Infračervený detektor s nulovou spotřebou

Výzkumný tým z Northeastern University v USA prezentoval unikátní pokročilý infračervený (IR) detektor, který má téměř nulovou spotřebu a to i v šetřícím režimu (stand-by režim), kdy není detekován žádný signál, resp. je měřený signál pod nějakou hranou nastavené detekce. Naopak, je detektor "poháněn" samotným detekovaným IR zářením.

Tento detektor, kteří autoři označují jako plasmonically-enhanced micromechanical photoswitch, byl vyvinut v rámci programu N-ZERO (Near Zero Power RF and Sensor Operations) sponzorovaného agenturou DARPA a publikován v Nature Nanotechnology.

Standardní současné IR a jiné podobné detektory fungují tak, že obsahují nějakou fotocitlivou složku, která přemění světlo na slabý elektrický signál a následně pomocí zesilovačů a komparátorů dostaneme vhodný digitální signál. A právě kvůli zesilovačům a komparátorům mají detektory stálý odběr proudu, protože tyto součásti musejí být vždy připravené, když se dostaví nějaký signál. To celkově ztěžuje samotný návrh, omezuje dobu nasazení, je potřeba vyřešit napájení v nějaké externí aplikaci a toto vše tento detektor řeší. Navíc v dnešním světě internetu věcí (Internet of Things, IoT), kde IR detektory jsou často součástí a kdy se předpovídá obrovské množství v řádech milionů, tak již ta spotřeba nebude tak zanedbatelná v globálním měřítku.

Jak to funguje

Samotný detektor vlastně pracuje na termálněmechanickém principu. Základem jsou dvě nožičky, které jsou z tepelně citlivého bimateriálu, kde dochází k malé mechanické deformaci, tedy ohybu. V podstatě se jedná o klasický známý bimetal, avšak tady se pohybujeme v nanosvětě a pohyby jsou v řádech nanometrů. Mezi nožičkami jsou dvě plošky, odrazná plocha ze zlata a pak plazmatický absorbér, na který jsou nožičky připojené.

Absorbér obsahuje jazýček, který je vzdálen cca 500 nm od plošky na odrazné ploše. Když se tyto dvě součástky dotknou, dojde k uzavření obvodu a tím pádem k vyslání signálu. V opačném případě tu vzduch pracuje jako izolant, kde je téměř nulový průchod proudu, proto mluvíme o zařízení s téměř nulovou spotřebou (near-zero consuption).

Structure of the PMP and working principle.

Absorbér se skládá ze tří vrstev, kde jsou důležité plazmatické litograficky naneseny nanostruktury obsahující plazmony. Plazmon je tzv. kvazičástice, nanostruktura, která je zkonstruována takovým způsobem, že se rozkmitá pro danou vlnovou délku IR záření.

Celkově si funkčnost můžeme představit následujícím způsobem. Na absorbér dopadá záření, kde při určité vlnové délce rozkmitají plazmony. Kmitání molekul není nic jiného než teplo, které přenáší do nožiček. Ty se podobně jako bimetal mírně prohnou. Pokud je výkon vyšší, než je dán práh, dojde k dostatečně velké deformaci a tím ke spojení kontaktů a tedy sepnutí spínače. Takže se jedná v podstatě o spínač, jehož sepnutím se uzavře obvod, resp. pošle se signál odpovídající bitu 1. Samotné spuštění je tedy vyvoláno vlastním IR zářením bez nutnosti nějaké aktivní součástky.

Schopnosti a aplikace

Citlivost detektoru lze nastavit v rozmezí 500 nW až 3.1 µW a to pomocí nastavení vzdálenosti kontaktů, resp. velikostí nožiček. Pokud jde o detekovanou vlnovou délku, tak střední vlnová délka je určena velikostí políčka plazmonu a šířka pásma je pak 500 nm. Velikost je pak zhruba 180 µm krát 500 µm. Ekvivalentní šumový výkon pak je řádu 1 nW Hz–1/2.

Takto navržený detektor, který má téměř nulovou spotřebu (okolo 9 řádů nižší spotřeba než současný nejlepší IR detektor), může mít velice nízký práh pro spuštění a je možnost velice jemně určit vlnovou délku, na kterou to bude reagovat.

Současně je možné detektory na čipu zapojit do série a vytvořit tak logický obvod spínačů, kde se všechny spínače spustí jen za konkrétní situace či pro konkrétní signaturu IR signálu. Případně jinou komplexní kombinací můžeme mít citlivý širokospektrální IR detektor.

Tím se dostáváme k nasazení, kde se nejčastěji zmiňuje detekce lidské přítomnosti, lesního požáru či identifikace typu vozidla, kde každý typ motoru diesel/benzín produkuje různé zplodiny, které mají různou IR signaturu a tím pádem je lze pomocí kombinací těchto detektorů identifikovat a zároveň potlačit interference, které tvoří pozadí.

Celkově se jedná o zásadní pokrok v oblasti pasivních detektorů a to rovnou v oblasti velikosti, nutnosti (ne)napájení, ale i operačních schopností. Přichází nová třída detektorů, které zvýší nasaditelnost a celkově i schopnosti IR detekce a uvidíme, jestli se podobná technologie uplatní i u detekce jiných událostí.