新的纳米技术设备提供猫般的“听力”

超敏感光学询问原子薄鼓纳米机电谐振器（MOS2半导体晶体原子层制成）的超敏光学询问的图示。

西部储备大学的研究人员正在制定原子上薄的“鼓头”，能够在远远超过我们可以听到人耳所听到的射频范围内接收和传输信号的原子薄的“鼓头”。

但是，鼓头的数量是数十亿倍（10后跟12零）体积小，比人耳膜更薄100,000倍。

前进可能有助于使下一代超高功率通信和感觉设备更小，并且具有更大的检测和调谐范围。

“传感和沟通是关联世界的关键”，电气工程与计算机科学副教授菲利普冯说，关于该工作于3月30日的工作进展的副教授。“近几十年来，我们已与高度小型化的设备和系统相关联，我们一直追求这些设备的尺寸。”

小型化的挑战：还实现了更广泛的动态检测范围，用于小信号，例如声音，振动和无线电波。

人类，其他动物和原子薄鼓头耳膜动态范围和频段的比较。

“到底，我们需要传感器，可以在不丢失或损害”信号天花板“（最高级别的信号）和”噪声楼层“（最低可检测水平）的情况下处理信号的传感器，”冯说。“

研究人员表示，虽然这项工作并非朝着目前市场上的特定设备进行了准备，但它专注于测量，限制和缩放，这对基本上所有的传感器都很重要。

这些传感器可能在未来十年内开发，但目前，冯和他的团队已经证明了它们的关键部件 - 原子层鼓头或谐振器的能力尚不为本。

该工作代表了振动其类型的振动传感器的最高报告的动态范围。迄今为止，例如，只有大多数较大的换能器才能获得更大的频率，例如人的耳膜。

“我们在这里做过什么是表示一些最终小型化的原子薄机电鼓头谐振器可以提供非常广泛的动态范围，高达〜110dB，在射频（RF）上，高达120mHz，”冯说。“RF的这些动态范围与音频带中的人类听力能力的广泛动态范围相当。”

新的动态标准

冯先生表示，所有感官系统的关键 - 从动物的自然发生的感觉功能到工程中的复杂器件 - 是所需的动态范围。

动态范围是噪声底板上的信号天花板之间的比率，通常以分贝（DB）测量。人的耳膜通常具有约60至100dB的动态范围，在10Hz至10kHz的范围内，我们的听力迅速减少在该频率范围之外。

其他动物，例如共同的房屋猫或白鲸（见插图），可以在较高频段中具有可比或甚至更广泛的动态范围。

由冯和他的团队开发的振动纳米尺度鼓头由半导体晶体（单，双，三层和四层MOS2薄片的原子层制成，厚度为0.7,1.4,2.1和2.8纳米），具有直径约1微米。

它们通过从散装半导体晶体中剥离磷原子层并使用纳米制备和微操纵技术的组合来构造它们，以悬挂在预定在硅晶片上的微腔上的原子层，然后使电触点与装置进行电触点。

此外，在壳体西部储备下测试的这些原子薄的RF谐振器显示出优异的频率“可调性”，这意味着它们的色调可以通过使用静电力拉伸喇叭膜，类似于冯可以在管弦乐队中的大多数较大的乐器调整中进行操纵说。

该研究还揭示了这些令人难以置信的小型鼓头只需要Picowatt（PW，10 ^ -12瓦）到纳米域（NW，10 ^ -9瓦）的RF功率水平来维持其高频振荡。

“不仅具有令人惊讶的大型动态范围，具有如此微小的体积和质量，它们也是节能而且非常”安静“的设备，”冯说：“我们”非常仔细地聆听“他们”非常轻柔地“谈论”。 “

本文的共同作者是：Jaesung Lee，案例博士后研究员工; Max Zenghui Wang是中国电子科学与技术大学的前研究助理（Uestc），中国成都; Keliang He是物理学的前研究生，现在是NVIDIA的高级工程师;瑞阳，前研究生，现在是斯坦福大学的博士学者;康奈尔大学凯斯西方储备的前物理教授杰山。

该工作已由全国工程学院Graing Graing Grouptent Afferions奖（Grant：敌人2013-005）和国家科学基金会职业奖（授予：ECCS-1454570）。

出版物：Jaesung Lee等，“具有广泛动态范围的电动单层和几层MOS2纳米机电系统”，科学推进，2018年3月30日：卷。 4，不。 3，eaao6653; DOI：10.1126 / sciadv.aao6653.