50-миллионный электронный импульс обеспечивает автономную работу самозапитывающихся сенсоров более года

С всего 50-миллионным электронным зарядом сенсоры могут питать себя более года.

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, возглавляемые проф. Шантану Чакрабартти, создали самозапитывающиеся сенсоры, используя квантовый эффект, известный как «туннелирование».

Для устройства, опирающегося на сложную физику, сенсор довольно прост. Необходимые компоненты — четыре конденсатора и два транзистора.

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

50 миллионов электронов программируются во время фазы инициализации устройства.

Устройства также содержат крошечный разделяющий барьер. Толщиной менее 100 атомов, «барьер туннелирования Флауэра-Нордхейма» позиционирован между пластиной конденсатора и полупроводниковым материалом. Сенсор способен питать себя длительные периоды времени, регулируя границу для лучшего контроля потока электронов.

«Вы можете сделать его достаточно медленным, до одного электрона в минуту и все еще держать его надежным», — сказал Чакрабартти.

На этой скорости динамическая система работает как хронометрическое устройство — без каких-либо батарей — более года.

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

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

Проще говоря, электроны не шли над барьером. Они туннелировали прямо через него.

Вероятность того, что определенное количество электронов туннелирует через барьер, является функцией размера барьера. Это немного как песочные часы, сказал Чакрабартти Tech Briefs.

Каждый из 50 миллионов электронов — как зернышко песка, вытекающее через туннелирующий барьер. Трансдукторный сигнал контролирует диаметр узкой трубки. Так что, когда большой сигнал трансдуцируется, трубка расширяется и больше электронов вытекает через барьер.

«Измеряя общее оставшееся 'песок', или электроны, в верхней камере (после определенного периода времени), мы можем оценить общую среднюю энергию трансдукторного сигнала», — сказал Чакрабартти.

После экспериментов исследовательская команда считывала напряжение в конденсаторах и сенсорной и референсной системы. Они использовали разницу в двух напряжениях, чтобы найти истинные измерения от трансдуктора и определить общую энергию, сгенерированную сенсором.

«Прямо сейчас платформа общая», — сказал Чакрабартти. «Она просто зависит от того, что вы связываете с устройством. Пока у вас есть трансдуктор, который может генерировать электрический сигнал, он может самозапитывать наш сенсор-дата-логгер».

Команда надеется когда-нибудь использовать сенсоры для множества приложений, таких как запись нейронной активности или мониторинг уровня глюкозы внутри человеческого тела.

В коротком Q&A с Tech Briefs ниже, проф. Чакрабартти раскрывает свои идеи для самозапитывающейся технологии.

Tech Briefs: Простыми словами, как вы можете заставить сенсор работать год, с только небольшим начальным энергозатратом? Это про контроль потока электронов?

Проф. Шантану Чакрабартти: Да, это всё о контроле потока электронов. Мы изначально программируем около 50 миллионов электронов на плавающем острове. Затем, используя квантовое туннелирование Флауэра-Нордхейма (FN), мы контролируем скорость, с которой электроны утекают с этого острова. В этом случае скорости утечки электронов в диапазоне от нескольких электронов в секунду до 1 электрона в минуту. Интересная концепция в этой работе — как физика FN туннелирования обеспечивает то, что два устройства могут быть согласованы даже если электроны утекают с такой медленной скоростью.

Tech Briefs: Я хочу сфокусироваться на этом маленьком начальном энергозатрате — что требуется, чтобы сорвать яблоко с дерева, так сказать? Что это за «маленький начальный энергозатрат»? Откуда он приходит, и сколько требуется?

Проф. Шантану Чакрабартти: Начальная энергия требуется для депонирования электронов на плавающем острове. Это можно сделать во время производства или инициализации. Для одного устройства мы говорим о начальной энергии всего 10 пикоДжоулей. Обратите внимание, что эта энергия эквивалентна энергии, которая должна быть рассеяна для записи одного бита во многих памятьях. Как только это начальное количество электронов депонировано, физика квантового туннелирования берет на себя, и устройству не нужно дополнительное энергозатраты для работы. Вся энергия для сенсирования приходит от трансдуктора — как глюкозный сенсор или пьезоэлектрический сенсор.

Tech Briefs: Каковы главные вызовы в контроле этой энергии так, чтобы она эффективно питала сенсор?

Проф. Шантану Чакрабартти: Начальное питание устройства не проблема, так как как только мы способны депонировать электроны, устройство само-калибруется. Главный вызов касается сенсирования — что наше устройство может подхватывать всё, если этот источник может скомбинировать энергию в наше устройство. Так что чувствительность приходит за ценой, но именно поэтому мы используем дифференциальную архитектуру для компенсации окружающих артефактов. Другой вызов — считывание устройства — с только несколькими электронами, туннелирующими через барьер, изменение напряжения, которое нужно считать, в порядке микровольт.

Tech Briefs: Какое самое захватывающее применение, или применения, вы видите с этим самозапитывающимся сенсором?

Больше сенсоров на Tech Briefs

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

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

Видео: «SwingBot» из MIT учится обрабатывать объекты.

Проф. Шантану Чакрабартти: Это платформенная технология, так что может применяться к широкому спектру сенсорных приложений. Однако, на уровнях мощности/энергии, которые мы сообщаем, биологическая клетка теперь может самозапитывать наше сенсорное устройство.

Мы пытались использовать эти сенсоры для записи нейронной активности в мозге организма, где электрическая активность внутри мозга питает устройство. Это было фокусом гранта исследования Национального института здоровья, который изначально финансировал этот проект.

Так что, в этом отношении, это устройство действует как USB флешка, которая втыкается в мозг, который также действует как источник питания. Мы можем иметь множественные копии этих устройств (фактически, мы можем интегрировать миллионы их на одной чипе), которые чувствуют и хранят нейронную активность. Вызов, который мы пытались решить, — как реконструировать события после того, как чип извлечен и хранимая информация измерена.

Что вы думаете? Делитесь вопросами и комментариями ниже.