Avec une secousse de 50 millions d'électrons, les capteurs s'auto-alimentent

Avec seulement 50 millions d'électrons, les capteurs peuvent s'autoalimenter pendant plus d'un an.

Des chercheurs de l'Université de Washington à Saint-Louis, dirigés par le professeur Shantanu Chakrabartty, ont créé des capteurs auto-alimentés en tirant parti d'un effet quantique connu sous le nom de "tunneling".

Pour un appareil qui repose sur une physique complexe, le capteur est assez simple. Les composants requis sont quatre condensateurs et deux transistors.

À partir de ces six pièces, l'équipe de Chakrabartty a construit deux systèmes dynamiques, chacun avec deux condensateurs et un transistor. Les condensateurs contiennent une petite charge initiale, environ 50 millions d'électrons chacun.

Les 50 millions d'électrons sont programmés lors de la phase d'initialisation de l'appareil.

Les appareils contiennent également une sorte de minuscule blocus de division. D'une épaisseur inférieure à 100 atomes, la "barrière tunnel de Fowler-Nordheim" est positionnée entre la plaque d'un condensateur et un matériau semi-conducteur. Le capteur est capable de s'alimenter pendant de longues périodes en ajustant la limite pour mieux contrôler le flux d'électrons.

"Vous pouvez le rendre raisonnablement lent, jusqu'à un électron par minute, tout en le gardant fiable", a déclaré Chakrabartty.

À ce rythme, le système dynamique fonctionne comme un chronomètre, sans pile, pendant plus d'un an.

Pour mesurer le mouvement ambiant, un minuscule accéléromètre piézoélectrique a été connecté au capteur. Les chercheurs secouaient mécaniquement l'accéléromètre; son mouvement a ensuite été transformé en un signal électrique.

Le signal a modifié la forme de la barrière, ce qui, grâce aux règles de la physique quantique, a modifié la vitesse à laquelle les électrons ont traversé la barrière.

Pour le dire plus simplement, les électrons n'ont pas traversé la barrière. Ils ont creusé un tunnel à travers.

La probabilité qu'un certain nombre d'électrons traversent la barrière est fonction de la taille de la barrière. C'est un peu comme un sablier, a déclaré Chakrabartty à Tech Briefs.

Chacun des 50 millions d'électrons est comme un grain de sable qui traverse la barrière tunnel. Le signal du transducteur contrôle le diamètre du tube étroit. Ainsi, lorsqu'un signal important est transduit, le tube s'agrandit et davantage d'électrons traversent la barrière.

"En mesurant le total de 'sable' ou d'électrons restant dans la chambre supérieure (après une certaine période de temps), nous pouvons estimer l'énergie moyenne totale du signal du transducteur", a déclaré Chakrabartty.

Après les expériences, l'équipe de recherche a lu la tension dans les condensateurs du système de détection et de référence. Ils ont utilisé la différence entre les deux tensions pour trouver les vraies mesures du transducteur et pour déterminer l'énergie totale générée par le capteur.

"Pour le moment, la plate-forme est générique", a déclaré Chakrabartty. "Cela dépend simplement de ce que vous couplez à l'appareil. Tant que vous disposez d'un transducteur capable de générer un signal électrique, il peut auto-alimenter notre capteur-enregistreur de données. »

L'équipe espère un jour utiliser les capteurs pour diverses applications, telles que l'enregistrement de l'activité neuronale ou la surveillance des niveaux de glucose dans le corps humain.

Dans un court Q&A avec Tech Briefs ci-dessous, le professeur Chakrabartty révèle ses idées pour la technologie auto-alimentée.

Fiches techniques :En termes simples, comment pouvez-vous faire fonctionner un capteur pendant un an, avec seulement un petit apport d'énergie initial ? S'agit-il de contrôler le flux d'électrons ?

Prof. Shantanu Chakrabarty :Oui, il s'agit de contrôler le flux d'électrons. Nous programmons initialement environ 50 millions d'électrons sur une île flottante. Ensuite, en exploitant l'effet tunnel quantique de Fowler-Nordheim (FN), nous contrôlons la vitesse à laquelle les électrons s'échappent de cette île. Dans ce cas, les taux de fuite d'électrons sont de l'ordre de quelques électrons par seconde à 1 électron par minute. Le concept intéressant de ce travail est de savoir comment la physique de l'effet tunnel FN garantit que deux appareils peuvent être appariés même si les électrons fuient à un rythme aussi lent.

Fiches techniques :Je veux me concentrer sur ce petit apport d'énergie initial - que faut-il pour arracher la pomme de l'arbre, pour ainsi dire ? Quelle est cette "petite entrée d'énergie initiale ?" D'où vient-il et combien est-il nécessaire ?

Prof. Shantanu Chakrabarty :L'énergie initiale est nécessaire pour déposer les électrons sur l'île flottante. Cela peut être fait pendant la fabrication ou l'initialisation. Pour un appareil, nous parlons d'une énergie initiale de seulement 10 picoJoules. A noter que cette énergie est équivalente à l'énergie qu'il faut dissiper pour écrire un peu de mémoires. Une fois ce nombre initial d'électrons déposés, la physique de l'effet tunnel quantique prend le relais et l'appareil n'a pas besoin d'énergie supplémentaire pour fonctionner. Toute l'énergie nécessaire à la détection provient du transducteur, comme un capteur de glucose ou un capteur piézoélectrique.

Fiches techniques  :Quels sont les plus grands défis pour contrôler cette énergie afin qu'elle alimente efficacement le capteur ?

Prof. Shantanu Chakrabarty :La mise sous tension initiale de l'appareil n'est pas un problème puisqu'une fois qu'on est capable de déposer les électrons, l'appareil s'auto-calibre. Le plus grand défi concerne la détection - que notre appareil peut tout capter si cette source peut coupler de l'énergie dans notre appareil. La sensibilité a donc un prix, mais c'est pourquoi nous utilisons une architecture différentielle pour compenser les artefacts environnementaux. L'autre défi est la lecture de l'appareil - avec seulement quelques électrons traversant la barrière, le changement de tension qui doit être lu est de l'ordre des microvolts.

Fiches techniques  :Quelle est l'application ou les applications les plus excitantes que vous envisagez avec ce capteur auto-alimenté ?

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Prof. Shantanu Chakrabarty :Il s'agit d'une technologie de plate-forme qui peut donc être appliquée à une large gamme d'applications de détection. Cependant, aux niveaux de puissance/énergie que nous rapportons, une cellule biologique peut désormais auto-alimenter notre dispositif de détection.

Nous avons essayé d'utiliser ces capteurs pour enregistrer l'activité neuronale dans le cerveau d'un organisme, où l'activité électrique à l'intérieur du cerveau alimente l'appareil. C'était l'objectif de la subvention de recherche de l'Institut national de la santé qui a initialement financé ce projet.

Donc, à cet égard, cet appareil agit comme une clé USB qui se branche sur le cerveau, qui agit également comme source d'alimentation. Nous pouvons avoir plusieurs copies de ces appareils (en fait, nous pouvons en intégrer des millions sur une seule puce) qui détectent et stockent l'activité neuronale. Le défi que nous avons essayé de relever est de savoir comment reconstruire les événements après que la puce a été récupérée et que les informations stockées ont été mesurées.

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