北京大学电子学院:在无线传感领域研究中取得重要进展

无线传感技术可突破物理连接带来的限制，在封闭空间/复杂环境下电网监测、航空航天高端装备、先进/可植入健康医疗以及具身智能/物联网传感网络等场景中具有重要应用价值。基于电感-电容（LC）谐振器的无线传感器具备小型化、低功耗和无电池化潜力，但传统架构受固有损耗限制，难以对微小信号进行远距离、高分辨读出。虽然基于宇称时间对称（PT）的传感架构可提升性能，但其通常依赖平衡增益-损耗、强耦合和精细调谐，并存在响应混叠，特别是在奇异点（EP）附近面临热噪声激增等问题，限制了实际应用。

针对上述难题，北京大学电子学院胡又凡团队与西安交通大学电气学院董天宇团队合作，提出一种非平衡增益与损耗配置的普适非厄米临界点（CP）概念，以及相应的新颖无线传感架构，用于实现微弱信号的高精度、远距离且高信噪比实时无线监测。相较于传统与PT对称架构，该临界点架构体系由于约束条件更为宽松，具备独特且丰富的动力学特性，既可实现超高品质因数与更远的无线探测距离，还能根本解决传感灵敏度、信噪比及耦合强度之间长期存在的权衡制约难题。

实验结果表明，该架构可用于耦合系数传感，解析低至1.92×10-4的耦合系数变化，比PT对称架构的探测极限超出七倍，同时由于耦合系数与特征频率无关，这使得该架构能够有效解耦由电容变化引起的频率响应；另一方面，该架构也可用于微小非对称电容传感，探测小至 2.5×10-5的扰动，对应约0.6飞法的电容变化，比以往报道的结果超出2-3个数量级。

特别地，该架构即便在振动噪声真实复杂环境下，仍可稳定捕捉微小非对称电容变化，实现远距离且实时信号监测。此外，该架构还可拓展至无线电能传输等领域，为高效无线供能提供新思路。该成果将非厄米临界物理引入实用无线电子传感系统，突破传统损耗型架构和PT对称架构在强耦合依赖、参数匹配、响应解耦及噪声鲁棒性方面的限制，为研制高分辨率、高灵敏度和高信噪比的无线电子传感器件与系统提供了新的理论框架和技术方案。

该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、北京大学纳米器件加工平台等的支持。北京大学电子学院博雅博士后马超（现西安交通大学微电子学院副教授、博导）、西安交通大学电气学院博士生殷珂和硕士生张卓玉为共同第一作者，北京大学电子学院长聘副教授胡又凡和西安交通大学电气学院教授董天宇为共同通讯作者。同时，西安交通大学电气学院博士生沙笑因和赖浚安提供了重要技术支持。

图2 不同传感架构示意图

图3 基于CP架构的耦合系数传感特性

图4 基于CP架构的非对称电容传感特性与应用例证

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea6541

来源：北京大学电子学院