Con una descarga de 50 millones de electrones, los sensores se alimentan solos

Con solo un arranque de 50 millones de electrones, los sensores pueden alimentarse por sí mismos durante más de un año.

Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, dirigidos por el profesor Shantanu Chakrabartty, crearon sensores autoalimentados aprovechando un efecto cuántico conocido como "tunelización".

Para un dispositivo que se basa en física compleja, el sensor es algo simple. Los componentes necesarios son cuatro condensadores y dos transistores.

A partir de estas seis partes, el equipo de Chakrabartty construyó dos sistemas dinámicos, cada uno con dos capacitores y un transistor. Los condensadores tienen una pequeña carga inicial, de unos 50 millones de electrones cada uno.

Los 50 millones de electrones se programan durante la fase de inicialización del dispositivo.

Los dispositivos también contienen una especie de diminuto bloqueo divisorio. Con menos de 100 átomos de espesor, la "barrera de túnel Fowler-Nordheim" se coloca entre la placa de un condensador y un material semiconductor. El sensor puede alimentarse por sí mismo durante largos períodos de tiempo ajustando el límite para controlar mejor el flujo de electrones.

"Puedes hacerlo razonablemente lento, hasta un electrón por minuto y aun así mantenerlo confiable", dijo Chakrabartty.

A ese ritmo, el sistema dinámico funciona como un dispositivo de cronometraje, sin baterías, durante más de un año.

Para medir el movimiento ambiental, se conectó al sensor un diminuto acelerómetro piezoeléctrico. Los investigadores agitaron mecánicamente el acelerómetro; su movimiento se transformó luego en una señal eléctrica.

La señal cambió la forma de la barrera, que, gracias a las reglas de la física cuántica, cambió la velocidad a la que los electrones pasaban la barrera.

En pocas palabras, los electrones no atravesaron la barrera. Hicieron un túnel a través de él.

La probabilidad de que un cierto número de electrones atraviesen la barrera depende del tamaño de la barrera. Es un poco como un reloj de arena, dijo Chakrabartty a Tech Briefs.

Cada uno de los 50 millones de electrones es como un grano de arena que atraviesa la barrera del túnel. La señal del transductor controla el diámetro del tubo estrecho. Entonces, cuando se transduce una señal grande, el tubo se agranda y pasan más electrones a través de la barrera.

"Al medir la 'arena' total, o los electrones, que quedan en la cámara superior (después de un cierto período de tiempo), podemos estimar la energía promedio total de la señal del transductor", dijo Chakrabartty.

Después de los experimentos, el equipo de investigación leyó el voltaje en los capacitores del sistema de detección y de referencia. Usaron la diferencia en los dos voltajes para encontrar las medidas reales del transductor y para determinar la energía total generada por el sensor.

“En este momento, la plataforma es genérica”, dijo Chakrabartty. “Solo depende de lo que acoples al dispositivo. Siempre que tenga un transductor que pueda generar una señal eléctrica, puede alimentar automáticamente nuestro registrador de datos del sensor".

El equipo espera algún día usar los sensores para una variedad de aplicaciones, como registrar la actividad neuronal o monitorear los niveles de glucosa dentro del cuerpo humano.

En una breve sesión de preguntas y respuestas con Tech Briefs a continuación, el Prof. Chakrabartty revela sus ideas para la tecnología autoalimentada.

Resúmenes técnicos :En pocas palabras, ¿cómo puede hacer que un sensor funcione durante un año, con solo una pequeña entrada de energía inicial? ¿Se trata de controlar el flujo de electrones?

Profesor. Shantanu Chakrabarty :Sí, se trata de controlar el flujo de electrones. Inicialmente programamos alrededor de 50 millones de electrones en una isla flotante. Luego, al explotar el túnel cuántico de Fowler-Nordheim (FN), controlamos la velocidad a la que los electrones se escapan de esta isla. En este caso, las tasas de fuga de electrones están en el rango de unos pocos electrones por segundo a 1 electrón por minuto. El concepto interesante de este trabajo es cómo la física de los túneles FN garantiza que dos dispositivos puedan combinarse incluso si los electrones se están escapando a un ritmo tan lento.

Resúmenes técnicos :Quiero centrarme en esta pequeña entrada de energía inicial:¿qué se requiere para sacar la manzana del árbol, por así decirlo? ¿Qué es ese “pequeño aporte de energía inicial”? ¿De dónde proviene y cuánto se requiere?

Profesor. Shantanu Chakrabarty :Se requiere la energía inicial para depositar los electrones en la isla flotante. Esto se puede hacer durante la fabricación o la inicialización. Para un dispositivo, estamos hablando de una energía inicial de solo 10 picojulios. Tenga en cuenta que esta energía es equivalente a la energía que debe disiparse para escribir un bit de muchos recuerdos. Una vez que se deposita este número inicial de electrones, la física del túnel cuántico se hace cargo y el dispositivo no necesita energía adicional para funcionar. Toda la energía para la detección proviene del transductor, como un sensor de glucosa o un sensor piezoeléctrico.

Resúmenes técnicos :¿Cuáles son los mayores desafíos en el control de esa energía para que alimente efectivamente al sensor?

Profesor. Shantanu Chakrabarty :La alimentación inicial del dispositivo no es un problema ya que una vez que somos capaces de depositar los electrones, el dispositivo se autocalibra. El mayor desafío tiene que ver con la detección:que nuestro dispositivo pueda captar todo si esa fuente puede acoplar energía a nuestro dispositivo. Entonces, la sensibilidad tiene un precio, pero es por eso que estamos usando una arquitectura diferencial para compensar los artefactos ambientales. El otro desafío es la lectura del dispositivo:con solo unos pocos electrones atravesando la barrera, el cambio de voltaje que debe leerse es del orden de microvoltios.

Resúmenes técnicos :¿Cuál es la aplicación o aplicaciones más emocionantes que imagina con este sensor autoalimentado?

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Profesor. Shantanu Chakrabarty :Esta es una tecnología de plataforma, por lo que se puede aplicar a una amplia gama de aplicaciones de detección. Sin embargo, a los niveles de potencia/energía que informamos, una célula biológica ahora puede autoalimentar nuestro dispositivo de detección.

Hemos estado tratando de usar estos sensores para registrar la actividad neuronal en el cerebro de un organismo, donde la actividad eléctrica dentro del cerebro alimenta el dispositivo. Ese fue el enfoque de la beca de investigación del Instituto Nacional de Salud que originalmente financió este proyecto.

Entonces, en ese sentido, este dispositivo actúa como una memoria USB que se conecta al cerebro, que también actúa como fuente de energía. Podemos tener múltiples copias de estos dispositivos (de hecho, podemos integrar millones de ellos en un solo chip) que detectan y almacenan la actividad neuronal. El desafío que hemos estado tratando de abordar es cómo reconstruir los eventos después de que se recuperó el chip y se midió la información almacenada.

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