如今，小型化已經(jīng)成為電子器件最重要的發(fā)展趨勢之一，電子元器件的設計尺寸已縮小至納米級別。近日，美國康奈爾大學制造納米電子產(chǎn)品的研究人員開發(fā)出一款微型傳感器，一美分硬幣的一面可以容納三萬個這樣的傳感器。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、太陽能電池和發(fā)光二極管（LED），從而可以吸收光線來供電以及通信。因為它們可以量產(chǎn)制造（在8英寸的晶圓上多達1百萬個），所以每個傳感器的成本不足一美分。

該項成果以“采用光學無線集成電路的微型傳感器（Microscopic Sensors Using Optical Wireless Integrated Circuits）”為題，發(fā)表在《美國科學院院報（PNAS）》雜志上。

技術

物理科學系教授 Paul McEuen 和電氣與計算機工程系副教授 Alyosha Molnar 領導了這項合作。他們與論文領導作者、康奈爾大學的博士后 Alejandro Cortese 一起設計了一個平臺，來并行生產(chǎn)這種光學無線集成電路（OWICs）。這款微型傳感器的尺寸只有100微米（1微米等于1百萬分之一米），在人眼看來只是非常微小的斑點。

這些OWICs的集合對于肉眼來說隱約可見。

McEuen 表示：“某種意義上，打造諸如此類的微型傳感器，是一個老舊的想法。但是我們將它的尺寸又縮小了一個數(shù)量級。許多時候，當人們制造這些微型傳感器時，他們用手工將這些傳感器全部連接到一起。你這樣無法一次完成一百萬個。所以我們克制自己說，我們不會這么做，除非我們可以一次完成一百萬個。”

從本質上說，OWICs 就是配備專門應用程序的草履蟲大小的智能手機。但是，研究人員并不是依靠像手機那樣累贅的無線射頻技術，而是采用光線作為一個潛在的能源和通信媒介。

下圖展示了一個具有電壓感知功能的 OWIC 內置在一美分硬幣背面的林肯紀念堂圖像中，以及 OWIC 元件的示意圖。

圖片來源：Alejandro Cortese

McEuen 表示，在納米技術領域，將這些微型電路放到硅晶圓上相對簡單，但添加 LED 卻是一個特殊的挑戰(zhàn)，因為它們是由一種不同的材料（砷化鎵）制成。為了將 LED 轉移到具有電氣元件的晶圓上并集成它們，研究人員開發(fā)了一個復雜的裝配方法，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，在這個尺度上，你無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納米和微米尺度的直覺。”

一旦 OWICs 從它們的硅基底上釋放出來，就可以用在活體組織以及微流控系統(tǒng)等難以到達的環(huán)境中，測量諸如電壓和溫度之類的輸入。例如，當配備一個神經(jīng)傳感器時，它們能夠非侵入性地記錄身體中的神經(jīng)信號，并通過LED閃爍一個編碼的信號來傳輸結果。

作為概念的證明，團隊與應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 OWIC 和一個溫度傳感器嵌入到大腦組織中，并無線地傳送結果。

價值

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)通過技術許可中心申請了一項專利。這項技術首個應用，是創(chuàng)造可粘貼在產(chǎn)品上的電子標簽，來幫助識別產(chǎn)品。

這種低成本的微型 OWICs 有望開啟新一代能耗更低同時可追蹤更復雜現(xiàn)象的傳感器。

Cortese 表示：“這篇論文中的電路相當簡單。但是你能夠潛在地將數(shù)千個晶體管放到這些設備中的某一個上面。這意味著你可以擴大設備可感知的物品范圍，改善設備與外界的通信方式，或者完成更復雜的任務。我們以一種平臺的形式來開發(fā)，使得許多人有空間去開發(fā)新的設備、新的應用。”

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