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想要制造更好的传感器?

对传感器而言,噪声往往是一个需要被抑制的因素。但通过添加噪音来增强微弱信号,是动物世界中常见的感知现象之一。然而,这在人造传感器中并不多见。

想要制造更好的传感器?

将“随机共振”效应应用于传感器,可以检测微弱信号。

对传感器而言,噪声往往是一个需要被抑制的因素。但通过添加噪音来增强微弱信号,是动物世界中常见的感知现象之一。然而,这在人造传感器中并不多见。

《自然通讯》杂志于当地时间9月2日报道,美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用二维材料二硫化钼开发了光线传感器,通过加入适量背景噪音,增强了暗光源下、普通传感器无法感知的微弱信号,使其达到可检测的程度。同样的原理也适用于探测其他信号。此外,与传统传感器相比,新型传感器的能耗很低、占据的空间也很小。因此,在即将来临的物联网(IoT)时代,这种新型传感器可能有广泛的应用前景。

论文作者、宾大工程科学与力学系助理教授Saptarshi Das说:“寻求噪声帮助的现象在自然界中很常见。例如,生活在泥泞水域的匙吻鲟无法凭借视觉寻找食物(水蚤),但它有一种电感受器,可以接收50米范围内水蚤发出的微弱电信号。如果增加一点噪音,匙吻鲟可以发现75米甚至100米处的水蚤。这种能力对匙吻鲟的成功进化至关重要。”

另外一个有趣的例子是宝石甲虫,它可以探测到50英里外发生的森林火灾。与之对比,最先进的红外火灾探测器的探测距离只有10~20英里。

不论是匙吻鲟觅食,还是宝石甲虫探测火灾,都涉及了“随机共振”概念。论文第一作者、研究生Akhil Dodda解释:“随机共振效应借助适量噪音产生,即便信号超出了传感器的检测下限也能被成功检出。”

在论文中,Das等演示了随机共振技术在亚阈值光子信号检测中的首次应用。研究人员表示,该技术表现出多个方向的应用潜质:(1)为携带笨重装备的作战人员减负;(2)资源制约型环境以及海底的微弱信号监控;(3)火山异动、地震的及时监测与预警。

论文作者、研究生Aaryan Oberoi说:“谁会料想到,噪音竟然能够在信号检测领域发挥重要作用?我们挑战了传统观念,用极低的功耗检测了微弱信号。这或许将引导研究人员进入被忽视的噪音增强信号检测领域。”

下一阶段,Das团队计划在硅光电二极管中应用噪音增强技术,这将使二极管设备具备更强的扩展性。Das表示,任何先进传感器,都可以通过“随机共振”概念增强。

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

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