50-Millionen-Elektronen-Impuls ermöglicht selbstversorgende Sensoren für über ein Jahr Betrieb

Mit nur einem 50-Millionen-Elektronen-Anstoß können Sensoren sich selbst für mehr als ein Jahr mit Energie versorgen.

Forschende der Washington University in St. Louis, geleitet von Prof. Shantanu Chakrabartty, schufen selbstversorgende Sensoren, indem sie einen quantenmechanischen Effekt nutzten, der als „Tunneln“ bekannt ist.

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

Aus diesen sechs Bauteilen baute Chakrabartty’s Team zwei dynamische Systeme, jedes mit zwei Kondensatoren und einem Transistor. Die Kondensatoren halten eine kleine Anfangsladung, etwa 50 Millionen Elektronen jeweils.

Die 50 Millionen Elektronen werden während der Geräteinitialisierungsphase programmiert.

Die Geräte enthalten auch eine Art winzige trennende Barriere. Weniger als 100 Atome dick, ist die „Fowler-Nordheim-Tunnelbarriere“ zwischen der Platte eines Kondensators und einem Halbleitermaterial positioniert. Der Sensor kann sich selbst für lange Zeiträume mit Energie versorgen, indem er die Barriere anpasst, um den Elektronenfluss besser zu kontrollieren.

„Man kann es vernünftig langsam machen, bis zu einem Elektron pro Minute und es trotzdem zuverlässig halten“, sagte Chakrabartty.

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

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

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

Einfacher ausgedrückt: Die Elektronen gingen nicht über die Barriere. Sie tunnelten direkt hindurch.

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 rieselt. Das Wandler-Signal steuert den Durchmesser der engen Röhre. Wenn also ein großes Signal transduziert wird, erweitert sich die Röhre und mehr Elektronen strömen durch die Barriere.

„Indem wir die gesamte verbleibende ‚Sand‘-Menge, also Elektronen, in der oberen Kammer (nach einer bestimmten Zeit) messen, können wir die gesamte durchschnittliche Energie des Wandler-Signals schätzen“, sagte Chakrabartty.

Nach den Experimenten las das Forschungsteam die Spannung in sowohl dem Sensorsystem als auch dem Referenzsystem-Kondensator aus. Sie nutzten die Differenz der beiden Spannungen, um die wahren Messwerte vom Wandler zu finden und die gesamte vom Sensor erzeugte Energie zu bestimmen.

„Im Moment ist die Plattform generisch“, sagte Chakrabartty. „Es hängt nur davon ab, was man an das Gerät koppelt. Solange man einen Wandler hat, der ein elektrisches Signal erzeugen kann, kann er unseren Sensor-Datenlogger selbst mit Energie versorgen.“

Das Team hofft, die Sensoren künftig für eine Vielzahl von Anwendungen zu nutzen, wie die Aufzeichnung neuronaler Aktivität oder die Überwachung von Glukosewerten im menschlichen Körper.

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

Tech Briefs: Einfach gesprochen, wie schaffen Sie es, einen Sensor ein Jahr lang mit nur einem kleinen anfänglichen Energieinput laufen zu lassen? Geht es um die Kontrolle des Elektronenflusses?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Ja, es geht ganz um die Kontrolle des Elektronenflusses. Wir programmieren initially etwa 50 Millionen Elektronen auf eine schwimmende Insel. Dann nutzen wir Fowler-Nordheim (FN) Quantentunneln, um die Rate zu kontrollieren, mit der die Elektronen aus dieser Insel austreten. In diesem Fall liegen die Elektronenleckraten 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 Geräte abgeglichen werden können, selbst wenn die Elektronen mit so langsamer Rate austreten.

Tech Briefs: Ich möchte mich auf diesen kleinen anfänglichen Energieinput konzentrieren – was ist nötig, um den Apfel vom Baum zu pflücken, sozusagen? Was ist dieser „kleine anfängliche Energieinput“? Woher kommt er, und wie viel wird benötigt?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Die initiale Energie wird benötigt, um die Elektronen auf die schwimmende Insel zu deponieren. Dies kann während der Fertigung oder Initialisierung erfolgen. Für ein Gerät sprechen wir von einer initialen Energie von nur 10 Pikojoule. Beachten Sie, dass diese Energie der Energie entspricht, die dissipiert werden muss, um ein Bit in vielen Speichern zu schreiben. Sobald diese initiale Anzahl an Elektronen deponiert ist, übernimmt die Physik des Quantentunnelns und das Gerät benötigt keine zusätzliche Energie zum Betrieb. Die gesamte Energie für das Sensing kommt vom Wandler – wie ein Glukosesensor oder ein piezoelektrischer Sensor.

Tech Briefs: Was sind die größten Herausforderungen bei der Kontrolle dieser Energie, damit sie den Sensor effektiv versorgt?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Das initiale Betanken des Geräts ist kein Problem, da das Gerät sich selbst kalibriert, sobald wir in der Lage sind, die Elektronen zu deponieren. Die größte Herausforderung betrifft das Sensing – dass unser Gerät alles aufnehmen kann, wenn diese Quelle Energie in unser Gerät koppeln kann. Also Sensitivität hat ihren Preis, aber deshalb nutzen wir eine differentielle Architektur, um Umgebungsartefakte zu kompensieren. Die andere Herausforderung ist das Auslesen des Geräts – mit nur wenigen Elektronen, die die Barriere tunneln, liegt die Spannungsänderung, die ausgelesen werden muss, im Mikrovolt-Bereich.

Tech Briefs: Was ist die aufregendste Anwendung, die Sie mit diesem selbstversorgenden Sensor vorstellen?

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Prof. Shantanu Chakrabartty: Dies ist eine Plattformtechnologie, die auf eine breite Palette von Sensing-Anwendungen angewendet werden kann. Auf den von uns berichteten Leistungs-/Energieniveaus kann eine biologische Zelle nun unser Sensing-Gerät selbst mit Energie versorgen.

Wir haben versucht, diese Sensoren zu nutzen, um neuronale Aktivität im Gehirn eines Organismus aufzuzeichnen, wo die elektrische Aktivität im Gehirn das Gerät mit Energie versorgt. Das war der Fokus des National Institute of Health Forschungsgrants, der dieses Projekt ursprünglich finanzierte.

In dieser Hinsicht verhält sich dieses Gerät wie ein USB-Speicherstick, der in das Gehirn gesteckt wird, das auch als Energiequelle fungiert. Wir können mehrere Kopien dieser Geräte haben (tatsächlich können wir Millionen davon auf einem einzigen Chip integrieren), die neuronale Aktivität erfassen und speichern. Die Herausforderung, die wir zu bewältigen versucht haben, ist, wie man die Ereignisse nach dem Auslesen des Chips und der Messung der gespeicherten Informationen rekonstruiert.

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