微型無線光子傳感器,您身邊的溫度計

2022-01-05 MEMS

據麥姆斯諮詢報導，近期聖路易斯華盛頓大學的研究人員開發出了一種可以記錄環境數據的微型無線光子傳感器。

早在2017年春季，光子傳感器就應用在如下兩種場景中並記錄數據：一、超過12小時的空氣溫度實時測量；二、安裝在聖路易斯城市公園的（St. Louis city park）無人機上進行溫度分布的航測。

為了進一步地比較，研究人員還將該傳感器與帶有藍牙連接的商用溫度計相對比，發現兩者的測量結果非常接近。

身材迷你且靈敏度卓越

在物聯網（IoT）世界中，存在著大量基於電子設備的空間分布式無線傳感器。然而，低空飛行的飛機或廚房研磨機等造成的幹擾音頻或視覺信號，會對無線電產生不必要的噪聲，這些電磁幹擾通常會妨礙這些器件運行。

「光學傳感器不受電磁幹擾，面對惡劣環境更是優勢顯著。」聖路易斯華盛頓大學工程與應用科學學院電氣與系統工程學教授Lan Yang說。

「基於諧振器的光學傳感器具有尺寸小、靈敏度高及其他一系列優勢，為無線傳感器賦予了更高的功能性和靈活性。」Yang說，「我們的工作可以為在網際網路上大規模應用的WGM（Whispering-gallery mode，回音壁模式）傳感器鋪平道路。」

WGM之所以如此命名，是因為與倫敦聖保羅大教堂低語畫廊的原理一樣，穹頂一側的人可以聽到另一側人們通過牆體發出的信息。Yang和她的合作夥伴最近表示，與在可聽範圍內產生共振或最佳位置的穹頂不同，傳感器是在光頻、振動或機械頻率下產生共振的。

「與現有桌面大小的實驗室設備相比，WGM傳感器的主板僅為127mm × 67mm大小，約為5英寸 × 2.5英寸，集成了傳感器系統的整個架構。」Yang的實驗室研究生Xiangyi Xu說道。

「該傳感器由玻璃製成，只有一根頭髮大小，通過單根光纖連接到主板。」Xu說，「雷射可用於探測WGM傳感器。從傳感器耦合的光被傳輸到具有放大器的光電探測器上。處理器可控制外圍設備，如雷射電流驅動、監控電路、熱電冷卻器和Wi-Fi設備等。」

這款WGM傳感器中，光通過恆定的內部反射沿著環形結構邊緣傳播。在環形邊緣內，光可旋轉100萬次。越過該環形邊緣，光波可以檢測環境變化，例如溫度和溼度變化。定製的作業系統應用程式能控制遠程系統並收集和分析監控傳感器節點提供的信號。

光子傳感器的優勢

無線傳感器，無論是電子傳感器還是光子傳感器（基於光學原理），都可以監測諸如溼度、溫度、氣壓等環境因素變化。無線傳感器的應用包括環境和衛生保健監測、精準農業技術操作以及智慧城市的數據收集等。

智慧城市是通過網際網路收集數據，實現城市互聯。精準農業通過使用數位化地理信息系統進行精準農業技術操作，例如土壤測繪可以精確地把握肥料和農藥的使用以及種子的選擇，實現更高效率和收益。

現在，Yang及其同事需要解決定製作業系統應用程式處理的穩定性，以及龐大的實驗室測量系統的微型化問題。

「我們開發了一款智慧型手機應用程式，通過WiFi控制感應系統。」楊說，「通過將傳感器系統連接到網際網路，我們可以實現對系統的實時遠程控制。」

2017年6月，Yang和她的團隊將其開發的新系統安裝在建築物的外牆上，收集數據並製成了共振頻移圖。他們將獲取的數據與商用溫度計進行了比較。

「由於尺寸小，無線光子傳感器的功能和靈活性可以通過實時移動來改善。」Yang說。

研究人員在2017年5月還將他們的系統與商用溫度計一起安裝在無人機上。當無人機從一個測量位置飛到另一個測量位置時，WGM的共振頻率會隨著溫度變化而移動。

「這些測量結果與商用溫度計的結果非常吻合。」她說，「此次成功的演示展示了我們的無線WGM傳感器在物聯網中的潛在應用。WGM技術還有更多具有發展前景的傳感應用，包括磁場、聲學、環境和醫療傳感領域等。」

「諧振器傳感系統的微型化對物聯網領域來說是一個振奮人心的機會，因為它將引領物聯網開發出具有空前靈敏度和性能的新型光子傳感器。」計算機科學與工程系教授，Chengyang Lu說。

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