Met een schok van 50 miljoen elektronen, voeden sensoren zichzelf

Met een jumpstart van slechts 50 miljoen elektronen kunnen sensoren zichzelf meer dan een jaar van stroom voorzien.

Onderzoekers van de Washington University in St. Louis, onder leiding van prof. Shantanu Chakrabartty, creëerden zelfaangedreven sensoren door gebruik te maken van een kwantumeffect dat bekend staat als 'tunneling'.

Voor een apparaat dat afhankelijk is van complexe fysica, is de sensor enigszins eenvoudig. De benodigde componenten zijn vier condensatoren en twee transistors.

Uit deze zes onderdelen bouwde het team van Chakrabartty twee dynamische systemen, elk met twee condensatoren en een transistor. De condensatoren bevatten een kleine initiële lading, elk ongeveer 50 miljoen elektronen.

De 50 miljoen elektronen worden geprogrammeerd tijdens de initialisatiefase van het apparaat.

De apparaten bevatten ook een soort kleine scheidingsblokkade. De "Fowler-Nordheim tunneling barrier" is minder dan 100 atomen dik en bevindt zich tussen de plaat van een condensator en een halfgeleidermateriaal. De sensor kan zichzelf gedurende lange tijd van stroom voorzien door de grens aan te passen om de stroom van elektronen beter te beheersen.

"Je kunt het redelijk langzaam maken, tot één elektron per minuut en het toch betrouwbaar houden", zei Chakrabartty.

In dat tempo werkt het dynamische systeem als een tijdwaarnemingsapparaat - zonder batterijen - voor meer dan een jaar.

Om de beweging in de omgeving te meten, werd een kleine piëzo-elektrische versnellingsmeter op de sensor aangesloten. Onderzoekers schudden mechanisch de versnellingsmeter; zijn beweging werd vervolgens omgezet in een elektrisch signaal.

Het signaal veranderde de vorm van de barrière, die, dankzij de regels van de kwantumfysica, de snelheid veranderde waarmee de elektronen de barrière passeerden.

Simpel gezegd, de elektronen gingen niet over de barrière. Ze tunnelden er dwars doorheen.

De kans dat een bepaald aantal elektronen door de barrière zal tunnelen, is een functie van de grootte van de barrière. Het lijkt een beetje op een zandloper, vertelde Chakrabartty aan Tech Briefs.

Elk van de 50 miljoen elektronen is als een zandkorrel die door de tunnelbarrière stroomt. Het transducersignaal regelt de diameter van de smalle buis. Dus wanneer een groot signaal wordt getransduceerd, wordt de buis groter en stromen er meer elektronen door de barrière.

"Door het totale 'zand' of elektronen te meten dat in de bovenste kamer achterblijft (na een bepaalde tijdsperiode), kunnen we de totale gemiddelde energie van het transducersignaal schatten," zei Chakrabartty.

Na de experimenten las het onderzoeksteam de spanning af in zowel de sensor- als de referentiesysteemcondensatoren. Ze gebruikten het verschil in de twee spanningen om de ware metingen van de transducer te vinden en om de totale energie te bepalen die door de sensor werd gegenereerd.

"Op dit moment is het platform generiek," zei Chakrabartty. “Het is maar net wat je aan het toestel koppelt. Zolang je een transducer hebt die een elektrisch signaal kan genereren, kan hij onze sensor-datalogger zelf van stroom voorzien.”

Het team hoopt de sensoren ooit voor verschillende toepassingen te kunnen gebruiken, zoals het registreren van neurale activiteit of het monitoren van glucosespiegels in het menselijk lichaam.

In een korte Q&A met Tech Briefs hieronder onthult prof. Chakrabartty zijn ideeën voor de zelfaangedreven technologie.

