为了制造更好的传感器，只需增加噪音

添加噪声以增强微弱的信号是一种在动物界很常见的传感现象，但在人造传感器中却不常见。现在，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用随机共振（SR）来增强并检测因光源太暗而无法感知的微弱信号。这是该技术首次用于检测亚阈值光子信号。这项工作发表在《Nature Communications》上。

图1，研究人员对随机共振现象的描述。他们将该技术应用于传感器，以检测太微弱而无法捕获的信号。

随着物联网时代的到来，传感器会对人类生活的各个方面产生重大影响。然而，传统的传感器存在耗电高、面积效率低、资源消耗大等缺点，因而一定程度上阻碍了物联网的发展。

与大多数传感器（噪声是一个应被抑制的问题）相比，研究人员发现仅添加适量的背景噪声实际上会将信号太弱而无法被普通传感器感知的信号增加到可以检测的水平。

为此，研究人员利用SR现象发明了一种增强传感器能量效率的方法。他们首先介绍了二硫化钼（MoS2）以及单层MoS2的合成、表征和器件制造。研究人员采用自下而上的可扩展合成技术，即金属有机化学气相沉积法，在蓝宝石衬底上于1000℃大面积生长单层MoS2薄膜。随后他们使用原子力显微镜(AFM)在晶片的中心和边缘测量表面覆盖率、膜形态和厚度，对合成的单层MoS2进行表征，然后制作了基于单层MoS2场效应管的光电探测器。

在实验演示中，他们首先利用单层MoS2场效应管演示了SR的概念，说明了SR需要的三个基本组件:(1) 非线性阈值装置；(ii)弱相干输入(例如周期信号), 其低于设备的检测阈值；以及(iii)设备固有的或添加到相干输入外部的噪声源。然后对单层MoS2光电探测器的检测极限了探索，并与商用硅光电二极管进行了比较。最后，研究人员进行了单层MoS2光探测器中SR的演示，证明了这种新型探测器的高能效和低功耗。研究人员还给出了单层MoS2的合成、表征、转移栅极电解质制造和器件制造的具体方法。

这种传感器基于MoS2材料，可以检测光，同样的原理也可以用于检测其他信号，而且由于与传统传感器相比，它只需要很少的能量和空间，因此可以在即将到来的物联网（IoT）中找到广泛的适应性。物联网将部署数以千万计的传感器来监测家庭和工厂的状况，低能耗需求将是一个巨大的好处。

“这种现象是自然界中经常看到的东西，”Saptarshi Das说。 “例如，生活在泥泞水域中的鳞甲鱼实际上看不见它的食物，它的食物是一种叫做浮萍的浮游植物。该鳞甲鱼的电感受器可以在长达50米的距离上接收到来自浮萍的微弱电信号。加上一点噪音，它就可以在75米甚至100米处找到水蚤。这种能力增加了这种动物的进化成功。”

另一个有趣的例子是甲虫，它可以检测到50英里外的森林大火。最先进的红外探测器只能探测10至20英里。这是由于这些动物使用了一种称为随机共振的现象。

“这种现象在自然界中经常出现，”工程科学和力学助理教授Saptarshi Das说。“例如，生活在泥泞水域的白鲟，实际上看不到它的食物，它的食物一种叫做水蚤的浮游植物。这种白鲟有电受体，可以在50米处从水蚤身上接收非常微弱的电信号。如果加上一点噪音，它可以在75米甚至100米处找到水蚤。这种能力增加了这种动物进化过程。”

另一个有趣的例子是宝石甲虫，它可以探测到50英里外的森林火灾。最先进的红外线探测器范围只在10到20英里。这是由于这些动物使用的一种叫做随机共振的现象。

这项工作提出了一种利用噪声增强传感器性能的方法，为噪声增强信号检测这一完全未开发和忽略的领域打开大门。这种方法可以扩展到任何先进的传感器上，未来或将广泛应用于物联网以及国防相关应用。下一步工作是在硅光电二极管上演示该技术，这使该设备具有很高的可扩展性。