采用光学无线集成电路的微型传感器研发，尺寸只有100微米

如今，小型化已经成为电子器件最重要的发展趋势之一，电子元器件的设计尺寸已缩小至纳米级别。近日，美国康奈尔大学制造纳米电子产品的研究人员开发出一款微型传感器，一美分硬币的一面可以容纳三万个这样的传感器。除了尺寸非常小之外，这些传感器还有许多地方引人注目。它们配备有集成电路、太阳能电池和发光二极管（LED），从而可以吸收光线来供电以及通信。因为它们可以量产制造（在8英寸的晶圆上多达1百万个），所以每个传感器的成本不足一美分。

该项成果以“采用光学无线集成电路的微型传感器（Microscopic Sensors Using Optical Wireless Integrated Circuits）”为题，发表在《美国科学院院报（PNAS）》杂志上。

技术

物理科学系教授 Paul McEuen 和电气与计算机工程系副教授 Alyosha Molnar 领导了这项合作。他们与论文领导作者、康奈尔大学的博士后 Alejandro Cortese 一起设计了一个平台，来并行生产这种光学无线集成电路（OWICs）。这款微型传感器的尺寸只有100微米（1微米等于1百万分之一米），在人眼看来只是非常微小的斑点。

这些OWICs的集合对于肉眼来说隐约可见。

McEuen 表示：“某种意义上，打造诸如此类的微型传感器，是一个老旧的想法。但是我们将它的尺寸又缩小了一个数量级。许多时候，当人们制造这些微型传感器时，他们用手工将这些传感器全部连接到一起。你这样无法一次完成一百万个。所以我们克制自己说，我们不会这么做，除非我们可以一次完成一百万个。”

从本质上说，OWICs 就是配备专门应用程序的草履虫大小的智能手机。但是，研究人员并不是依靠像手机那样累赘的无线射频技术，而是采用光线作为一个潜在的能源和通信媒介。

下图展示了一个具有电压感知功能的 OWIC 内置在一美分硬币背面的林肯纪念堂图像中，以及 OWIC 元件的示意图。

图片来源：Alejandro Cortese

McEuen 表示，在纳米技术领域，将这些微型电路放到硅晶圆上相对简单，但添加 LED 却是一个特殊的挑战，因为它们是由一种不同的材料（砷化镓）制成。为了将 LED 转移到具有电气元件的晶圆上并集成它们，研究人员开发了一个复杂的装配方法，包括15层以上的光刻法、30种不同的材料以及100多个步骤。

Cortese 表示：“许多人都在较大的尺度上工作，在这种尺度上，你可以捡起东西，用肉眼看到并触摸它们。这里的情况却不是如此，在这个尺度上，你无法看到你正在做的事情，除非你使用显微镜。所以，你必须真正地获得有关纳米和微米尺度的直觉。”

一旦 OWICs 从它们的硅基底上释放出来，就可以用在活体组织以及微流控系统等难以到达的环境中，测量诸如电压和温度之类的输入。例如，当配备一个神经传感器时，它们能够非侵入性地记录身体中的神经信号，并通过LED闪烁一个编码的信号来传输结果。

作为概念的证明，团队与应用和工程物理系教授、论文合著者之一的 Chris Xu 一起合作，成功地将一个 OWIC 和一个温度传感器嵌入到大脑组织中，并无线地传送结果。

价值

McEuen、Molnar 和 Cortese 创办了他们自己的公司 OWiC Technologies，以使微型传感器走向商业化。他们已经通过技术许可中心申请了一项专利。这项技术首个应用，是创造可粘贴在产品上的电子标签，来帮助识别产品。

这种低成本的微型 OWICs 有望开启新一代能耗更低同时可追踪更复杂现象的传感器。

Cortese 表示：“这篇论文中的电路相当简单。但是你能够潜在地将数千个晶体管放到这些设备中的某一个上面。这意味着你可以扩大设备可感知的物品范围，改善设备与外界的通信方式，或者完成更复杂的任务。我们以一种平台的形式来开发，使得许多人有空间去开发新的设备、新的应用。”

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