50-miljoen-electronen puls stelt zelf-gevoede sensoren in staat om meer dan een jaar te opereren

Met slechts een 50-miljoen-electronen startstoot, kunnen sensoren zichzelf meer dan een jaar laten voeden.

Onderzoekers van Washington University in St. Louis, geleid door Prof. Shantanu Chakrabartty, creëerden zelf-gevoede sensoren door gebruik te maken van een kwantumeffect bekend als „tunneling.”

Voor een apparaat dat op complexe fysica vertrouwt, is de sensor enigszins simpel. De benodigde componenten zijn vier condensatoren en twee transistors.

Van deze zes onderdelen bouwde Chakrabartty's team twee dynamische systemen, elk met twee condensatoren en een transistor. De condensatoren houden een kleine initiële lading, ongeveer 50 miljoen elektronen elk.

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

De apparaten bevatten ook een soort minuscule scheidingsschans. Minder dan 100 atomen dik, is de „Fowler-Nordheim tunneling barrière” gepositioneerd tussen de plaat van een condensator en een halfgeleidermateriaal. De sensor is in staat om zichzelf voor lange periodes te voeden door de grens aan te passen om de stroom van elektronen beter te controleren.

„Je kunt het redelijk langzaam maken, tot één elektron per minuut en het nog steeds betrouwbaar houden,” zei Chakrabartty.

Met die snelheid loopt het dynamische systeem als een tijdsmeetapparaat — zonder enige batterijen — meer dan een jaar.

Om omgevingsbeweging te meten, werd een minuscule piezoelektrische accelerometer aan de sensor gekoppeld. Onderzoekers schudden de accelerometer mechanisch; de beweging werd dan omgezet in een elektrisch signaal.

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

Om het simpeler te zeggen, de elektronen gingen niet over de barrière. Ze tunnelden er doorheen.

De kans dat een bepaald aantal elektronen door de barrière tunnelt is een functie van de barrière's grootte. Het is een beetje als een zandloper, vertelde Chakrabartty aan Tech Briefs.

Elk van de 50 miljoen elektronen is als een korreltje zand, door de tunneling barrière stromend. Het transducersignaal controleert de diameter van de smalle buis. Dus, wanneer een groot signaal getransduceerd wordt, vergroot de buis en stromen meer elektronen door de barrière.

„Door het totale overgebleven 'zand', of elektronen, in de bovenkamer (na een bepaalde periode) te meten, kunnen we de totale gemiddelde energie van het transducersignaal schatten,” zei Chakrabartty.

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

„Op dit moment is het platform generiek,” zei Chakrabartty. „Het hangt ervan af wat je koppelt aan het apparaat. Zolang je een transducer hebt die een elektrisch signaal kan genereren, kan het onze sensor-data-logger zelf voeden.”

Het team hoopt de sensoren ooit voor diverse toepassingen te gebruiken, zoals het vastleggen van neurale activiteit of het monitoren van glucose niveaus binnen het menselijk lichaam.

In een korte Q&A met Tech Briefs hieronder, onthult Prof. Chakrabartty zijn ideeën voor de zelf-gevoede technologie.

Tech Briefs: Eenvoudig gezegd, hoe krijg je een sensor een jaar lang draaiende met slechts een kleine initiële energie-invoer? Geht het om het controleren van de elektronenstroom?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Ja, het gaat allemaal om het controleren van de stroom van elektronen. We programmeren initieel ongeveer 50 miljoen elektronen op een drijvend eiland. Dan door Fowler-Nordheim (FN) kwantumtunneling te exploiteren controleren we de snelheid waarmee de elektronen uit dit eiland lekken. In dit geval zijn de elektronenlekketempo's in het bereik van een paar 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 gematched kunnen worden zelfs als de elektronen met zo'n lage snelheid lekken.

Tech Briefs: Ik wil me richten op deze kleine initiële energie-invoer — wat is vereist om de appel van de boom te plukken, zeg maar? Wat is die „kleine initiële energie-invoer?” Waar komt het vandaan, en hoeveel is er nodig?

Prof. Shantanu Chakrabartty: De initiële energie is vereist om de elektronen op het drijvende eiland te depositieren. Dit kan gedaan worden tijdens productie of initialisatie. Voor één apparaat praten we over een initiële energie van slechts 10 picoJoules. Let op dat deze energie equivalent is aan de energie die gedissipeerd moet worden om één bit in veel geheugens te schrijven. Eenmaal dit initiële aantal elektronen gedeponeerd is, neemt de fysica van kwantumtunneling over en heeft het apparaat geen extra energie nodig om te opereren. Alle energie voor sensing komt van de transducer — zoals een glucosesensor of een piezoelektrische sensor.

Tech Briefs: Wat zijn de grootste uitdagingen in het controleren van die energie zodat het de sensor effectief voedt?

Prof. Shantanu Chakrabartty: De initiële voeding van het apparaat is geen probleem aangezien zodra we in staat zijn de elektronen te depositieren, het apparaat zichzelf kalibreert. De grootste uitdaging is met betrekking tot sensing — dat ons apparaat alles kan oppikken als die bron energie in ons apparaat kan koppelen. Dus gevoeligheid komt met een prijs, maar dat is waarom we een differentiële architectuur gebruiken om te compenseren voor omgevingsartefacten. De andere uitdaging is de uitlezing van het apparaat — met slechts een paar elektronen die de barrière tunnelen, is de verandering in spanning die uitgelezen moet worden in de orde van microvolts.

Tech Briefs: Wat is de meest opwindende toepassing, of toepassingen, die je voorziet met deze zelf-gevoede sensor?

Meer Sensoren op Tech Briefs

Blog: Dr. James Rees besteedt tijd in zijn lab aan testen van sensoren gemaakt van bacteriën.

Magazine: Leer hoe COVID-19 sensor- en data-acquisitiestrategieën heeft veranderd.

Video: Een „SwingBot” van MIT leert hoe om objecten te hanteren.

Prof. Shantanu Chakrabartty: Dit is een platform technologie dus kan toegepast worden op een breed bereik van sensing toepassingen. Echter, op de vermogen/energieniveaus die we rapporteren, kan een biologische cel nu onze sensing device zelf voeden.

We hebben geprobeerd deze sensoren te gebruiken om neurale activiteit in de hersenen van een organisme vast te leggen, waar de elektrische activiteit binnen de hersenen het apparaat voedt. Dat was de focus van het National Institute of Health onderzoeksgrant dat dit project oorspronkelijk finandeerde.

Dus, in die zin, werkt dit apparaat als een USB geheugenstekker die in de hersenen wordt gestoken, die ook fungeert als de bron van stroom. We kunnen meerdere kopieën van deze apparaten hebben (feitelijk kunnen we een miljoen van ze op een enkele chip integreren) die de neurale activiteit senseren en opslaan. De uitdaging die we hebben geprobeerd aan te pakken is hoe de gebeurtenissen te reconstrueren nadat de chip opgehaald is en de opgeslagen informatie gemeten is.

Wat denk je? Deel je vragen en opmerkingen hieronder.