目前，先進(jìn)的傳感器技術(shù)都依賴于有源電子器件來進(jìn)行信號(hào)采集和處理。為了能夠及時(shí)捕捉到周圍環(huán)境中有意義的信號(hào)，如特定的震動(dòng)、聲音或光譜等，這些傳感器必須時(shí)刻處于工作狀態(tài)。這種無論被測(cè)信號(hào)是否出現(xiàn)都持續(xù)耗電的工作特性，極大地限制了單個(gè)傳感器的壽命，進(jìn)而顯著增加了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)（或物聯(lián)網(wǎng)）因周期性更換電池而帶來的維護(hù)成本，甚至限制了在偏遠(yuǎn)地域或者有潛在危險(xiǎn)的地區(qū)布置傳感器的可能性。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國東北大學(xué)（Northeastern University）教授Matteo Rinaldi領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)近期研發(fā)出了一款零功耗紅外探測(cè)器。這款零功耗紅外探測(cè)器能夠在有意義的被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)前，保持零功耗的休眠狀態(tài)，在紅外特征信號(hào)到達(dá)器件后利用其本身攜帶的能量來驅(qū)動(dòng)一個(gè)熱敏微機(jī)械開關(guān)，進(jìn)而接通負(fù)載電路開始工作，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)僅在特定紅外光譜出現(xiàn)時(shí)被“喚醒”。

圖1 零功耗紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖[1]這款零功耗紅外探測(cè)器本質(zhì)上是基于一種微機(jī)械光開關(guān)技術(shù)，美國東北大學(xué)的研究人員稱之為“等離子體增強(qiáng)微機(jī)械光開關(guān)（Plasmonically-enhanced Micromechanical Photoswitches）”。該器件的設(shè)計(jì)巧妙地利用了等離子體超材料、光學(xué)、熱傳導(dǎo)、力學(xué)、微機(jī)械加工等物理原理和工程技術(shù)。如圖1所示，其微結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)對(duì)稱釋放的懸臂，每個(gè)懸臂包含一個(gè)吸收端（Absorbing head）或反射端（Reflecting head），一對(duì)用于執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的熱敏雙材料內(nèi)臂，一對(duì)用于溫度和應(yīng)力補(bǔ)償?shù)耐耆嗤碾p材料外臂，以及一對(duì)連接內(nèi)外臂的絕熱導(dǎo)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(gòu)，上層為通過光刻控制線寬的等離子體納米結(jié)構(gòu)（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(gè)高硬度的碗狀鉑金屬觸點(diǎn)，與該器件的一輸入/輸出端電氣相連。而在另一個(gè)懸臂上的反射端上則有一個(gè)金屬接觸板連接器件的另一輸入/輸出端。鉑金屬觸點(diǎn)和接觸板之間的距離約為500nm。

圖2 美國東北大學(xué)研發(fā)的零功耗紅外探測(cè)器的等離子紅外吸收區(qū)和金屬開關(guān)觸點(diǎn)的細(xì)節(jié)特寫（掃描電鏡偽色圖）。圖片來源：美國東北大學(xué)NS&NS實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dòng)上述鉑金屬觸點(diǎn)向下移動(dòng)。當(dāng)被吸收的紅外能量超過設(shè)計(jì)閾值后，鉑金屬觸點(diǎn)最終將和接觸板連接，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器兩個(gè)輸入/輸出端的電氣連接。研究人員通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過改變等離子體納米結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)有選擇性的光致觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，低至500 nW的紅外能量即可驅(qū)動(dòng)該機(jī)械開關(guān)閉合，并且多達(dá)上千次開關(guān)周期后器件依然可以正常工作。

圖3 四個(gè)零功耗紅外探測(cè)器組成的邏輯電路示意圖[1]此外，研究人員還設(shè)想可以將多個(gè)具有特定紅外吸收峰的機(jī)械光開關(guān)組合成一個(gè)邏輯電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光源光譜信息的識(shí)別，從而準(zhǔn)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(dòng)機(jī)的尾氣等。該技術(shù)促成了一種智能傳感器的誕生，它們僅當(dāng)需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)才被“喚醒”進(jìn)入工作狀態(tài)，在完成數(shù)據(jù)采集和必要的對(duì)外通訊后又可恢復(fù)到近零功耗的休眠狀態(tài)，節(jié)省了傳統(tǒng)傳感器在待機(jī)過程中的電量消耗。這一科研項(xiàng)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(dòng)觸發(fā)的新型傳感器，可有效延長現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命至數(shù)十年?！彼€補(bǔ)充到：“該技術(shù)有望極大地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可廣泛引用于穿戴設(shè)備、無人機(jī)、安防、航天探測(cè)器等領(lǐng)域，特別是針對(duì)那些需要長期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的、事件本身時(shí)效性強(qiáng)但又非頻繁發(fā)生的應(yīng)用場(chǎng)景?！贝搜芯坑擅绹鴩栏叩妊芯坑?jì)劃署（DARPA）于2015年底啟動(dòng)的N-ZERO項(xiàng)目（近零功耗射頻和傳感技術(shù)）提供經(jīng)費(fèi)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