無(wú)線微傳感器通過允許用戶測(cè)量以前不受研究限制的空間

無(wú)線微傳感器通過允許用戶測(cè)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(yuǎn)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(zhì)量的有限改善和這些設(shè)備的靈敏度而受到阻礙，這些設(shè)備源于與其運(yùn)行環(huán)境相關(guān)的挑戰(zhàn)以及對(duì)占地面積極小的傳感器的需求。

紐約城市大學(xué)研究生中心，韋恩州立大學(xué)和密歇根理工大學(xué)高級(jí)科學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)傳感器可以通過借用量子力學(xué)的概念來(lái)構(gòu)建。

由ASRC光子學(xué)倡議主任AndreaAlù和研究中心物理學(xué)教授Einstein領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)和Wayne State University教授Pai-Yen Chen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種設(shè)計(jì)微傳感器的新技術(shù)，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(yàn)時(shí)間倒數(shù)縮放或PTX對(duì)稱來(lái)設(shè)計(jì)電子電路。“讀取器”與滿足此PTX對(duì)稱性的無(wú)源微傳感器配對(duì)。該對(duì)實(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，提高微傳感器的靈敏度至關(guān)重要，”Alù說。“我們的方法通過引入廣義對(duì)稱條件來(lái)滿足這一需求，該條件能夠在小型化的足跡中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量讀數(shù)。”

這項(xiàng)工作建立在量子力學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展基礎(chǔ)上，這些研究表明，在空間和時(shí)間反演下對(duì)稱的系統(tǒng)，或奇偶時(shí)間(PT)對(duì)稱，可能為傳感器設(shè)計(jì)提供優(yōu)勢(shì)。本文將此屬性推廣到更廣泛的設(shè)備類別，滿足更一般的對(duì)稱形式-PTX對(duì)稱性。這種對(duì)稱性特別適合保持高靈敏度，同時(shí)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(cè)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。基于微機(jī)電(MEMS)的無(wú)線壓力傳感器具有先前PT對(duì)稱器件的靈敏度優(yōu)勢(shì)，但關(guān)鍵的是，廣義對(duì)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(shí)現(xiàn)有效實(shí)現(xiàn)。

這種新方法可以使研究人員克服目前在部署無(wú)處不在的，不引人注目的微傳感器無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)中的挑戰(zhàn)，以監(jiān)測(cè)大面積區(qū)域。在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代，這種網(wǎng)絡(luò)對(duì)于無(wú)線健康，智能城市和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)非常有用，這些系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)收集和存儲(chǔ)大量信息，以便進(jìn)行最終分析。

“開發(fā)具有高靈敏度的無(wú)線微傳感器是生物植入物，可穿戴電子產(chǎn)品，物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)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(cè)讀出技術(shù)的基礎(chǔ)仍然保持不變，因?yàn)樗陌l(fā)明。這種新的遙測(cè)方法將成為長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，即成功檢測(cè)非接觸式微傳感器的微小物理或化學(xué)驅(qū)動(dòng)“。