Pulso de 50 millones de electrones permite sensores autoalimentados operar por más de un año

Con solo un salto inicial de 50 millones de electrones, los sensores pueden autoalimentarse por más de un año.

Investigadores de la Universidad Washington en St. Louis, liderados por Prof. Shantanu Chakrabartty, crearon sensores autoalimentados aprovechando un efecto cuántico conocido como “tunelización”.

Para un dispositivo que depende de física compleja, el sensor es bastante simple. Componentes requeridos: cuatro capacitores y dos transistores.

De estas seis partes, el equipo de Chakrabartty construyó dos sistemas dinámicos, cada uno con dos capacitores y un transistor. Los capacitores retienen carga inicial pequeña, ~50 millones de electrones cada uno.

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

Los dispositivos también contienen una diminuta barrera divisoria. Menos de 100 átomos de grosor, la “barrera de tunelización Fowler-Nordheim” se posiciona entre placa de capacitor y material semiconductor. El sensor se autoalimenta por largos periodos ajustando la barrera para controlar mejor flujo de electrones.

“Puede hacerlo razonablemente lento, hasta un electrón por minuto y mantenerlo fiable”, dijo Chakrabartty.

A esa tasa, el sistema dinámico funciona como dispositivo de cronometraje —sin baterías— por más de un año.

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

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

Dicho más simple: los electrones no saltaron la barrera. La atravesaron por tunelización.

La probabilidad de que cierto número de electrones tunelicen la barrera es función del tamaño de la barrera. Es como un reloj de arena, dijo Chakrabartty a Tech Briefs.

Cada uno de los 50 millones de electrones es como grano de arena cayendo por tubo estrecho. La señal transducida controla diámetro del tubo. Cuando señal grande se transduce, tubo se ensancha y más electrones vierten.

“Midiendo total de ‘arena’, o electrones, restantes en cámara superior (tras cierto tiempo), podemos estimar energía total promedio de señal transducida”, dijo Chakrabartty.

Tras experimentos, equipo leyó voltaje en capacitores de sistemas sensor y referencia. Usaron diferencia de los dos voltajes para hallar mediciones verdaderas del transductor y determinar energía total generada por sensor.

“Ahora la plataforma es genérica”, dijo Chakrabartty. “Solo depende de qué acoples al dispositivo. Mientras tengas transductor que genere señal eléctrica, puede autoalimentar nuestro registrador de datos de sensor.”

El equipo espera usar sensores para variedad de aplicaciones, como registrar actividad neural o monitorizar niveles de glucosa dentro del cuerpo humano.

En breve Q&A con Tech Briefs abajo, Prof. Chakrabartty revela ideas para tecnología autoalimentada.

Tech Briefs: En simple, ¿cómo logran sensor funcione un año con solo pequeña energía inicial? ¿Controlan flujo de electrones?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Sí, todo se trata de controlar flujo de electrones. Programamos inicialmente ~50 millones de electrones en isla flotante. Luego explotando tunelización cuántica Fowler-Nordheim (FN) controlamos tasa a la que electrones escapan de esta isla. En este caso tasas de fuga son pocos electrones/segundo a 1 electrón/minuto. Concepto interesante es cómo física de tunelización FN asegura que dos dispositivos coincidan incluso si electrones escapan tan lento.

Tech Briefs: Enfoquemos en esta pequeña energía inicial —qué se requiere para “arrancar la manzana del árbol”? Qué es esa “pequeña energía inicial”? De dónde viene y cuánta se necesita?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Energía inicial requerida para depositar electrones en isla flotante. Puede hacerse durante fabricación o inicialización. Para un dispositivo hablamos de energía inicial de solo 10 picoJulios. Nota que esta energía equivale a energía disipada para escribir un bit en muchas memorias. Una vez depositado número inicial de electrones, física de tunelización cuántica toma control y dispositivo no necesita energía extra para operar. Toda energía para sensado viene del transductor —como sensor glucosa o piezoeléctrico.

Tech Briefs: Cuáles son mayores retos controlando esa energía para que efectivamente alimente sensor?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Alimentación inicial no es problema ya que una vez depositados electrones, dispositivo se autocalibra. Mayor reto es sensado —nuestro dispositivo capta todo si fuente puede acoplar energía en nuestro dispositivo. Sensibilidad viene con precio pero por eso usamos arquitectura diferencial para compensar artefactos ambientales. Otro reto es lectura —con solo pocos electrones tunelizando barrera, cambio de voltaje a leer es orden de microvoltios.

Tech Briefs: Cuál es aplicación más emocionante que visualiza con este sensor autoalimentado?

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Prof. Shantanu Chakrabartty: Esta es tecnología plataforma así aplicable a amplia gama de sensado. Sin embargo, en niveles de potencia/energía que reportamos, una célula biológica ahora puede autoalimentar nuestro dispositivo sensado.

Hemos intentado usar estos sensores para registrar actividad neural en cerebro de organismo, donde actividad eléctrica dentro del cerebro alimenta dispositivo. Ese fue foco de grant NIH que originalmente financió proyecto.

Así, en ese sentido, dispositivo actúa como memoria USB que se enchufa al cerebro, que también actúa como fuente de poder. Podemos tener múltiples copias (de hecho, integrar millones en un chip) que sensen y almacenen actividad neural. Reto que intentamos abordar es cómo reconstruir eventos después de recuperar chip y medir información almacenada.

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