Højfølsomme mikrosensorer i horisonten

Trådløse mikrosensorer har muliggjort nye måder at overvåge vores miljø på ved at give brugerne mulighed for at måle rum, der tidligere var ude af grænser for forskning, såsom giftige områder, køretøjskomponenter, eller fjerntliggende områder i menneskekroppen. Forskere, imidlertid, er blevet forhindret af begrænsede forbedringer i kvaliteten af ​​data og følsomhed af disse enheder, der stammer fra udfordringer forbundet med de miljøer, de opererer i, og behovet for sensorer med ekstremt små fodspor.

Et nyt blad udgivet i dag i Naturelektronik af forskere ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved The Graduate Center ved City University of New York, Wayne State University, og Michigan Technological University, forklarer, hvordan nye enheder med egenskaber langt ud over konventionelle sensorer kan bygges ved at låne koncepter fra kvantemekanikken.

Holdet, ledet af Andrea Alù, direktør for ASRC's Photonics Initiative og Einstein professor i fysik ved The Graduate Center, og Pai-Yen Chen, professor ved Wayne State University, udviklet en ny teknik til at designe mikrosensorer, der giver mulighed for væsentligt forbedret følsomhed og et meget lille fodaftryk. Deres metode involverer at bruge isospektral paritet-tid-reciprok skalering, eller PTX symmetri, at designe de elektroniske kredsløb. En 'læser' er parret med en passiv mikrosensor, der opfylder denne PTX-symmetri. Parret opnår meget følsomme radiofrekvensaflæsninger.

"I presset på at miniaturisere sensorerne for at forbedre deres opløsning og muliggøre store netværk af sensorenheder, forbedring af mikrosensorers følsomhed er afgørende, " sagde Alù. "Vores tilgang imødekommer dette behov ved at introducere en generaliseret symmetritilstand, der muliggør aflæsninger af høj kvalitet i et miniaturiseret fodaftryk."

Arbejdet bygger på de seneste fremskridt inden for kvantemekanik og optik, som har vist, at systemer er symmetriske under rum- og tidsinversion, eller paritetstid (PT) symmetrisk, kan give fordele for sensordesign. Artiklen generaliserer denne egenskab til en bredere klasse af enheder, der opfylder en mere generel form for symmetri - PTX-symmetri. Denne type symmetri, er særligt velegnet til at opretholde høj følsomhed, samtidig med at fodaftrykket reduceres drastisk.

Forskerne var i stand til at vise dette fænomen i et telemetrisk sensorsystem baseret på et radiofrekvent elektronisk kredsløb, som udviste drastisk forbedret opløsning og følsomhed sammenlignet med konventionelle sensorer. De mikroelektromekaniske (MEMS)-baserede trådløse tryksensorer deler følsomhedsfordelene fra tidligere PT-symmetriske enheder, men altafgørende tillader den generaliserede symmetritilstand både enhedsminiaturisering og muliggør en effektiv realisering ved lave frekvenser i et kompakt elektronisk kredsløb.

Denne nye tilgang kan give forskere mulighed for at overvinde de nuværende udfordringer med at implementere allestedsnærværende netværk af langvarige, diskrete mikrosensorer til at overvåge store områder. I en tid med tingenes internet og big data, sådanne netværk er nyttige til trådløs sundhed, smarte byer, og cyber-fysiske systemer, der dynamisk samler og lagrer store mængder information til eventuel analyse.

"Udvikling af trådløse mikrosensorer med høj følsomhed er et af de store udfordrende spørgsmål til praktisk brug i bioimplantater, bærbar elektronik, internet-of-things, og cyberfysiske systemer, " sagde Chen. "Mens der har været kontinuerlige fremskridt inden for miniature mikrobearbejdede sensorer, det grundlæggende i telemetrisk udlæsningsteknik forbliver stort set uændret siden opfindelsen. Denne nye telemetri-tilgang vil muliggøre det længe søgte mål med succes at detektere lille fysisk eller kemisk aktivering fra kontaktløse mikrosensorer."