為了能夠及時(shí)捕捉到周圍環(huán)境中有意義的信號，如特定的震動(dòng)、聲音或光譜等，絕大多數(shù)的傳感器必須時(shí)刻處于工作狀態(tài)。可想而知，這種工作特性會(huì)極大地限制了單個(gè)傳感器的壽命，也為整個(gè)系統(tǒng)帶來了更高的維護(hù)成本。

美國東北大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種基于等離子體的紅外傳感器，它能夠在需要執(zhí)行感應(yīng)任務(wù)時(shí)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后在不需要工作時(shí)自動(dòng)關(guān)閉（利于節(jié)能并延長壽命）。該項(xiàng)研究發(fā)表在《自然納米技術(shù)》期刊上。

圖丨基于等離子體的紅外傳感器（來源：美國東北大學(xué)/《自然納米技術(shù)》Nature Nanotechnology）

該裝置屬于事件驅(qū)動(dòng)型傳感器。一般它是休眠的，但總是處于警惕狀態(tài)，只有在監(jiān)測到特定信號（感興趣信號）時(shí)才會(huì)啟動(dòng)。而且只有啟動(dòng)時(shí)，它才會(huì)耗能。

美國東北大學(xué)的助理教授Matteo Rinaldi解釋，當(dāng)紅外光照射到該裝置時(shí)，就會(huì)被集成型超薄等離子體紅外光吸收器吸收，并轉(zhuǎn)化成熱量。這樣就會(huì)提高敏感元件的溫度，導(dǎo)致其由于熱膨脹而彎曲并接觸到一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測功能。

超薄等離子體紅外光吸收器是由 3 種材料的堆積結(jié)構(gòu)形成：上層是金納米片（50 nm），中間是介質(zhì)層（100 nm），下層是鉑納米片（100 nm）。該納米結(jié)構(gòu)吸收特定波長的電磁波后，高度局域的間隙等離子體被激發(fā)。這些局域等離子體可以有效地把光限制在較窄的介質(zhì)間隙（中間的介質(zhì)層與上下金屬層之間的間隙），進(jìn)而導(dǎo)致吸收器又高又快的溫度增長。

上述金納米片被作為微型的機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)，從監(jiān)測信號中獲取能量（即對特定波長紅外光的吸收）。等離子體在機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)的光吸收過程中起著關(guān)鍵作用。等離子體是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姴āＵ怯捎谶@種特性，在微型結(jié)構(gòu)中才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈且有選擇性的光吸收。

Rinaldi表示，“也正是由于這種特殊的選擇性吸收，我們的裝置才能被預(yù)設(shè)定的較窄波長范圍內(nèi)的光觸發(fā)。此外，基于可設(shè)定的光吸收特性，同一個(gè)芯片上的多個(gè)開關(guān)可以被不同波長的光觸發(fā)，進(jìn)而探測并識(shí)別不同的光譜信號。”

由于可以探測出具有特定強(qiáng)度和波長的紅外輻射，Rinaldi團(tuán)隊(duì)將其研發(fā)的傳感器稱作“紅外數(shù)字化傳感器”。它在探測并辨別紅外輻射后，將其轉(zhuǎn)變成啟動(dòng)信號，而且在待機(jī)時(shí)不消耗任何能量。

這款傳感器可以用于探測侵入的紅外源，比如人體、燃料動(dòng)力汽車等。它還可以用于檢測熱源（比如火焰、爆炸等）， 進(jìn)而觸發(fā)警報(bào)。如果與激光光源結(jié)合起來，該技術(shù)還可用于遠(yuǎn)程控制和通信。在所有這些應(yīng)用場合中，該傳感器都可用作零動(dòng)力觸發(fā)器去啟動(dòng)下一階段的電子設(shè)備（比如無線通訊模組或者更復(fù)雜的傳感和信號處理系統(tǒng)）。

要想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，傳感器的真空包裝是非常關(guān)鍵的。因?yàn)樗鼈冃枰婵盏牟僮鳁l件，實(shí)現(xiàn)高度熱絕緣，從而更好地發(fā)揮其性能。

雖然還存在一些問題，但他們已經(jīng)研制了一款完全靠電池供電的手掌大小的無線紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，在待機(jī)時(shí)幾乎不耗電（僅需2.6nW）。Rinaldi表示，“目前，我們的裝置在很多應(yīng)用中已經(jīng)足夠靈敏（探測極限是500 nW）。不過，如果能夠?qū)崿F(xiàn)更低的探測極限，就可以進(jìn)一步拓展其應(yīng)用。”