為物聯(lián)網(wǎng)應用而生的零功耗紅外探測器

目前，先進的傳感器技術都依賴于有源電子器件來進行信號采集和處理。為了能夠及時捕捉到周圍環(huán)境中有意義的信號，如特定的震動、聲音或光譜等，這些傳感器必須時刻處于工作狀態(tài)。這種無論被測信號是否出現(xiàn)都持續(xù)耗電的工作特性，極大地限制了單個傳感器的壽命，進而顯著增加了整個傳感器網(wǎng)絡（或物聯(lián)網(wǎng)）因周期性更換電池而帶來的維護成本，甚至限制了在偏遠地域或者有潛在危險的地區(qū)布置傳感器的可能性。據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國東北大學（Northeastern University）教授Matteo Rinaldi領導的一個科研團隊近期研發(fā)出了一款零功耗紅外探測器。這款零功耗紅外探測器能夠在有意義的被測信號出現(xiàn)前，保持零功耗的休眠狀態(tài)，在紅外特征信號到達器件后利用其本身攜帶的能量來驅(qū)動一個熱敏微機械開關，進而接通負載電路開始工作，以實現(xiàn)整個傳感器節(jié)點僅在特定紅外光譜出現(xiàn)時被“喚醒”。

圖1 零功耗紅外探測器結(jié)構示意圖[1]這款零功耗紅外探測器本質(zhì)上是基于一種微機械光開關技術，美國東北大學的研究人員稱之為“等離子體增強微機械光開關（Plasmonically-enhanced Micromechanical Photoswitches）”。該器件的設計巧妙地利用了等離子體超材料、光學、熱傳導、力學、微機械加工等物理原理和工程技術。如圖1所示，其微結(jié)構包含兩個對稱釋放的懸臂，每個懸臂包含一個吸收端（Absorbing head）或反射端（Reflecting head），一對用于執(zhí)行驅(qū)動的熱敏雙材料內(nèi)臂，一對用于溫度和應力補償?shù)耐耆嗤碾p材料外臂，以及一對連接內(nèi)外臂的絕熱導線。等離子體紅外吸收端為金屬-絕緣體-金屬組成的三明治堆疊結(jié)構，上層為通過光刻控制線寬的等離子體納米結(jié)構（50nm 金貼片），中間層為100nm二氧化硅介電層，下層為100nm鉑反射層。吸收端上還包含一個高硬度的碗狀鉑金屬觸點，與該器件的一輸入/輸出端電氣相連。而在另一個懸臂上的反射端上則有一個金屬接觸板連接器件的另一輸入/輸出端。鉑金屬觸點和接觸板之間的距離約為500nm。

圖2 美國東北大學研發(fā)的零功耗紅外探測器的等離子紅外吸收區(qū)和金屬開關觸點的細節(jié)特寫（掃描電鏡偽色圖）。圖片來源：美國東北大學NS&NS實驗室紅外輻射在被等離子體吸收端吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，該熱能傳導至熱敏雙材料內(nèi)臂，使之溫度升高發(fā)生形變向下彎曲，從而帶動上述鉑金屬觸點向下移動。當被吸收的紅外能量超過設計閾值后，鉑金屬觸點最終將和接觸板連接，實現(xiàn)紅外探測器兩個輸入/輸出端的電氣連接。研究人員通過實驗證實，通過改變等離子體納米結(jié)構的橫向尺寸，可以改變吸收端的吸收波長，使其僅能將特定波長的紅外輻射轉(zhuǎn)化為熱，從而實現(xiàn)有選擇性的光致觸發(fā)。實驗結(jié)果還表明，低至500 nW的紅外能量即可驅(qū)動該機械開關閉合，并且多達上千次開關周期后器件依然可以正常工作。

圖3 四個零功耗紅外探測器組成的邏輯電路示意圖[1]此外，研究人員還設想可以將多個具有特定紅外吸收峰的機械光開關組合成一個邏輯電路，實現(xiàn)對紅外光源光譜信息的識別，從而準確區(qū)分不同的紅外熱源，例如人體、火焰以及各種燃油發(fā)動機的尾氣等。該技術促成了一種智能傳感器的誕生，它們僅當需要監(jiān)測的信號出現(xiàn)時才被“喚醒”進入工作狀態(tài)，在完成數(shù)據(jù)采集和必要的對外通訊后又可恢復到近零功耗的休眠狀態(tài)，節(jié)省了傳統(tǒng)傳感器在待機過程中的電量消耗。這一科研項目的主要完成人，博士后研究員Zhenyun Qian告訴麥姆斯咨詢：“這種基于事件被動觸發(fā)的新型傳感器，可有效延長現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡的壽命至數(shù)十年?！彼€補充到：“該技術有望極大地促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可廣泛引用于穿戴設備、無人機、安防、航天探測器等領域，特別是針對那些需要長期實時監(jiān)測的、事件本身時效性強但又非頻繁發(fā)生的應用場景?！贝搜芯坑擅绹鴩栏叩妊芯坑媱澥穑―ARPA）于2015年底啟動的N-ZERO項目（近零功耗射頻和傳感技術）提供經(jīng)費支持，主要成果已于近期發(fā)表在科技期刊Nature Nanotechnology上：[1] Z. Qian, S. Kang, V. Rajaram, C. Cassella, N. E. McGruer, and M. Rinaldi, “Zero Power Infrared Digitizers Based on Plasmonically-enhanced Micromechanical Photoswitches”, Nature Nanotechnology, http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2017.147本文消息來源：Nature Nanotechnology, Northeastern University