При ударе в 50 миллионов электронов датчики питаются сами

Всего за 50 миллионов электронов датчики могут работать более года.

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе под руководством профессора Шантану Чакрабарти создали датчики с автономным питанием, воспользовавшись квантовым эффектом, известным как "туннелирование".

Для устройства, основанного на сложной физике, датчик несколько прост. Требуемые компоненты:четыре конденсатора и два транзистора.

Из этих шести частей команда Чакрабарти построила две динамические системы, каждая с двумя конденсаторами и транзистором. Конденсаторы имеют небольшой начальный заряд, около 50 миллионов электронов каждый.

50 миллионов электронов запрограммированы на этапе инициализации устройства.

Устройства также содержат своего рода крошечную разделительную блокаду. «Туннельный барьер Фаулера-Нордхейма» толщиной менее 100 атомов расположен между пластиной конденсатора и полупроводниковым материалом. Датчик может питаться в течение длительного периода времени, регулируя границу, чтобы лучше контролировать поток электронов.

«Вы можете сделать его достаточно медленным, до одного электрона в минуту, и при этом сохранить его надежность», — сказал Чакрабарти.

При такой скорости динамическая система работает как хронометр — без батареек — более года.

Для измерения окружающего движения к датчику был подключен крошечный пьезоэлектрический акселерометр. Исследователи механически встряхнули акселерометр; затем его движение преобразовывалось в электрический сигнал.

Сигнал изменил форму барьера, что, благодаря правилам квантовой физики, изменило скорость, с которой электроны проходили барьер.

Проще говоря, электроны не преодолели барьер. Они проложили туннель прямо через него.

Вероятность того, что определенное количество электронов туннелирует через барьер, зависит от размера барьера. Это немного похоже на песочные часы, — сказал Чакрабарти в интервью Tech Briefs.

Каждый из 50 миллионов электронов подобен песчинке, просачивающейся сквозь туннельный барьер. Сигнал преобразователя контролирует диаметр узкой трубки. Таким образом, при передаче сильного сигнала трубка расширяется, и через барьер проходит больше электронов.

«Измеряя общее количество «песка» или электронов, оставшихся в верхней камере (после определенного периода времени), мы можем оценить общую среднюю энергию сигнала преобразователя», — сказал Чакрабарти.

После экспериментов исследовательская группа измерила напряжение как в конденсаторах измерительной, так и в эталонной системе. Они использовали разницу в двух напряжениях, чтобы найти истинные измерения преобразователя и определить общую энергию, генерируемую датчиком.

«Прямо сейчас платформа универсальна, — сказал Чакрабарти. «Это просто зависит от того, что вы подключаете к устройству. Пока у вас есть преобразователь, который может генерировать электрический сигнал, он может самостоятельно питать наш датчик-регистратор данных».

Команда надеется когда-нибудь использовать датчики для различных целей, таких как запись нейронной активности или мониторинг уровня глюкозы в организме человека.

В коротких вопросах и ответах с Tech Briefs ниже профессор Чакрабарти раскрывает свои идеи для технологии с автономным питанием.

Технические обзоры :Проще говоря, как вы можете заставить датчик работать в течение года при небольшом начальном потреблении энергии? Речь идет об управлении потоком электронов?

Проф. Шантану Чакрабарти :Да, все дело в управлении потоком электронов. Сначала мы программируем около 50 миллионов электронов на плавучем острове. Затем, используя квантовое туннелирование Фаулера-Нордхейма (ФН), мы контролируем скорость, с которой электроны вытекают из этого острова. В этом случае скорости утечки электронов находятся в диапазоне от нескольких электронов в секунду до 1 электрона в минуту. Интересная идея в этой работе заключается в том, как физика туннелирования FN гарантирует, что два устройства могут быть согласованы, даже если электроны вытекают с такой низкой скоростью.

Технические обзоры :Я хочу сосредоточиться на этом небольшом начальном потреблении энергии — что нужно, так сказать, чтобы сорвать яблоко с дерева? Что это за «небольшой начальный ввод энергии?» Откуда он берется и сколько требуется?

Проф. Шантану Чакрабарти :Начальная энергия требуется для размещения электронов на плавучем острове. Это можно сделать во время изготовления или инициализации. Для одного устройства речь идет о начальной энергии всего в 10 пикоДжоулей. Обратите внимание, что эта энергия эквивалентна энергии, которую необходимо рассеять, чтобы записать один бит памяти. Как только это начальное количество электронов осаждается, физика квантового туннелирования вступает во владение, и устройству не требуется дополнительная энергия для работы. Вся энергия для восприятия исходит от преобразователя, такого как датчик глюкозы или пьезоэлектрический датчик.

Технические обзоры :Каковы самые большие проблемы в управлении этой энергией, чтобы она эффективно питала датчик?

Проф. Шантану Чакрабарти :Первоначальная подача питания на устройство не представляет проблемы, так как, как только мы сможем поместить электроны, устройство само откалибруется. Самая большая проблема связана с восприятием — наше устройство может уловить все, если этот источник может передать энергию нашему устройству. Таким образом, чувствительность имеет свою цену, но именно поэтому мы используем дифференциальную архитектуру для компенсации артефактов окружающей среды. Другой проблемой является считывание показаний устройства:всего несколько электронов туннелируют через барьер, а изменение напряжения, которое необходимо считывать, составляет порядка микровольт.

Технические обзоры :Какое самое интересное приложение или приложения, которые вы представляете для этого датчика с автономным питанием?

Больше датчиков в технической документации

Блог: Доктор Джеймс Рис проводит время в своей лаборатории, тестируя датчики, сделанные из бактерий.

Журнал: . Узнайте, как COVID-19 изменил стратегии датчиков и сбора данных.

Видео: SwingBot из Массачусетского технологического института учится обращаться с объектами.

Проф. Шантану Чакрабарти :это платформенная технология, поэтому ее можно применять к широкому спектру сенсорных приложений. Однако при тех уровнях мощности/энергии, о которых мы сообщаем, биологическая клетка теперь может самостоятельно питать наше сенсорное устройство.

Мы пытались использовать эти датчики для записи нейронной активности в мозгу организма, где электрическая активность внутри мозга питает устройство. Это было целью исследовательского гранта Национального института здравоохранения, который изначально финансировал этот проект.

Таким образом, в этом отношении это устройство действует как USB-накопитель, который подключается к мозгу, который также действует как источник энергии. У нас может быть несколько копий этих устройств (фактически, мы можем интегрировать их миллионы на одном чипе), которые воспринимают и сохраняют нейронную активность. Задача, которую мы пытаемся решить, заключается в том, как восстановить события после извлечения чипа и измерения сохраненной информации.

Что вы думаете? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.