Mit einem 50-Millionen-Elektronen-Ruck treiben Sensoren sich selbst an

Mit nur einer 50-Millionen-Elektronen-Starthilfe können Sensoren sich für mehr als ein Jahr selbst mit Strom versorgen.

Forscher der Washington University in St. Louis unter der Leitung von Prof. Shantanu Chakrabartty entwickelten selbstversorgte Sensoren, indem sie sich einen Quanteneffekt zunutze machten, der als „Tunneleffekt“ bekannt ist.

Für ein Gerät, das auf komplexer Physik beruht, ist der Sensor etwas einfach. Die benötigten Komponenten sind vier Kondensatoren und zwei Transistoren.

Aus diesen sechs Teilen baute Chakrabarttys Team zwei dynamische Systeme mit jeweils zwei Kondensatoren und einem Transistor. Die Kondensatoren halten eine kleine Anfangsladung, jeweils etwa 50 Millionen Elektronen.

Die 50 Millionen Elektronen werden während der Initialisierungsphase des Geräts einprogrammiert.

Die Geräte enthalten auch eine Art winzige Trennblockade. Die "Fowler-Nordheim-Tunnelbarriere" ist weniger als 100 Atome dick und befindet sich zwischen der Platte eines Kondensators und einem Halbleitermaterial. Der Sensor ist in der Lage, sich selbst für längere Zeit mit Strom zu versorgen, indem er die Grenze anpasst, um den Elektronenfluss besser zu steuern.

"Sie können es ziemlich langsam machen, bis zu einem Elektron pro Minute, und es trotzdem zuverlässig halten", sagte Chakrabartty.

Bei dieser Geschwindigkeit läuft das dynamische System wie ein Zeitmessgerät – ohne Batterien – für mehr als ein Jahr.

Um die Umgebungsbewegung zu messen, wurde ein winziger piezoelektrischer Beschleunigungsmesser mit dem Sensor verbunden. Die Forscher schüttelten den Beschleunigungsmesser mechanisch; seine Bewegung wurde dann in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Das Signal veränderte die Form der Barriere, was dank der Regeln der Quantenphysik die Geschwindigkeit veränderte, mit der die Elektronen die Barriere passierten.

Einfacher gesagt, die Elektronen gingen nicht über die Barriere. Sie haben direkt hindurch getunnelt.

Die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Anzahl von Elektronen durch die Barriere tunnelt, ist eine Funktion der Barrieregröße. Es ist ein bisschen wie eine Sanduhr, sagte Chakrabartty zu Tech Briefs.

Jedes der 50 Millionen Elektronen ist wie ein Sandkorn, das durch die Tunnelbarriere strömt. Das Wandlersignal steuert den Durchmesser des schmalen Rohrs. Wenn also ein großes Signal umgewandelt wird, vergrößert sich die Röhre und mehr Elektronen strömen durch die Barriere.

"Indem wir den gesamten 'Sand' oder die Elektronen messen, die (nach einer bestimmten Zeit) in der oberen Kammer verbleiben, können wir die durchschnittliche Gesamtenergie des Wandlersignals abschätzen", sagte Chakrabartty.

Nach den Experimenten las das Forschungsteam die Spannung sowohl in den Kondensatoren des Mess- als auch des Referenzsystems ab. Sie verwendeten die Differenz der beiden Spannungen, um die wahren Messwerte des Wandlers zu ermitteln und die vom Sensor erzeugte Gesamtenergie zu bestimmen.

„Im Moment ist die Plattform generisch“, sagte Chakrabartty. „Es kommt nur darauf an, was man an das Gerät koppelt. Solange Sie einen Wandler haben, der ein elektrisches Signal erzeugen kann, kann er unseren Sensor-Datenlogger selbst mit Strom versorgen.“

Das Team hofft, die Sensoren eines Tages für eine Vielzahl von Anwendungen nutzen zu können, wie z. B. die Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten oder die Überwachung des Glukosespiegels im menschlichen Körper.

In einem kurzen Q&A mit Tech Briefs Unten enthüllt Prof. Chakrabartty seine Ideen für die autarke Technologie.

