Trådlösa mikrosensorer har möjliggjort nya sätt att övervaka vår miljö genom att tillåta användare att mäta utrymmen som tidigare var utanför gränserna för forskning, såsom giftiga områden, fordonskomponenter, eller avlägsna områden i människokroppen. Forskare, dock, har hindrats av begränsade förbättringar av datakvaliteten och känsligheten hos dessa enheter som härrör från utmaningar i samband med de miljöer de verkar i och behovet av sensorer med extremt små fotavtryck.

En ny tidning publicerad idag i Naturelektronik av forskare vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center vid City University of New York, Wayne State University, och Michigan Technological University, förklarar hur nya enheter med kapacitet långt utöver konventionella sensorer kan byggas genom att låna koncept från kvantmekaniken.

Laget, ledd av Andrea Alù, chef för ASRC:s Photonics Initiative och Einstein professor i fysik vid Graduate Center, och Pai-Yen Chen, professor vid Wayne State University, utvecklat en ny teknik för att designa mikrosensorer som möjliggör avsevärt ökad känslighet och ett mycket litet fotavtryck. Deras metod innebär att använda isospektral paritet-tid-reciprok skalning, eller PTX-symmetri, att designa de elektroniska kretsarna. En "läsare" är ihopkopplad med en passiv mikrosensor som möter denna PTX-symmetri. Paret uppnår mycket känsliga radiofrekvensavläsningar.

"I strävan att miniatyrisera sensorerna för att förbättra deras upplösning och möjliggöra storskaliga nätverk av avkänningsenheter, att förbättra känsligheten hos mikrosensorer är avgörande, " Alù sa. "Vårt tillvägagångssätt adresserar detta behov genom att introducera ett generaliserat symmetritillstånd som möjliggör högkvalitativa avläsningar i ett miniatyriserat fotavtryck."

Arbetet bygger på de senaste framstegen inom området kvantmekanik och optik, som har visat att system symmetriska under rum och tid inversion, eller paritetstid (PT) symmetrisk, kan erbjuda fördelar för sensordesign. Uppsatsen generaliserar denna egenskap till en bredare klass av enheter som uppfyller en mer allmän form av symmetri - PTX-symmetri. Denna typ av symmetri, är särskilt väl lämpad för att upprätthålla hög känslighet, samtidigt som man drastiskt minskar fotavtrycket.

Forskarna kunde visa detta fenomen i ett telemetriskt sensorsystem baserat på en radiofrekvent elektronisk krets, som uppvisade drastiskt förbättrad upplösning och känslighet jämfört med konventionella sensorer. De mikroelektromekaniska (MEMS)-baserade trådlösa trycksensorerna delar känslighetsfördelarna med tidigare PT-symmetriska enheter, Men det generaliserade symmetritillståndet möjliggör både miniatyrisering av enheten och möjliggör en effektiv realisering vid låga frekvenser inom en kompakt elektronisk krets.

Detta nya tillvägagångssätt kan göra det möjligt för forskare att övervinna de nuvarande utmaningarna med att distribuera allestädes närvarande nätverk av långvariga, diskreta mikrosensorer för att övervaka stora ytor. I en tid av sakernas internet och big data, sådana nätverk är användbara för trådlös hälsa, smarta städer, och cyberfysiska system som dynamiskt samlar in och lagrar stora mängder information för eventuell analys.

"Utveckling av trådlösa mikrosensorer med hög känslighet är en av de stora utmanande frågorna för praktisk användning i bioimplantat, bärbar elektronik, internet-of-things, och cyberfysiska system, ", sa Chen. "Även om det har skett kontinuerliga framsteg inom mikrobearbetade miniatyrsensorer, grunderna för telemetrisk avläsningsteknik förblir i huvudsak oförändrade sedan uppfinningen. Denna nya telemetrimetod kommer att möjliggöra det länge eftersträvade målet att framgångsrikt upptäcka små fysiska eller kemiska aktivering från kontaktlösa mikrosensorer."