Impulsion de 50 millions d'électrons permet aux capteurs auto-alimentés de fonctionner plus d'un an

Avec juste un démarrage de 50 millions d'électrons, les capteurs peuvent s'auto-alimenter pendant plus d'un an.

Des chercheurs de l'Université Washington à Saint-Louis, dirigés par le Pr Shantanu Chakrabartty, ont créé des capteurs auto-alimentés en exploitant un effet quantique connu sous le nom de « tunneling » (effet tunnel).

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

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

Les 50 millions d'électrons sont programmés lors de la phase d'initialisation du dispositif.

Les dispositifs contiennent aussi une sorte de minuscule barrière divisoire. Moins de 100 atomes d'épaisseur, la « barrière de tunneling Fowler-Nordheim » est positionnée entre la plaque d'un condensateur et un matériau semi-conducteur. Le capteur peut s'auto-alimenter pendant de longues périodes en ajustant la frontière pour mieux contrôler le flux d'électrons.

« On peut le rendre raisonnablement lent, jusqu'à un électron par minute et le garder fiable », dit Chakrabartty.

À ce rythme, le système dynamique fonctionne comme un dispositif de chronométrage — sans aucune pile — pendant plus d'un an.

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

Le signal a changé la forme de la barrière, ce qui, grâce aux règles de la physique quantique, a changé le taux auquel les électrons passaient la barrière.

Pour le dire plus simplement, les électrons ne passent pas par-dessus la barrière. Ils traversent par tunnel quantique.

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

Chacun des 50 millions d'électrons est comme un grain de sable s'écoulant à travers le tube étroit de la barrière de tunneling. Le signal du transducteur contrôle le diamètre du tube étroit. Donc, quand un signal important est transduit, le tube s'élargit et plus d'électrons traversent la barrière.

« En mesurant le total de 'sable', ou électrons, restants dans la chambre supérieure (après une certaine période), nous pouvons estimer l'énergie moyenne totale du signal du transducteur », dit Chakrabartty.

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

« Actuellement, la plateforme est générique », dit Chakrabartty. « Cela dépend juste de ce que vous couplez au dispositif. Tant que vous avez un transducteur qui peut générer un signal électrique, il peut auto-alimenter notre enregistreur de données de capteur. »

L'équipe espère un jour utiliser les capteurs pour diverses applications, comme l'enregistrement d'activité neuronale ou la surveillance de niveaux de glucose à l'intérieur du corps humain.

Dans une courte Q&R avec Tech Briefs ci-dessous, le Pr Chakrabartty révèle ses idées pour la technologie auto-alimentée.

Tech Briefs : Simplement, comment arrivez-vous à faire fonctionner un capteur pendant un an avec seulement une petite entrée d'énergie initiale ? Est-ce une question de contrôle du flux d'électrons ?

Pr Shantanu Chakrabartty : Oui, tout est dans le contrôle du flux d'électrons. Nous programmons initialement environ 50 millions d'électrons sur une île flottante. Puis en exploitant le tunneling quantique Fowler-Nordheim (FN), nous contrôlons le taux auquel les électrons fuient de cette île. Dans ce cas, les taux de fuite d'électrons sont de quelques électrons par seconde à 1 électron par minute. Le concept intéressant dans ce travail est comment la physique du tunneling FN assure que deux dispositifs peuvent être appariés même si les électrons fuient à un taux si lent.

Tech Briefs : Je veux me concentrer sur cette petite entrée d'énergie initiale — qu'est-ce qui est requis pour arracher la pomme de l'arbre, pour ainsi dire ? Qu'est-ce que cette « petite entrée d'énergie initiale » ? D'où vient-elle, et combien est requis ?

Pr Shantanu Chakrabartty : L'énergie initiale est requise pour déposer les électrons sur l'île flottante. Cela peut être fait pendant la fabrication ou l'initialisation. Pour un dispositif, on parle d'une énergie initiale de seulement 10 picoJoules. Notez que cette énergie est équivalente à l'énergie qui doit être dissipée pour écrire un bit dans de nombreuses mémoires. Une fois ce nombre initial d'électrons déposé, la physique du tunneling quantique prend le relais et le dispositif n'a pas besoin d'énergie supplémentaire pour fonctionner. Toute l'énergie pour la détection vient du transducteur — comme un capteur de glucose ou piézoélectrique.

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

Pr Shantanu Chakrabartty : L'alimentation initiale du dispositif n'est pas un problème puisque une fois qu'on arrive à déposer les électrons, le dispositif s'auto-calibre. Le plus grand défi concerne la détection — que notre dispositif peut capter tout si cette source peut coupler de l'énergie dans notre dispositif. La sensibilité a un prix mais c'est pourquoi nous utilisons une architecture différentielle pour compenser les artefacts environnementaux. L'autre défi est la lecture du dispositif — avec seulement quelques électrons traversant la barrière par tunnel, le changement de tension à lire est de l'ordre du microvolt.

Tech Briefs : Quelle est l'application la plus excitante, ou applications, que vous envisagez avec ce capteur auto-alimenté ?

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Pr Shantanu Chakrabartty : C'est une technologie de plateforme donc applicable à une large gamme d'applications de détection. Cependant, aux niveaux de puissance/énergie que nous rapportons, une cellule biologique peut maintenant 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 le dispositif. C'était le focus de la subvention de recherche des National Institutes of Health qui a financé à l'origine ce projet.

En ce sens, ce dispositif agit comme une clé USB mémoire qui se branche dans le cerveau, qui agit aussi comme source d'énergie. Nous pouvons avoir de multiples copies de ces dispositifs (en fait, nous pouvons en intégrer des millions sur une seule puce) qui sentent et stockent l'activité neuronale. Le défi que nous essayons de résoudre est comment reconstruire les événements après que la puce a été récupérée et l'information stockée mesurée.

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