5,000万電子の衝撃で、センサーは自分自身に電力を供給します

わずか5000万電子のジャンプスタートで、センサーは1年以上自分自身に電力を供給することができます。

セントルイスのワシントン大学の研究者は、シャンタヌチャクラバルティ教授を中心に、「トンネリング」と呼ばれる量子効果を利用してセルフパワーセンサーを作成しました。

複雑な物理学に依存するデバイスの場合、センサーはやや単純です。必要なコンポーネントは、4つのコンデンサと2つのトランジスタです。

これらの6つの部分から、Chakrabarttyのチームは、それぞれ2つのコンデンサと1つのトランジスタを備えた2つの動的システムを構築しました。コンデンサは、それぞれ約5,000万個の電子を含む小さな初期電荷を保持します。

デバイスの初期化フェーズでは、5,000万個の電子がプログラムされます。

デバイスには、一種の小さな分割封鎖も含まれています。厚さが100原子未満の「ファウラー・ノルドハイムトンネル障壁」は、コンデンサーのプレートと半導体材料の間に配置されています。センサーは、境界を調整して電子の流れをより適切に制御することにより、長期間にわたってセンサー自体に電力を供給することができます。

「それを適度に遅くして、毎分1電子まで下げても、信頼性を維持することができます」とChakrabartty氏は述べています。

その速度では、動的システムは1年以上、バッテリーなしで計時装置のように動作します。

周囲の動きを測定するために、小さな圧電加速度計がセンサーに接続されました。研究者は加速度計を機械的に振った。その後、その動きは電気信号に変換されました。

信号は障壁の形を変え、量子物理学の規則のおかげで、電子が障壁を通過する速度を変えました。

もっと簡単に言えば、電子は障壁を越えませんでした。彼らはそれを通り抜けました。

特定の数の電子がバリアを通り抜ける確率は、バリアのサイズの関数です。砂時計に少し似ていると、チャクラバルティはTechBriefsに語った。

5,000万個の電子はそれぞれ、トンネル障壁を通り抜ける砂粒のようなものです。トランスデューサー信号は、細いチューブの直径を制御します。したがって、大きな信号が伝達されると、チューブが拡大し、より多くの電子がバリアを通過します。

「（一定期間後）上部チャンバーに残っている「砂」または電子の合計を測定することで、トランスデューサー信号の合計平均エネルギーを推定できます」とチャクラバルティ氏は述べています。

実験後、研究チームはセンシングシステムとリファレンスシステムの両方のコンデンサの電圧を読み取りました。彼らは、2つの電圧の差を使用して、トランスデューサーからの真の測定値を見つけ、センサーによって生成された総エネルギーを決定しました。

「現在、プラットフォームは一般的です」とChakrabartty氏は述べています。 「それは、デバイスに何を結合するかによって異なります。電気信号を生成できるトランスデューサーがあれば、センサーデータロガーに自己給電できます。」

チームは、いつの日か、神経活動の記録や人体内部の血糖値の監視など、さまざまなアプリケーションにセンサーを使用することを望んでいます。

Tech Briefs との短いQ＆A 以下では、Chakrabartty教授が、セルフパワーテクノロジーに関する彼のアイデアを明らかにしています。

技術概要 ：簡単に言えば、わずかな初期エネルギー入力で、どのようにしてセンサーを1年間稼働させることができますか？流れの電子を制御することですか？

教授シャンタヌチャクラバルティ ：はい、それはすべて電子の流れを制御することです。最初に、浮島で約5,000万個の電子をプログラムします。次に、Fowler-Nordheim（FN）量子トンネリングを利用して、この島から電子が漏れる速度を制御します。この場合、電子の漏れ率は1秒あたり数電子から1分あたり1電子の範囲です。この作業の興味深い概念は、FNトンネリングの物理学により、電子がこのように遅い速度で漏れている場合でも、2つのデバイスを一致させることができる方法です。

技術概要 ：この小さな初期エネルギー入力に焦点を当てたいと思います—いわば、リンゴを木から引き離すために何が必要ですか？その「小さな初期エネルギー入力」とは何ですか？それはどこから来て、どれくらい必要ですか？

教授シャンタヌチャクラバルティ ：浮島に電子を堆積させるために初期エネルギーが必要です。これは、製造中または初期化中に実行できます。 1つのデバイスについて、わずか10ピコジュールの初期エネルギーについて話します。このエネルギーは、1ビット多くのメモリを書き込むために消費する必要のあるエネルギーに相当することに注意してください。この最初の数の電子が蓄積されると、量子トンネリングの物理学が引き継ぎ、デバイスは動作するために余分なエネルギーを必要としません。センシングのすべてのエネルギーは、グルコースセンサーや圧電センサーなどのトランスデューサーから供給されます。

技術概要 ：センサーに効果的に電力を供給するようにそのエネルギーを制御する上での最大の課題は何ですか？

教授シャンタヌチャクラバルティ ：電子を蓄積できるようになると、デバイスはそれ自体を自己校正するため、デバイスの初期電源供給は問題になりません。最大の課題は、センシングに関するものです。そのソースがエネルギーをデバイスに結合できる場合、デバイスはすべてを拾うことができます。したがって、感度には代償が伴いますが、それが環境アーティファクトを補正するために差動アーキテクチャを使用している理由です。もう1つの課題は、デバイスの読み取りです。バリアを通過する電子はごくわずかであるため、読み取る必要のある電圧の変化はマイクロボルトのオーダーです。

技術概要 ：このセルフパワーセンサーで想像する最もエキサイティングなアプリケーションは何ですか？

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ブログ： ジェームズ・リース博士は、バクテリアから作られたセンサーをテストする彼の研究室で時間を過ごしています。

雑誌： 。 COVID-19がセンサーとデータ取得戦略をどのように変えたかをご覧ください。

ビデオ： MITの「SwingBot」はオブジェクトの処理方法を学んでいます。

教授シャンタヌチャクラバルティ ：これはプラットフォーム技術であるため、幅広いセンシングアプリケーションに適用できます。ただし、報告している電力/エネルギーレベルでは、生体細胞がセンシングデバイスに自己電力を供給できるようになりました。

私たちはこれらのセンサーを使用して、脳内の電気的活動がデバイスに電力を供給する生物の脳内の神経活動を記録しようとしています。これが、このプロジェクトに最初に資金を提供した国立衛生研究所の研究助成金の焦点でした。

したがって、その点で、このデバイスは、脳に接続されるUSBメモリスティックのように機能し、電源としても機能します。神経活動を感知して保存するこれらのデバイスの複数のコピーを作成できます（実際、数百万のデバイスを1つのチップに統合できます）。私たちが取り組んでいる課題は、チップが取得され、保存された情報が測定された後、イベントをどのように再構築するかです。

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