目前,先进的传感器技术都依赖于有源电子器件来进行信号采集和处理。为了能够及时捕捉到周围环境中有意义的信号,如特定的震动、声音或光谱等,这些传感器必须时刻处于工作状态。这种无论被测信号是否出现都持续耗电的工作特性,极大地限制了单个传感器的寿命,进而显著增加了整个传感器网络(或物联网)因周期性更换电池而带来的维护成本,甚至限制了在偏远地域或者有潜在危险的地区布置传感器的可能性。

据麦姆斯咨询报道,美国东北大学(Northeastern University)教授Matteo Rinaldi领导的一个科研团队近期研发出了一款零待机功耗红外探测器。这款零待机功耗红外探测器能够在有意义的被测信号出现前,保持零功耗的休眠状态,在红外特征信号到达器件后利用其本身携带的能量来驱动一个热敏微机械开关,进而接通负载电路开始工作,以实现整个传感器节点仅在特定红外光谱出现时被“唤醒”。

011ednc20170915 图1 零待机功耗红外探测器结构示意图[1]

这款零待机功耗红外探测器本质上是基于一种微机械光开关技术,美国东北大学的研究人员称之为“等离子体增强微机械光开关(Plasmonically-enhanced Micromechanical Photoswitches)”。该器件的设计巧妙地利用了等离子体超材料、光学、热传导、力学、微机械加工等物理原理和工程技术。如图1所示,其微结构包含两个对称释放的悬臂,每个悬臂包含一个吸收端(Absorbing head)或反射端(Reflecting head),一对用于执行驱动的热敏双材料内臂,一对用于温度和应力补偿的完全相同的双材料外臂,以及一对连接内外臂的绝热导线。等离子体红外吸收端为金属-绝缘体-金属组成的三明治堆叠结构,上层为通过光刻控制线宽的等离子体纳米结构(50nm 金贴片),中间层为100nm二氧化硅介电层,下层为100nm铂反射层。吸收端上还包含一个高硬度的碗状铂金属触点,与该器件的一输入/输出端电气相连。而在另一个悬臂上的反射端上则有一个金属接触板连接器件的另一输入/输出端。铂金属触点和接触板之间的距离约为500nm。

012ednc20170915 图2 美国东北大学研发的零待机功耗红外探测器的等离子红外吸收区和金属开关触点的细节特写(扫描电镜伪色图)。图片来源:美国东北大学NS&NS实验室

红外辐射在被等离子体吸收端吸收后转化为热能,该热能传导至热敏双材料内臂,使之温度升高发生形变向下弯曲,从而带动上述铂金属触点向下移动。当被吸收的红外能量超过设计阈值后,铂金属触点最终将和接触板连接,实现红外探测器两个输入/输出端的电气连接。

研究人员通过实验证实,通过改变等离子体纳米结构的横向尺寸,可以改变吸收端的吸收波长,使其仅能将特定波长的红外辐射转化为热,从而实现有选择性的光致触发。实验结果还表明,低至500 nW的红外能量即可驱动该机械开关闭合,并且多达上千次开关周期后器件依然可以正常工作。

013ednc20170915 图3 四个零待机功耗红外探测器组成的逻辑电路示意图[1]

此外,研究人员还设想可以将多个具有特定红外吸收峰的机械光开关组合成一个逻辑电路,实现对红外光源光谱信息的识别,从而准确区分不同的红外热源,例如人体、火焰以及各种燃油发动机的尾气等。

该技术促成了一种智能传感器的诞生,它们仅当需要监测的信号出现时才被“唤醒”进入工作状态,在完成数据采集和必要的对外通讯后又可恢复到近零功耗的休眠状态,节省了传统传感器在待机过程中的电量消耗。这一科研项目的主要完成人,博士后研究员Zhenyun Qian告诉麦姆斯咨询:“这种基于事件被动触发的新型传感器,可有效延长现有传感器网络的寿命至数十年。”他还补充到:“该技术有望极大地促进物联网的发展,可广泛引用于穿戴设备、无人机、安防、航天探测器等领域,特别是针对那些需要长期实时监测的、事件本身时效性强但又非频繁发生的应用场景。”

本文消息来源:Nature Nanotechnology, Northeastern University

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