Technische Informationen :Wie schafft man es, vereinfacht gesagt, einen Sensor mit geringem Energieaufwand ein Jahr lang zum Laufen zu bringen? Geht es darum, die fließenden Elektronen zu kontrollieren?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Ja, es geht darum, den Elektronenfluss zu kontrollieren. Wir programmieren zunächst etwa 50 Millionen Elektronen auf einer schwimmenden Insel. Dann steuern wir durch Ausnutzung des Fowler-Nordheim (FN)-Quantentunnelns die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen aus dieser Insel austreten. Die Elektronenleckraten liegen dabei im Bereich von wenigen Elektronen pro Sekunde bis zu 1 Elektron pro Minute. Das interessante Konzept in dieser Arbeit ist, wie die Physik des FN-Tunnelns sicherstellt, dass zwei Bauelemente angepasst werden können, selbst wenn die Elektronen so langsam austreten.

Technische Informationen :Ich möchte mich auf diesen kleinen anfänglichen Energieaufwand konzentrieren – was ist erforderlich, um sozusagen den Apfel vom Baum zu ziehen? Was ist dieser „kleine anfängliche Energieeintrag“? Woher kommt es und wie viel wird benötigt?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Die Anfangsenergie wird benötigt, um die Elektronen auf der schwebenden Insel abzulagern. Dies kann während der Herstellung oder Initialisierung erfolgen. Bei einem Gerät sprechen wir von einer Anfangsenergie von nur 10 PicoJoule. Beachten Sie, dass diese Energie der Energie entspricht, die verbraucht werden muss, um ein Bit viele Speicher zu schreiben. Sobald diese anfängliche Anzahl von Elektronen abgelagert ist, übernimmt die Physik des Quantentunnelns und das Gerät benötigt keine zusätzliche Energie zum Betrieb. Die gesamte Energie für die Wahrnehmung kommt vom Transducer – wie ein Glukosesensor oder ein piezoelektrischer Sensor.

Technische Informationen :Was sind die größten Herausforderungen bei der Steuerung dieser Energie, damit sie den Sensor effektiv antreibt?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Das anfängliche Einschalten des Geräts ist kein Problem, da sich das Gerät selbst kalibriert, sobald wir in der Lage sind, die Elektronen abzugeben. Die größte Herausforderung liegt in der Wahrnehmung – dass unser Gerät alles aufnehmen kann, wenn diese Quelle Energie in unser Gerät einkoppeln kann. Empfindlichkeit hat also ihren Preis, aber deshalb verwenden wir eine differenzielle Architektur, um Umgebungsartefakte zu kompensieren. Die andere Herausforderung ist das Auslesen des Geräts – da nur wenige Elektronen durch die Barriere tunneln, liegt die auszulesende Spannungsänderung in der Größenordnung von Mikrovolt.

Technische Informationen :Was ist die aufregendste Anwendung oder Anwendungen, die Sie sich mit diesem Sensor mit eigener Stromversorgung vorstellen?

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Prof. Shantanu Chakrabartty :Dies ist eine Plattformtechnologie, die für eine Vielzahl von Sensoranwendungen eingesetzt werden kann. Bei den von uns gemeldeten Leistungs-/Energieniveaus kann eine biologische Zelle unser Sensorgerät nun selbst mit Strom versorgen.

Wir haben versucht, diese Sensoren zu verwenden, um die neuronale Aktivität im Gehirn eines Organismus aufzuzeichnen, wobei die elektrische Aktivität im Gehirn das Gerät antreibt. Das war der Schwerpunkt des Forschungsstipendiums des National Institute of Health, das dieses Projekt ursprünglich finanzierte.

In dieser Hinsicht verhält sich dieses Gerät also wie ein USB-Speicherstick, der an das Gehirn angeschlossen wird, das auch als Stromquelle dient. Wir können mehrere Kopien dieser Geräte haben (tatsächlich können wir Millionen davon auf einem einzigen Chip integrieren), die die neuronale Aktivität erfassen und speichern. Die Herausforderung, der wir uns zu stellen versucht haben, besteht darin, die Ereignisse zu rekonstruieren, nachdem der Chip abgerufen und die gespeicherten Informationen gemessen wurden.

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