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無線微傳感器通過允許用戶測量以前不受研究限制的空間(例如有毒區(qū)域,車輛組件或人體中的偏遠區(qū)域),啟用了監(jiān)控環(huán)境的新方法。然而,研究人員因數(shù)據(jù)質量的有限改善和這些設備的靈敏度而受到阻礙,這些設備源于與其運行環(huán)境相關的挑戰(zhàn)以及對占地面積極小的傳感器的需求。
紐約城市大學研究生中心,韋恩州立大學和密歇根理工大學高級科學研究中心(ASRC)的研究人員今天在Nature Electronics上發(fā)表的一篇新論文解釋了具有遠遠超出傳統(tǒng)傳感器可以通過借用量子力學的概念來構建。
由ASRC光子學倡議主任AndreaAlù和研究中心物理學教授Einstein領導的團隊和Wayne State University教授Pai-Yen Chen領導的團隊開發(fā)了一種設計微傳感器的新技術,可以顯著提高靈敏度和占地面積很小。他們的方法涉及使用等譜奇偶校驗時間倒數(shù)縮放或PTX對稱來設計電子電路。“讀取器”與滿足此PTX對稱性的無源微傳感器配對。該對實現(xiàn)了高靈敏度的射頻讀數(shù)。
“為了使傳感器小型化以提高其分辨率并實現(xiàn)大規(guī)模傳感設備網絡,提高微傳感器的靈敏度至關重要,”Alù說。“我們的方法通過引入廣義對稱條件來滿足這一需求,該條件能夠在小型化的足跡中實現(xiàn)高質量讀數(shù)。”
這項工作建立在量子力學和光學領域的最新進展基礎上,這些研究表明,在空間和時間反演下對稱的系統(tǒng),或奇偶時間(PT)對稱,可能為傳感器設計提供優(yōu)勢。本文將此屬性推廣到更廣泛的設備類別,滿足更一般的對稱形式-PTX對稱性。這種對稱性特別適合保持高靈敏度,同時大幅減少占地面積。
研究人員能夠在基于射頻電子電路的遙測傳感器系統(tǒng)中顯示這種現(xiàn)象,與傳統(tǒng)傳感器相比,該系統(tǒng)顯示出顯著提高的分辨率和靈敏度?;谖C電(MEMS)的無線壓力傳感器具有先前PT對稱器件的靈敏度優(yōu)勢,但關鍵的是,廣義對稱條件允許器件小型化并且能夠在緊湊的電子電路中在低頻下實現(xiàn)有效實現(xiàn)。
這種新方法可以使研究人員克服目前在部署無處不在的,不引人注目的微傳感器無處不在的網絡中的挑戰(zhàn),以監(jiān)測大面積區(qū)域。在物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)時代,這種網絡對于無線健康,智能城市和網絡物理系統(tǒng)非常有用,這些系統(tǒng)可以動態(tài)收集和存儲大量信息,以便進行最終分析。
“開發(fā)具有高靈敏度的無線微傳感器是生物植入物,可穿戴電子產品,物聯(lián)網和網絡物理系統(tǒng)中實際應用的主要挑戰(zhàn)之一,”Chen說。“雖然微型微加工傳感器一直在不斷發(fā)展,但遙測讀出技術的基礎仍然保持不變,因為它的發(fā)明。這種新的遙測方法將成為長期追求的目標,即成功檢測非接觸式微傳感器的微小物理或化學驅動“。
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