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2020-04-24 16:15:22

一枚硬币上装有3万个微型传感器用来传输活体组织的数据

神学家曾经思考过有多少天使可以在一根针的头上跳舞。康奈尔大学的研究人员也不甘示弱,他们制造了纳米级电子产品,并开发出微型传感器。

这些微小的传感器不仅仅是体积小:它们配备了集成电路、太阳能电池和发光二极管(led),使它们能够利用光来发电和通信。而且,由于它们是大规模制造的,一块8英寸的晶圆片上可容纳100万枚芯片,因此每台设备的成本仅为1美分的零头。

研究小组的论文《利用光无线集成电路的微型传感器》于4月17日发表在《美国国家科学院院刊》上。

这项合作由约翰·a·纽曼(John A. Newman)物理科学教授保罗·麦尤恩(Paul McEuen)和电子与计算机工程副教授阿廖沙·莫尔纳(Alyosha Molnar)牵头。与论文的第一作者亚历杭德罗·科尔特斯博士合作。他们设计了一个平行生产他们的光学无线集成电路(OWICs)的平台——100微米大小的微传感器(1微米是一米的百万分之一),对人眼来说只是微小的斑点。

“从某种意义上说,制造这样的微型传感器是一个古老的想法,”McEuen说,他是纳米科学和微系统工程(下一个纳米)工作组的联合主席,该工作组是康奈尔大学激进合作计划的一部分。“但我们把它的尺寸又降低了一个数量级,使之可以大规模制造。很多时候,当人们做这些小玩意儿的时候,他们会用手把它们连在一起。你一次也没有得到一百万。所以我们约束自己,说除非我们能成百万的生产,否则我们不会去做。”

OWICS本质上是可以专门处理应用程序的草履木大小的智能手机。不过,研究人员并没有像手机那样依赖繁琐的无线电频率技术,而是将光视为一种潜在的电源和通信媒介。

McEuen说,在纳米技术领域,在硅片上放置微小的电路相对容易,但是添加led是一个特殊的挑战,因为它们是由不同的材料制成的:砷化镓。为了将发光二极体与电子元件转移到晶圆上并整合,研究人员开发了一种复杂的组装方法,包括15层以上的光刻技术、30种不同的材料和100多个步骤。

“有很多人在更大的尺度上工作,你可以拿起东西,用眼睛看它们,触摸它们。这不是那个,”Cortese说。“除非在显微镜下,否则你根本看不见自己在做什么。”所以你必须对纳米尺度和微观尺度有一个直观的认识。”

一旦OWICs从硅衬底中释放出来,就可以用来测量难以到达的环境中的输入,如电压和温度,比如活组织和微流体系统。例如,一个装配了神经传感器的OWIC将能够无创地记录体内的神经信号,并通过LED闪烁编码信号来传输其结果。

作为概念验证,该团队与应用与工程物理学教授、论文合著者克里斯•许(Chris Xu)的实验室合作,成功地在脑组织中嵌入了一个带有温度传感器的OWIC,并通过无线方式传输了结果。

McEuen、Molnar和Cortese已经成立了自己的公司OWiC Technologies,将这种微型传感器商业化。一项专利申请已经通过技术许可中心提出。第一个应用是创建电子标签,可以将其附加到产品上以帮助识别它们。

这种微小的、低成本的owic可能会产生几代微型传感器,它们在跟踪更复杂的现象时使用更少的能量。

“这张纸上的电路很简单,”Cortese说。“但你可以在这些设备上安装数千个晶体管。这意味着你可以增加设备感知的范围,设备如何对外通信,或者它完成更复杂任务的能力。我们真的把它开发成一个平台,让很多人有空间开发新设备、新应用。”

莫尔纳和徐是康奈尔大学纳米尺度科学科维里研究所的成员,该研究所由麦尤恩领导。

特约作者包括博士生康拉德·斯玛特、迈克尔·雷诺兹、萨曼莎·诺里斯、季艳欣、夏飞、莫文龙和吴春燕;博士后研究员李孙宇、王天宇;以及原子和固体物理实验室的机械车间经理Nathan Ellis。研究人员在康奈尔纳米科技设施的帮助下开发了他们的制造工艺。

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