貓般的「聽力」裝置比人類耳膜小几十萬億倍
為超低功耗通信和感測設備開發原子級薄的「鼓面」。
原子層薄的鼓面納米機電諧振器（由MoS2半導體晶體的原子層製成）的運動的超靈敏光學詢問的例證。
凱斯西儲大學的研究人員利用比人類耳膜小10,000億次的裝置實現了貓般的「聽力」。
凱斯西儲大學的研究人員正在開發原子級薄的「鼓面」，能夠在遠遠超過人耳所能聽到的射頻範圍內接收和發射信號。
但是鼓面的體積是數十萬億次（10次之後是13個零），比人類鼓膜薄10萬倍。
這些進展可能有助於使下一代超低功耗通信和感測設備更小，並具有更高的檢測和調諧範圍。
「感知和交流是互聯世界的關鍵，」電氣工程和計算機科學副教授兼通訊作者Philip Feng在3月30日發表在Science Advances雜誌上的文章中說。「近幾十年來，我們一直與高度小型化的設備和系統相連接，我們一直在追求這些設備不斷縮小的尺寸。」
小型化帶來的挑戰：對於諸如聲音，振動和無線電波之類的小信號，還實現更廣泛的動態檢測範圍。
「最後，我們需要能夠處理信號的感測器，而不會在"信號天花板"（未失真信號的最高電平）和"本底雜訊"（最低可檢測電平）兩方面都丟失或損害信息，」Feng說。
雖然這項工作並未針對目前市場上的特定設備，但研究人員表示，這項工作集中於測量，限制和縮放，這對於所有換能器都很重要。
這些感測器可能會在未來十年開發，但現在，馮和他的團隊已經展示了其關鍵部件 - 原子層鼓面或諧振器 - 的最小規模的能力。
該工作代表了這類振動感測器報道的最高動態範圍。迄今為止，這個範圍只能通過大大降低頻率的大得多的感測器來實現，例如像人類耳膜一樣。
「我們在這裡所做的是表明一些最終小型化，原子級薄的機電鼓室諧振器可以提供高達?110dB的非常寬的動態範圍，射頻（RF）高達120MHz以上，」Feng說。「RF的這些動態範圍與音頻頻帶中人類聽覺能力的廣泛動態範圍相當。」
新的動態標準
馮說，所有感官系統的關鍵 - 從動物的自然感覺功能到工程中的複雜設備 - 都是理想的動態範圍。
動態範圍是信號上限與本底雜訊之間的比率，通常以分貝（dB）為單位進行測量。
在10Hz到10kHz的範圍內，人類鼓膜通常具有約60到100dB的動態範圍，並且我們的聽力在此頻率範圍之外迅速降低。其他動物，如普通家貓或白鯨（參見圖解），可以在較高頻段具有可比較的甚至更寬的動態範圍。
由Feng和他的團隊開發的振動納米級鼓面是由半導體晶體（單層，雙層，三層和四層MoS2薄片，厚度分別為0.7,1.4,2.1和2.8納米）的原子層組成，直徑僅約1微米。
他們通過剝離塊狀半導體晶體中的單個原子層並使用納米加工和顯微操作技術的組合將原子層懸浮在預先限定在硅晶片上的微腔中，然後與器件形成電接觸來構建它們。
此外，在Case Western Reserve進行測試的這些原子級薄的RF諧振器表現出優異的頻率「可調性」，這意味著它們的音色可以通過使用靜電力拉伸鼓膜膜來操縱，類似於管弦樂隊中更大的樂器中的聲音調節，Feng說過。
該研究還表明，這些令人難以置信的小鼓頭只需要達到納瓦（nW，10 ^ -9瓦）水平的RF功率的picoWatt（pW，10 ^ -12瓦）以維持其高頻振蕩。
「不僅具有如此小的體積和質量的令人驚訝的大動態範圍，而且它們也是節能且非常」安靜「的設備，」Feng說，「我們"非常仔細地傾聽"他們，並且非常溫和"和他們交談"。 「
該論文的合著者是：Case Western Reserve博士後研究助理Jaesung Lee; 曾任中國電子科技大學電子科技大學前研究員王增輝，中國成都; Keliang He，原物理研究生，現在是Nvidia的高級工程師; 瑞陽，前研究生，現在是斯坦福大學的博士後學者; 以及康奈爾大學凱斯西儲大學前物理學教授傑山。
這項工作得到了美國國家工程院Grainger基金會工程師前沿獎（資助：FOE 2013-005）和國家科學基金會CAREER獎（資助：ECCS-1454570）的資助。
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