni集成热电偶。对它们进行分析发现，尺寸较小的热电偶其敏感度比尺寸较大的热电偶要低3倍左右，而信噪比也低10倍左右。即使如此，小尺寸的热电偶也成功测量了由电子束扫描传感器表面引起的温度变化。当电子束扫描速度为20_μm/s时，纳米传感器监测到的最大温升为70K。当研究和使用生物材料时，研究人员就必须考虑如此高的温度所带来的影响。

文献[41]报道了另外一种测量温度的纳米传感器设计，该传感器也可作为驱动结构使用。该设计主要基于一个安装在扫描热学显微镜（Scanning Thermal Microscope，SThM）微尖端的Au/Cr-to-Ni热电偶。SThM装置的概念类似于AFM，该热电偶的节点直径低于100nm，灵敏度超过10μV/K。该纳米器件主要在数据存储中用于读写数据，在写入模式下，一个mA级的脉冲电流被注入到电阻约为100Ω的器件中，产生一个10～100μW的功率脉冲。在不损坏器件的条件下，施加一个5V的节点电压，持续几个毫秒，就会产生几百毫瓦的功率。该功率可以用于纳米结构的连接。