如今，小型化已經成為電子器件最重要的發展趨勢之一，電子元器件的設計尺寸已縮小至納米級別。近日，美國康奈爾大學制造納米電子產品的研究人員開發出一款微型傳感器，一美分硬幣的一面可以容納三萬個這樣的傳感器。除了尺寸非常小之外，這些傳感器還有許多地方引人注目。它們配備有集成電路、太陽能電池和發光二極管（LED），從而可以吸收光線來供電以及通信。因為它們可以量產制造（在8英寸的晶圓上多達1百萬個），所以每個傳感器的成本不足一美分。

該項成果以“采用光學無線集成電路的微型傳感器（Microscopic Sensors Using Optical Wireless Integrated Circuits）”為題，發表在《美國科學院院報（PNAS）》雜志上。

技術

物理科學系教授 Paul McEuen 和電氣與計算機工程系副教授 Alyosha Molnar 領導了這項合作。他們與論文領導作者、康奈爾大學的博士后 Alejandro Cortese 一起設計了一個平臺，來并行生產這種光學無線集成電路（OWICs）。這款微型傳感器的尺寸只有100微米（1微米等于1百萬分之一米），在人眼看來只是非常微小的斑點。

這些OWICs的集合對于肉眼來說隱約可見。

McEuen 表示：“某種意義上，打造諸如此類的微型傳感器，是一個老舊的想法。但是我們將它的尺寸又縮小了一個數量級。許多時候，當人們制造這些微型傳感器時，他們用手工將這些傳感器全部連接到一起。你這樣無法一次完成一百萬個。所以我們克制自己說，我們不會這么做，除非我們可以一次完成一百萬個。”

從本質上說，OWICs 就是配備專門應用程序的草履蟲大小的智能手機。但是，研究人員并不是依靠像手機那樣累贅的無線射頻技術，而是采用光線作為一個潛在的能源和通信媒介。

下圖展示了一個具有電壓感知功能的 OWIC 內置在一美分硬幣背面的林肯紀念堂圖像中，以及 OWIC 元件的示意圖。

圖片來源：Alejandro Cortese

McEuen 表示，在納米技術領域，將這些微型電路放到硅晶圓上相對簡單，但添加 LED 卻是一個特殊的挑戰，因為它們是由一種不同的材料（砷化鎵）制成。為了將 LED 轉移到具有電氣元件的晶圓上并集成它們，研究人員開發了一個復雜的裝配方法，包括15層以上的光刻法、30種不同的材料以及100多個步驟。

Cortese 表示：“許多人都在較大的尺度上工作，在這種尺度上，你可以撿起東西，用肉眼看到并觸摸它們。這里的情況卻不是如此，在這個尺度上，你無法看到你正在做的事情，除非你使用顯微鏡。所以，你必須真正地獲得有關納米和微米尺度的直覺。”

一旦 OWICs 從它們的硅基底上釋放出來，就可以用在活體組織以及微流控系統等難以到達的環境中，測量諸如電壓和溫度之類的輸入。例如，當配備一個神經傳感器時，它們能夠非侵入性地記錄身體中的神經信號，并通過LED閃爍一個編碼的信號來傳輸結果。

作為概念的證明，團隊與應用和工程物理系教授、論文合著者之一的 Chris Xu 一起合作，成功地將一個 OWIC 和一個溫度傳感器嵌入到大腦組織中，并無線地傳送結果。

價值

McEuen、Molnar 和 Cortese 創辦了他們自己的公司 OWiC Technologies，以使微型傳感器走向商業化。他們已經通過技術許可中心申請了一項專利。這項技術首個應用，是創造可粘貼在產品上的電子標簽，來幫助識別產品。

這種低成本的微型 OWICs 有望開啟新一代能耗更低同時可追蹤更復雜現象的傳感器。

Cortese 表示：“這篇論文中的電路相當簡單。但是你能夠潛在地將數千個晶體管放到這些設備中的某一個上面。這意味著你可以擴大設備可感知的物品范圍，改善設備與外界的通信方式，或者完成更復雜的任務。我們以一種平臺的形式來開發，使得許多人有空間去開發新的設備、新的應用。”

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