基于等离子体的红外传感器的工作特性分析

为了能够及时捕捉到周围环境中有意义的信号，如特定的震动、声音或光谱等，绝大多数的传感器必须时刻处于工作状态。可想而知，这种工作特性会极大地限制了单个传感器的寿命，也为整个系统带来了更高的维护成本。

美国东北大学的研究人员发明了一种基于等离子体的红外传感器，它能够在需要执行感应任务时自动运转，然后在不需要工作时自动关闭（利于节能并延长寿命）。该项研究发表在《自然纳米技术》期刊上。

图丨基于等离子体的红外传感器（来源：美国东北大学/《自然纳米技术》Nature Nanotechnology）

该装置属于事件驱动型传感器。一般它是休眠的，但总是处于警惕状态，只有在监测到特定信号（感兴趣信号）时才会启动。而且只有启动时，它才会耗能。

美国东北大学的助理教授Matteo Rinaldi解释，当红外光照射到该装置时，就会被集成型超薄等离子体红外光吸收器吸收，并转化成热量。这样就会提高敏感元件的温度，导致其由于热膨胀而弯曲并接触到一起，进而实现探测功能。

超薄等离子体红外光吸收器是由 3 种材料的堆积结构形成：上层是金纳米片（50 nm），中间是介质层（100 nm），下层是铂纳米片（100 nm）。该纳米结构吸收特定波长的电磁波后，高度局域的间隙等离子体被激发。这些局域等离子体可以有效地把光限制在较窄的介质间隙（中间的介质层与上下金属层之间的间隙），进而导致吸收器又高又快的温度增长。

上述金纳米片被作为微型的机械转换开关，从监测信号中获取能量（即对特定波长红外光的吸收）。等离子体在机械转换开关的光吸收过程中起着关键作用。等离子体是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电波。正是由于这种特性，在微型结构中才能实现强烈且有选择性的光吸收。

Rinaldi表示，“也正是由于这种特殊的选择性吸收，我们的装置才能被预设定的较窄波长范围内的光触发。此外，基于可设定的光吸收特性，同一个芯片上的多个开关可以被不同波长的光触发，进而探测并识别不同的光谱信号。”

由于可以探测出具有特定强度和波长的红外辐射，Rinaldi团队将其研发的传感器称作“红外数字化传感器”。它在探测并辨别红外辐射后，将其转变成启动信号，而且在待机时不消耗任何能量。

这款传感器可以用于探测侵入的红外源，比如人体、燃料动力汽车等。它还可以用于检测热源（比如火焰、爆炸等）， 进而触发警报。如果与激光光源结合起来，该技术还可用于远程控制和通信。在所有这些应用场合中，该传感器都可用作零动力触发器去启动下一阶段的电子设备（比如无线通讯模组或者更复杂的传感和信号处理系统）。

要想实现商业化，传感器的真空包装是非常关键的。因为它们需要真空的操作条件，实现高度热绝缘，从而更好地发挥其性能。

虽然还存在一些问题，但他们已经研制了一款完全靠电池供电的手掌大小的无线红外传感器节点，在待机时几乎不耗电（仅需2.6 nW）。Rinaldi表示，“目前，我们的装置在很多应用中已经足够灵敏（探测极限是500 nW）。不过，如果能够实现更低的探测极限，就可以进一步拓展其应用。”