传感器|美国DARPA“近零”项目再次取得突破,研制出能够监测多个红外波长、待机功耗几乎为零的传感器

9月，美国东北大学的研究人员在电子和计算工程副教授Matteo Rinaldi的领导下，完成了美国国防先期研究计划局（DARPA）“近零”（N-ZERO）项目所希冀的高难度研究目标，研制出一个被称为“等离子增强微机械光开关”的器件，研究成果发表在9月11日的《自然纳米技术》杂志上。

图为多特定波长传感器阵列显微照片

这是任务。实现一个微型传感器，能够探测热排气管、木头着火、甚至人体的红外波长特征；平时处于沉睡和无人照看状态，但其实时刻警戒着，并可在长达数年的警戒状态中不消耗任何电量；一旦监测到感兴趣的信号，能够触发信号的发出，对士兵、消防员和其他人员形成预警。这是情报、侦察和监视（ISR）技术的一种，能够增加态势感知，并减少对没电电池的更换，减少这一潜在危险维护任务的需要。

DARPA微系统技术办公室N-ZERO项目主任Troy Olsson表示：“东北大学研制的红外传感器技术真正有意思的地方在于，与传统传感器不同，当要检测的红外波长未出现时其待机功耗为零；当这些红外波长出现时，会被东北大学的红外传感器的红外源能量感知元件所捕获，随之引发重要传感器元件的物理移动。这些移动导致开路电路元件的机械性关闭，因此实现对IR信号的探测。”

新研制的传感器有一个纳米阵列的网格组成，其特殊的尺寸限制了只吸收特定红外波长。Rinaldi解释道：“这些基于电荷的激励，被称为等离激元（可以被想象为有些像在水表面的涟漪），主要局限在纳米级阵列下，并且有效地将特定波长的光诱捕在超薄结构中，包括在其温度中大幅和快速的变化。”这些温度峰值，反过来，带来一个在电路中积累事件的上行序列，完成传感器其他部分的形变。

Olsson表示：“该技术以多个感知元件为特征——每一个用于吸收特定IR波长。这些共同组成了能够分析红外光谱的复杂逻辑电路，为该传感器的实现铺平了道路，不仅仅检测环境中红外的能量，也能够指出这些能量是来自车辆、火、人或其他红外源。”

以从其所发出的红外光谱来区分车辆为例。燃烧汽油或柴油的发动机在其排放出的气体中释放出特殊的化合物，包括CO2、CO、H2O、各种氮氧化物和硫氧化物（NOx和SOx）及甲烷等碳氢化合物。参与N-ZERO项目的Zhenyun Qian解释说：“坦克、汽车或飞机等热排气管排放出的加热气体的红外发射谱自身就具有一个与车辆类型相关的特征。”

N-ZERO项目的主要目标是研发基础技术，以研发出更新和更多用于保卫国家安全的传感器系统。东北大学研究团队在其论文中指出，随着物联网拓展到包括从汽车到应用，再到远程部署的传感器等在内的数千亿设备，同样的技术将在接下来的几年内变得重要。论文预测道：“该仅在有用信息出现时消耗功率的能力将为无人值守传感器带来近乎无限的待机寿命，这些传感器可用于部署监测偶发但时间要求严格的事件，对于物联网的发展也有开创性的影响。”

Zero Power Infrared Digitizers Based on Plasmonically-enhanced Micromechanical Photoswitches Nature Nanotechnology (2017)   doi:10.1038/nnano.2017.147

2017年6月，DARPA已经能够创建能够检测非常弱的信号的零功率接收器-小于70分贝-毫瓦级射频（RF）传输，这一措施优于原来的预期。

2016年7月 DARPA“近零”项目第一阶段进展顺利，加州大学研制的地面压力传感器功耗仅10纳瓦。