如今，小型化已經(jīng)成為電子器件最重要的發(fā)展趨勢之一，電子元器件的設(shè)計(jì)尺寸已縮小至納米級別。近日，美國康奈爾大學(xué)制造納米電子產(chǎn)品的研究人員開發(fā)出一款微型傳感器，一美分硬幣的一面可以容納三萬個(gè)這樣的傳感器。除了尺寸非常小之外，這些傳感器還有許多地方引人注目。它們配備有集成電路、太陽能電池和發(fā)光二極管（LED），從而可以吸收光線來供電以及通信。因?yàn)樗鼈兛梢粤慨a(chǎn)制造（在8英寸的晶圓上多達(dá)1百萬個(gè)），所以每個(gè)傳感器的成本不足一美分。

該項(xiàng)成果以“采用光學(xué)無線集成電路的微型傳感器（Microscopic Sensors Using Optical Wireless Integrated Circuits）”為題，發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)（PNAS）》雜志上。

技術(shù)

物理科學(xué)系教授 Paul McEuen 和電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授 Alyosha Molnar 領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)合作。他們與論文領(lǐng)導(dǎo)作者、康奈爾大學(xué)的博士后 Alejandro Cortese 一起設(shè)計(jì)了一個(gè)平臺，來并行生產(chǎn)這種光學(xué)無線集成電路（OWICs）。這款微型傳感器的尺寸只有100微米（1微米等于1百萬分之一米），在人眼看來只是非常微小的斑點(diǎn)。

這些OWICs的集合對于肉眼來說隱約可見。

McEuen 表示：“某種意義上，打造諸如此類的微型傳感器，是一個(gè)老舊的想法。但是我們將它的尺寸又縮小了一個(gè)數(shù)量級。許多時(shí)候，當(dāng)人們制造這些微型傳感器時(shí)，他們用手工將這些傳感器全部連接到一起。你這樣無法一次完成一百萬個(gè)。所以我們克制自己說，我們不會這么做，除非我們可以一次完成一百萬個(gè)?！?/p>

從本質(zhì)上說，OWICs 就是配備專門應(yīng)用程序的草履蟲大小的智能手機(jī)。但是，研究人員并不是依靠像手機(jī)那樣累贅的無線射頻技術(shù)，而是采用光線作為一個(gè)潛在的能源和通信媒介。

下圖展示了一個(gè)具有電壓感知功能的 OWIC 內(nèi)置在一美分硬幣背面的林肯紀(jì)念堂圖像中，以及 OWIC 元件的示意圖。

圖片來源：Alejandro Cortese

McEuen 表示，在納米技術(shù)領(lǐng)域，將這些微型電路放到硅晶圓上相對簡單，但添加 LED 卻是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兪怯梢环N不同的材料（砷化鎵）制成。為了將 LED 轉(zhuǎn)移到具有電氣元件的晶圓上并集成它們，研究人員開發(fā)了一個(gè)復(fù)雜的裝配方法，包括15層以上的光刻法、30種不同的材料以及100多個(gè)步驟。

Cortese 表示：“許多人都在較大的尺度上工作，在這種尺度上，你可以撿起東西，用肉眼看到并觸摸它們。這里的情況卻不是如此，在這個(gè)尺度上，你無法看到你正在做的事情，除非你使用顯微鏡。所以，你必須真正地獲得有關(guān)納米和微米尺度的直覺?！?/p>

一旦 OWICs 從它們的硅基底上釋放出來，就可以用在活體組織以及微流控系統(tǒng)等難以到達(dá)的環(huán)境中，測量諸如電壓和溫度之類的輸入。例如，當(dāng)配備一個(gè)神經(jīng)傳感器時(shí)，它們能夠非侵入性地記錄身體中的神經(jīng)信號，并通過LED閃爍一個(gè)編碼的信號來傳輸結(jié)果。

作為概念的證明，團(tuán)隊(duì)與應(yīng)用和工程物理系教授、論文合著者之一的 Chris Xu 一起合作，成功地將一個(gè) OWIC 和一個(gè)溫度傳感器嵌入到大腦組織中，并無線地傳送結(jié)果。

價(jià)值

McEuen、Molnar 和 Cortese 創(chuàng)辦了他們自己的公司 OWiC Technologies，以使微型傳感器走向商業(yè)化。他們已經(jīng)通過技術(shù)許可中心申請了一項(xiàng)專利。這項(xiàng)技術(shù)首個(gè)應(yīng)用，是創(chuàng)造可粘貼在產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽，來幫助識別產(chǎn)品。

這種低成本的微型 OWICs 有望開啟新一代能耗更低同時(shí)可追蹤更復(fù)雜現(xiàn)象的傳感器。

Cortese 表示：“這篇論文中的電路相當(dāng)簡單。但是你能夠潛在地將數(shù)千個(gè)晶體管放到這些設(shè)備中的某一個(gè)上面。這意味著你可以擴(kuò)大設(shè)備可感知的物品范圍，改善設(shè)備與外界的通信方式，或者完成更復(fù)雜的任務(wù)。我們以一種平臺的形式來開發(fā)，使得許多人有空間去開發(fā)新的設(shè)備、新的應(yīng)用?！?/p>

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