據麥姆斯咨詢報道，美國東北大學（Northeastern University）教授Matteo Rinaldi上司的一個科研團隊近期研發出了一款零功耗紅外探測器。這款零功耗紅外探測器能夠在有意義的被測信号出現前，保持零功耗的休眠狀态，在紅外特征信号到達器件後利用其本身攜帶的能量來驅動一個熱敏微機械開關，進而接通負載電路開始工作，以實作整個傳感器節點僅在特定紅外光譜出現時被“喚醒”。
圖1 零功耗紅外探測器結構示意圖
這款零功耗紅外探測器本質上是基于一種微機械光開關技術，美國東北大學的研究人員稱之為“等離子體增強微機械光開關（Plasmonically-enhanced Micromechanical Photoswitches）”。該器件的設計巧妙地利用了等離子體超材料、光學、熱傳導、力學、微機械加工等實體原理和工程技術。如圖1所示，其微結構包含兩個對稱釋放的懸臂，每個懸臂包含一個吸收端（Absorbing head）或反射端（Reflecting head），一對用于執行驅動的熱敏雙材料内臂，一對用于溫度和應力補償的完全相同的雙材料外臂，以及一對連接配接内外臂的絕熱導線。等離子體紅外吸收端為金屬-絕緣體-金屬組成的三明治堆疊結構，上層為通過光刻控制線寬的等離子體納米結構（50nm 金貼片），中間層為100nm二氧化矽介電層，下層為100nm鉑反射層。吸收端上還包含一個高硬度的碗狀鉑金屬觸點，與該器件的一輸入/輸出端電氣相連。而在另一個懸臂上的反射端上則有一個金屬接觸闆連接配接器件的另一輸入/輸出端。鉑金屬觸點和接觸闆之間的距離約為500nm。
圖2 美國東北大學研發的零功耗紅外探測器的等離子紅外吸收區和金屬開關觸點的細節特寫（掃描電鏡僞色圖）。圖檔來源：美國東北大學NS&NS實驗室
紅外輻射在被等離子體吸收端吸收後轉化為熱能，該熱能傳導至熱敏雙材料内臂，使之溫度升高發生形變向下彎曲，進而帶動上述鉑金屬觸點向下移動。當被吸收的紅外能量超過設計門檻值後，鉑金屬觸點最終将和接觸闆連接配接，實作紅外探測器兩個輸入/輸出端的電氣連接配接。
研究人員通過實驗證明，通過改變等離子體納米結構的橫向尺寸，可以改變吸收端的吸收波長，使其僅能将特定波長的紅外輻射轉化為熱，進而實作有選擇性的光緻觸發。實驗結果還表明，低至500 nW的紅外能量即可驅動該機械開關閉合，并且多達上千次開關周期後器件依然可以正常工作。
圖3 四個零功耗紅外探測器組成的邏輯電路示意圖
此外，研究人員還設想可以将多個具有特定紅外吸收峰的機械光開關組合成一個邏輯電路，實作對紅外光源光譜資訊的識别，進而準确區分不同的紅外熱源，例如人體、火焰以及各種燃油發動機的尾氣等。
此研究由美國國防高等研究計劃署（DARPA）于2015年底啟動的N-ZERO項目（近零功耗射頻和傳感技術）提供經費支援，主要成果已于近期發表在科技期刊Nature Nanotechnology上。