原子玻璃电池为更智能、更廉价的传感器提供了一条新路径

来源:宾夕法尼亚州立大学杰米奥伯迪克 2026/7/3

更精确的导航系统和改进的无线通信可能并非来自传统电子设备，而是来自原子。宾夕法尼亚州立大学和国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发了一种新方法，可以制造更小、更智能的玻璃传感器，充满高度精确且稳定的原子。

该团队的工作本周（6月18日）发表在《微系统与纳米工程》杂志上，聚焦于一种可制造、无硅的传统笨重“蒸气电池”版本——即含有铯和铷原子的密封腔室，这些气体常用于精密测量系统。这些原子可以作为高度精确的传感器，因为与制造部件不同，原子本质上是相同的。

“使用原子进行传感是有利的，因为单个原子的物理原理非常清楚，而且所有原子都是相等的，”论文联合主笔、宾夕法尼亚州立大学电气工程与计算机科学梁教授、材料研究所纳米制造实验室主任丹尼尔·洛佩兹说。“这赋予了传统微制造设备难以达到的高精度水平。”

论文中，研究人员报告称，这些电池——通过一种类似于制造计算机芯片的新方法制造——在近三年的测试中保持稳定，显示它们能长期保持内部真空和原子性能。

屏幕截图 2026-07-03 105434.png

晶圆级制造的蒸气电池。图片来源：微系统与纳米工程（2026年）。DOI：10.1038/s41378-026-01221-4

传感的长期稳定性

“你需要把这些气体放在腔内十年，传感器才能工作，”洛佩兹说。“如果你开始漏气，你的探测器就会失效。”

研究还证明，玻璃电池中的原子能够测量高频电磁信号，包括毫米波辐射，这种信号用于先进通信和雷达系统。洛佩兹说，这种精准和灵敏度来自于原子的使用。他以当今的导航设备为例，这些设备通常依赖石英晶体来计时。这些信号可能因不同而异，略有漂移，并且需要通过GPS信号频繁更新以保持准确。

洛佩兹解释说，原子系统是不同的。因为原子是量子物体，它们可以更精确地计时，保持更长时间的准确，而无需不断与卫星联系。这种额外的稳定性可以在GPS信号较弱或无法获得的环境中改善导航，比如密集城市、隧道或偏远地区。它还可能使自动驾驶汽车等技术更可靠，因为它们依赖极其精确的时机来确定位置。

“蒸气电池并非新颖，但它们历史上是通过吹制玻璃制成的圆柱体，”洛佩兹解释说，这种方法适用于实验室环境。“但问题是你无法将它与微电子学或光子学结合起来。”

专为芯片设计，不是实验室

这项新研究通过采用半导体式制造方法来应对这一挑战，制造出更小、更稳定且规模更大的蒸气电池。研究人员不是一次生产一个器件，而是在平板玻璃晶圆上同时制造多个器件——极薄的基板，有助于保持器件的稳定性——然后将它们切割成单个单元。由于研究人员可以同时生产多种设备，而不必单独制造，他们可以减少制造时间、劳动力和成本，同时提高一致性。

“这种伪造方式有可能大幅降低成本，”洛佩兹说。

团队的全玻璃制造工艺还完全消除了硅，生产出长时间稳定的密封蒸气电池。这些器件通过将耐热硼硅玻璃层结合，并装载铯和/或铷原子制成。

传统的芯片级蒸汽电池通常依赖硅，但硅材料可能会干扰器件所测量的信号。硅能导电，电能在高频电场中产生失真。

“如果你想测量带有原子的电磁场，你需要用没有能移动电子的材料包裹原子，”洛佩兹说。“玻璃就是个好例子。硅是导电的，但玻璃几乎没有电子。”

一个传感器，多个频率

研究人员还发现，玻璃电池中的原子能够响应高频电磁信号，包括毫米波辐射，这种信号用于先进通信和雷达系统。洛佩兹表示，这种能够测量此类高频信号的能力可能带来广泛的影响，因为如今的经典天线必须在物理尺寸上与它们探测到的信号波长相匹配。然而，原子传感器可以在不改变其尺寸的情况下调谐到不同频率，从而为更灵活和紧凑的系统打开了大门。

“原子的好处是你可以制造一个天线，然后调谐它，”洛佩兹说。“你不需要换尺寸。”