5000万電子パルスで自己駆動センサーが1年以上稼働

わずか5000万電子のジャンプスタートで、センサーが1年以上自己駆動可能になりました。

セントルイス・ワシントン大学のシャンタヌ・チャクラバルティ教授率いる研究チームが、「トンネリング」として知られる量子効果を利用して自己駆動センサーを創出しました。

複雑な物理学に依存するデバイスですが、センサー自体はある程度シンプルです。必要構成部品は4つのコンデンサと2つのトランジスタのみ。

これら6部品から、チャクラバルティチームは各々2コンデンサと1トランジスタを持つ2つの動的システムを構築。コンデンサは各々約5000万電子の微小初期電荷を保持。

5000万電子はデバイス初期化フェーズでプログラミングされます。

デバイスには一種の微小分断障壁も含まれます。100原子層未満の厚さの「ファウラー・ノルドハイム・トンネリング障壁」が、コンデンサプレートと半導体材料の間に配置。センサーは障壁を調整して電子流をより良く制御することで、長期間自己駆動します。

「1分間に1電子という極めて遅いレートまで合理的に遅くでき、それでも信頼性を維持できます」とチャクラバルティ教授は語ります。

このレートでは、動的システムは電池なしで1年以上、時計装置のように動作します。

環境動作測定のため、微小圧電加速度計をセンサーに接続。研究者たちが加速度計を機械的に振動させ、その動きが電気信号へ変換されました。

信号が障壁形状を変化させ、量子物理学の法則により、電子が障壁を通過するレートが変化しました。

より簡単に言えば、電子は障壁を越えるのではなく、量子トンネル効果で障壁を「通り抜け」ました。

一定数の電子が障壁をトンネリングする確率は、障壁サイズの関数です。これは少し砂時計に似ています、とチャクラバルティ教授はTech Briefsに語りました。

5000万電子のそれぞれが砂粒のように、トンネリング障壁の狭い管を流れ落ちます。トランスデューサ信号が管の直径を制御。大きな信号が変換されると管が拡大し、より多くの電子が障壁を通り抜けます。

「一定期間後の上部チャンバー（コンデンサ）に残る『砂』、すなわち電子の総量を測定することで、トランスデューサ信号の総平均エネルギーを推定できます」とチャクラバルティ教授。

実験後、研究チームはセンシング系とリファレンス系両コンデンサの電圧を読み取り、二電圧差からトランスデューサの真の測定値と、センサーが生成し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汎用的です」とチャクラバルティ教授。「トランスデューサが電気信号を生成できる限り、何でもデバイスに結合可能です。グルコースセンサーや圧電センサーなど、トランスデューサからの全てのセンシングエネルギーで自己駆動します。」

チームは将来、神経活動記録や人体内グルコースレベル監視など多様な応用への活用を期待しています。

チャクラバルティ教授への短いQ&A

Tech Briefs： 簡単に言えば、どうやってわずかな初期エネルギー入力でセンサーを1年動作させられるのか？電子流制御が鍵？

チャクラバルティ教授： はい、全ては電子流制御です。浮遊アイランドに約5000万電子を初期プログラミング。ファウラー・ノルドハイム（FN）量子トンネリングを利用し、このアイランドから電子が漏出するレートを制御。電子漏出レートは1秒あたり数電子から1分あたり1電子の範囲。この研究の興味深い概念は、FNトンネリング物理学が、電子漏出がそんなに遅くても2デバイスをマッチング可能にすることです。

Tech Briefs： この微小初期エネルギー入力に焦点を当てたい——木からリンゴを引き離すのに必要なもの、いわば「微小初期エネルギー入力」とは？どこから来て、どれくらい必要？

チャクラバルティ教授： 初期エネルギーは浮遊アイランドへ電子を堆積させるために必要。製造時または初期化時に実行可能。1デバイスあたり初期エネルギーはわずか10ピコジュール。これは多くのメモリで1ビット書込みに消費されるエネルギーと同等。一度初期電子数が堆積されれば、量子トンネリング物理学が引き継ぎ、デバイスは動作に追加エネルギー不要。全センシングエネルギーはトランスデューサ——グルコースセンサーや圧電センサー等——から来ます。

Tech Briefs： そのエネルギーを効果的にセンサー駆動へ制御する上での最大課題は？

チャクラバルティ教授： デバイス初期給電は問題ではない。一度電子堆積できればデバイスは自己校正する。最大課題はセンシング関連——エネルギーをデバイスに結合できるソースなら何でも拾ってしまう感度。感度は代償を伴うが、そのため差動アーキテクチャで環境アーティファクトを補償している。もう一つの課題はデバイス読み出し——障壁をトンネリングする電子がわずかしかないため、読み出す電圧変化はマイクロボルトオーダー。

Tech Briefs： この自己駆動センサーで最もエキサイティングと想定する応用は？

チャクラバルティ教授： これはプラットフォーム技術なので幅広いセンシング応用に適用可能。しかし報告しているパワー/エネルギーレベルでは、生物学的細胞が今や我々のセンシングデバイスを自己駆動可能になります。

脳内電気活動でデバイスを駆動しながら、生物の脳神経活動を記録する用途を試みてきました。それが元々このプロジェクトに資金提供した米国国立衛生研究所（NIH）研究助成金の焦点でした。

その意味で、このデバイスは脳に差し込まれ、電源にもなるUSBメモリースティックのような働きをします。これらデバイスを複数個（実際には1チップ上に百万個統合可能）用意し、神経活動をセンシング・記録できます。チップ回収・保存情報測定後のイベント再構築方法が、我々が取り組んできた課題です。

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