當(dāng)今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多新品傳感器被研制出來(lái)。前段時(shí)間，美國(guó)康奈爾大學(xué)的相關(guān)研究人員表示，康奈爾大學(xué)的研究人員正式研制出了一款微型傳感器。這款傳感器十分的小，三萬(wàn)個(gè)這樣的傳感器可容納在一美分硬幣的一面上。

背景

如今，小型化已經(jīng)成為電子器件最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一，電子元器件的設(shè)計(jì)尺寸已縮小至納米級(jí)別。先前，筆者介紹過(guò)電子器件小型化方面的許多創(chuàng)新成果，接下來(lái)通過(guò)三個(gè)典型的例子回顧一下：

1)美國(guó)加州理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出的新型光學(xué)陀螺儀

該光學(xué)陀螺儀的尺寸小于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)陀螺儀設(shè)備的五百分之一，檢測(cè)到的相位移動(dòng)小于那些系統(tǒng)所檢測(cè)到的三十分之一。

2)德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所與馬克斯普朗克固體研究所合作開(kāi)發(fā)出的新型量子傳感器。

該傳感器本身只比氮原子稍大一點(diǎn)，并采用人造鉆石作為基底，不久將可用于測(cè)量下一代硬盤(pán)的微弱磁場(chǎng)。

3)瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)與德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)以及位于亞琛的研究機(jī)構(gòu) AMO GmbH 的研究人員們采用石墨烯研制出的小型加速度計(jì)。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)康奈爾大學(xué)制造納米電子產(chǎn)品的研究人員開(kāi)發(fā)出一款微型傳感器，一美分硬幣的一面可以容納三萬(wàn)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(yáng)能電池和發(fā)光二極管(LED)，從而可以吸收光線來(lái)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(wàn)個(gè))，所以每個(gè)傳感器的成本不足一美分。

該團(tuán)隊(duì)的論文標(biāo)題為：“采用光學(xué)無(wú)線集成電路的微型傳感器(Microscopic Sensors Using Optical Wireless Integrated Circuits)”發(fā)表在《美國(guó)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(tái)，來(lái)并行生產(chǎn)這種光學(xué)無(wú)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(wàn)分之一米)，在人眼看來(lái)只是非常微小的斑點(diǎn)。

McEuen 表示：“某種意義上，打造諸如此類(lèi)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(jí)。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(wú)法一次完成一百萬(wàn)個(gè)。所以我們克制自己說(shuō)，我們不會(huì)這么做，除非我們可以一次完成一百萬(wàn)個(gè)?！?

從本質(zhì)上說(shuō)，OWICs 就是配備專門(mén)應(yīng)用程序的草履蟲(chóng)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(wú)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。

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(duì)簡(jiǎn)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(kāi)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(wú)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(jué)。”

一旦 OWICs 從它們的硅基底上釋放出來(lái)，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(cè)量諸如電壓和溫度之類(lèi)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(hào)，并通過(guò)LED閃爍一個(gè)編碼的信號(hào)來(lái)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(wú)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(guò)技術(shù)許可中心申請(qǐng)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(lái)幫助識(shí)別產(chǎn)品。

這種低成本的微型 OWICs 有望開(kāi)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(jiǎn)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(tái)的形式來(lái)開(kāi)發(fā)，使得許多人有空間去開(kāi)發(fā)新的設(shè)備、新的應(yīng)用?！?