新型纳米器件提供类似猫的“听力”

admin 2018-05-14

原子层薄的鼓面纳米机电谐振器(由MoS2半导体晶体的原子层制成)的运动的超灵敏光学询问的例证。

凯斯西储大学的研究人员正在开发原子级薄的“鼓面”,能够在远远超过人耳所能听到的射频范围内接收和发射信号。

但是鼓面的体积是数十万亿次(10次之后是12个零),体积比人耳鼓薄10万倍。

这些进展可能有助于使下一代超低功耗通信和传感设备更小,并具有更高的检测和调谐范围。

“感知和交流是互联世界的关键,”电气工程和计算机科学副教授兼通讯作者Philip Feng在3月30日发表在Science Advances杂志上的文章中说。 “近几十年来,我们一直与高度小型化的设备和系统相连接,我们一直在追求这些设备不断缩小的尺寸。”

小型化带来的挑战:同时实现更广泛的动态检测范围,对于小信号作为声音,振动和无线电波

但鼓膜的体积比人类鼓膜小几十万亿次(10次,然后是12个零),人体耳膜的动态范围和频带比较较小,其他动物,以及原子级薄鼓面。

“最终,我们需要能够处理信号的传感器,而不会在'信号天花板'(未失真信号的最高电平)和'本底噪声'(最低可检测电平)两方面都丢失或损害信息,”Feng说。

虽然这项工作并未针对目前市场上的特定设备,但研究人员表示,这项工作集中于测量,限制和缩放,这对于所有换能器都很重要。

这些传感器可能会在未来十年开发,但现在,冯和他的团队已经展示了其关键部件 - 原子层鼓面或谐振器 - 的最小规模的能力。

该工作代表了这类振动传感器报道的最高动态范围。迄今为止,该范围只能通过大得多的较低频率的传感器获得,例如像人类耳膜一样。

“我们在这里所做的是表明一些最终小型化,原子级薄的机电鼓室谐振器可以在高达120MHz以上的无线电频率(RF)下提供高达〜110dB的非常宽的动态范围,”Feng说。 “RF的这些动态范围与音频频带中人类听觉能力的广泛动态范围相当。”

新动态标准

冯说,所有感官系统的关键 - 从动物的自然感觉功能到工程中的复杂设备 - 都是理想的动态范围。

动态范围是信号上限与本底噪声之间的比率,通常以分贝(dB)为单位进行测量。在10Hz到10kHz的范围内,人类鼓膜通常具有约60到100dB的动态范围,并且我们的听力在该频率范围之外迅速降低。

其他动物,如普通家猫或白鲸(参见图解),可以在高频段具有可比较的甚至更宽的动态范围。

由Feng和他的团队开发的振动纳米级鼓面由半导体晶体(单层,双层,三层和四层MoS2薄片,厚度分别为0.7,1.4,2.1和2.8纳米)的原子层组成,直径仅约1微米。

他们通过剥离大块半导体晶体中的单个原子层并使用纳米加工和显微操作技术的组合将原子层悬浮在预先限定在硅晶片上的微腔中,然后制造与器件的电接触来构建它们。

此外,在Case Western Reserve进行测试的这些原子级薄的RF谐振器表现出优异的频率“可调性”,这意味着它们的音色可以通过使用静电力拉伸鼓膜膜来操纵,类似于管弦乐队中更大的乐器中的声音调节,Feng说过。

该研究还表明,这些令人难以置信的小鼓头只需要高达纳瓦(nW,10 ^ -9瓦)水平的RF功率的picoWatt(pW,10 ^ -12瓦)以维持其高频振荡。

“不仅具有如此小的体积和质量的令人惊讶的大动态范围,而且它们也是节能且非常”安静“的设备,”Feng说,“我们'非常仔细地倾听'他们,并且非常温和'和他们交谈'。 ”

该论文的合着者是:Case Western Reserve博士后研究助理Jaesung Lee;曾任中国电子科技大学电子科技大学前研究员王增辉,中国成都; Keliang He,原物理研究生,现在是Nvidia的高级工程师; Rui Yang,前研究生,现在是斯坦福大学的博士后学者;以及康奈尔大学凯斯西储大学前物理学教授杰山。

这项工作得到了美国国家工程院Grainger基金会工程师前沿奖(资助:FOE 2013-005)和国家科学基金会CAREER奖(资助:ECCS-1454570)的资助。

出版物:Jaesung Lee等人,“Electrically tunable single-and-layer MoS2 nanoelectromechanical systems with broad dynamic range,”Science Advances,30 Mar 2018:Vol。 4,没有。 3,eaao6653; DOI:10.1126 / sciadv.aao6653


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