Tech Briefs :Simpel gezegd, hoe kun je een sensor een jaar lang laten werken, met slechts een kleine initiële energie-input? Gaat het om het regelen van de stroomelektronen?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Ja, het draait allemaal om het beheersen van de stroom van elektronen. We programmeren in eerste instantie zo'n 50 miljoen elektronen op een drijvend eiland. Door gebruik te maken van Fowler-Nordheim (FN) kwantumtunneling, regelen we de snelheid waarmee de elektronen uit dit eiland lekken. In dit geval liggen de elektronenleksnelheden in het bereik van enkele elektronen per seconde tot 1 elektron per minuut. Het interessante concept in dit werk is hoe de fysica van FN-tunneling ervoor zorgt dat twee apparaten kunnen worden gematcht, zelfs als de elektronen zo langzaam weglekken.

Tech Briefs :Ik wil me concentreren op deze kleine initiële energie-input - wat is er nodig om de appel als het ware van de boom te trekken? Wat is die "kleine initiële energie-input?" Waar komt het vandaan en hoeveel is er nodig?

Prof. Shantanu Chakrabartty :De initiële energie is nodig om de elektronen op het drijvende eiland te deponeren. Dit kan worden gedaan tijdens de fabricage of initialisatie. Voor één apparaat hebben we het over een initiële energie van slechts 10 picoJoules. Merk op dat deze energie gelijk is aan de energie die moet worden gedissipeerd om een ​​beetje veel herinneringen te schrijven. Zodra dit aanvankelijke aantal elektronen is afgezet, neemt de fysica van kwantumtunneling het over en heeft het apparaat geen extra energie nodig om te werken. Alle energie voor detectie komt van de transducer, zoals een glucosesensor of een piëzo-elektrische sensor.

Tech Briefs :Wat zijn de grootste uitdagingen bij het beheersen van die energie zodat deze de sensor effectief van stroom voorziet?

Prof. Shantanu Chakrabartty :De eerste voeding van het apparaat is geen probleem, want zodra we de elektronen kunnen afzetten, kalibreert het apparaat zichzelf. De grootste uitdaging zit hem in het waarnemen - dat ons apparaat alles kan oppikken als die bron energie aan ons apparaat kan koppelen. Gevoeligheid heeft dus een prijs, maar daarom gebruiken we een differentiële architectuur om omgevingsartefacten te compenseren. De andere uitdaging is de uitlezing van het apparaat - met slechts een paar elektronen die door de barrière tunnelen, is de verandering in spanning die moet worden uitgelezen in de orde van microvolts.

Tech Briefs :Wat is de meest opwindende toepassing of toepassingen die u voor ogen heeft met deze zelfaangedreven sensor?

Meer sensoren op technische briefing

Blog: Dr. James Rees brengt de tijd door in zijn laboratorium met het testen van sensoren gemaakt van bacteriën.

Tijdschrift: . Ontdek hoe COVID-19 de strategieën voor sensor- en data-acquisitie heeft veranderd.

Video: Een "SwingBot" van MIT leert omgaan met objecten.

Prof. Shantanu Chakrabartty :Dit is een platformtechnologie die kan worden toegepast op een breed scala aan detectietoepassingen. Op de energie-/vermogensniveaus die we rapporteren, kan een biologische cel ons sensorapparaat nu echter zelf van stroom voorzien.

We hebben geprobeerd deze sensoren te gebruiken om neurale activiteit in de hersenen van een organisme te registreren, waar de elektrische activiteit in de hersenen het apparaat aandrijft. Dat was de focus van de onderzoeksbeurs van het National Institute of Health die dit project oorspronkelijk financierde.

Dus in dat opzicht werkt dit apparaat als een USB-geheugenstick die wordt aangesloten op de hersenen, die ook als stroombron fungeren. We kunnen meerdere exemplaren van deze apparaten hebben (in feite kunnen we er miljoenen op een enkele chip integreren) die de neurale activiteit detecteren en opslaan. De uitdaging die we hebben geprobeerd aan te pakken, is hoe we de gebeurtenissen kunnen reconstrueren nadat de chip is opgehaald en de opgeslagen informatie is gemeten.

Wat denk je? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.