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

美國東北大學的研究人員發(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)行感應任務時自動運轉(zhuǎn)，然后在不需要工作時自動關閉（利于節(jié)能并延長壽命）。該項研究發(fā)表在《自然納米技術》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/《自然納米技術》Nature Nanotechnology）

該裝置屬于事件驅(qū)動型傳感器。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）時才會啟動。而且只有啟動時，它才會耗能。

美國東北大學的助理教授Matteo Rinaldi解釋，當紅外光照射到該裝置時，就會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。這樣就會提高敏感元件的溫度，導致其由于熱膨脹而彎曲并接觸到一起，進而實現(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），進而導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械轉(zhuǎn)換開關，從監(jiān)測信號中獲取能量（即對特定波長紅外光的吸收）。等離子體在機械轉(zhuǎn)換開關的光吸收過程中起著關鍵作用。等離子體是指在金屬表面存在的自由振動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)構中才能實現(xiàn)強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設定的較窄波長范圍內(nèi)的光觸發(fā)。此外，基于可設定的光吸收特性，同一個芯片上的多個開關可以被不同波長的光觸發(fā)，進而探測并識別不同的光譜信號。”

由于可以探測出具有特定強度和波長的紅外輻射，Rinaldi團隊將其研發(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)變成啟動信號，而且在待機時不消耗任何能量。

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

要想實現(xiàn)商業(yè)化，傳感器的真空包裝是非常關鍵的。因為它們需要真空的操作條件，實現(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，在待機時幾乎不耗電（僅需2.6nW）。Rinaldi表示，“目前，我們的裝置在很多應用中已經(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，就可以進一步拓展其應用。”