随着物联网（IoT）的发展，人们已经部署了大量无线传感器节点（WSN），它们在工业自动化、环境监测和许多其他领域发挥着至关重要的作用。然而，无人值守WSN的应用受到了供能问题的限制。在森林火灾或气体泄漏等不常见但非常危急的应用场景中，由电池供能的传统WSN即使在待机状态下也面临着持续功耗的挑战。而频繁充电或更换电池会大大降低无人值守WSN的实用价值。
据麦姆斯咨询报道，为解决上述挑战，来自清华大学和华中科技大学的研究人员通过集成超构表面（metasurface）、两相微流体流和2D材料异质结构隔热层，开发了一种易于制造、可靠、零功耗的红外开关。其中，超构表面可以识别目标发出的红外信号并将其转化为热量，从而打开两相微流体开关。随着目标红外信号的消失，两相微流体开关缓慢关闭，展现出自保持能力。相关研究成果以“Zero-power infrared switch with two-phase microfluidic flow and a 2D material thermal isolation layer”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
器件结构及工作机制
如图1所示，红外开关由两个两相微流体开关组成。每个两相微流体开关都包括一个带有电极阵列的微通道和一个储液器。储液器和部分微通道中充满煤油。选择煤油是因为它对红外信号透明。绝缘煤油和导电氯化铁（FeCl₃）溶液（两种不混溶的溶液）在微通道中形成两相微流体流。将具有2D材料隔热层的超构表面放置在储液器中并完全浸入煤油中（超构表面仅集成1个微流体开关）。红外信号穿过对其透明的氟化钙（CaF₂）玻璃和煤油并照射超构表面，超构表面将红外信号转化为热量。热量导致煤油在储液器中膨胀，从而推动痕量FeCl₃溶液在微通道中向前移动。当超构表面吸收的红外能量超过一定值时，痕量FeCl₃溶液连接到一对适当的金属电极上，并打开开关。
图1 红外开关
图2 超构表面
图3 两相微流体的稳定性
图4 2D材料异质结构隔热层
红外开关的传感性能
图5a、b显示了与吸收波长为2~5 μm的超构表面集成的两相微流体开关的特性。在3.7 μm波长的红外光线照射下，微流体开关在约15秒内打开，并在红外光源关闭时缓慢切换到“关闭”状态。图5a显示了微流体开关出色的可重复性。值得注意的是，数字万用表的上限为10⁹ Ω，因此，微流体开关的实际“关闭”状态电阻超过10⁹ Ω，开/关比可以达到10⁶。此外，该红外开关对9 μm波长的红外辐射没有响应（图5b），表现出优异的频率选择性。另外，该红外开关的灵敏度为257 μm/mW（1 mW红外能量可以导致两相微流体流位移257 μm）。
图5 红外开关的传感性能
单个两相微流体开关对环境温度变化很敏感（当温度升高到约0.5℃时，开关即会打开）。因此，为了消除环境温度变化的影响，研究人员制作了一个具有一对对称两相微流体开关的器件，并且只有其中一个微流体开关与储液器中的超构表面（吸收波长为2~5 µm）集成在一起。如图5g、h所示，红外开关对红外线（3.7 µm波长）照射敏感，其可以在20 s内开启，并在红外光源关闭后保持“开启”状态约300 s，显示了出色的开关性能和自保持能力（图5g）。此外，如图5h所示，当环境温度发生变化（约0.5℃）时，红外开关在没有红外线照射的情况下仍保持“关闭”状态，这表明该红外开关可以避免环境温度变化造成的假触发。
接近零待机功耗的WSN
研究人员通过集成红外开关、传感器（CCD/MEMS麦克风）和无线通信模块，实现了具有视觉/听觉功能的近零待机功耗WSN（图6a）。在没有红外信号的情况下，红外开关处于“关闭”状态。如图6b、d所示，WSN完全关闭，待机功耗几乎为零。当目标红外信号照射红外开关时，红外开关打开并激活WSN中集成的传感器。在具有视觉功能的WSN中，CCD可以捕获图像（清华大学校徽）并通过无线通信模块传输到远程终端。接收到的图像如图6b插图所示。在具有听觉功能的WSN中，MEMS麦克风可以被激活用于记录环境声音，并将声音信息传输到远程终端。图6c显示了当测试人员说出“纳米技术”、“纳米制造”和“超构材料”时接收到的音频波形。
图6 接近零待机功耗的WSN
综上所述，研究人员通过集成超构表面和两相微流体开关，实现了零功耗红外开关。这项工作不仅为大大延长WSN的使用寿命提供了一种方法，而且有望促进两相微流体和纳米级热隔离的基础研究和应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00761-x
