5000만 전자 충격으로 센서가 스스로 작동

5천만 개의 전자 점프 스타트만으로 센서는 1년 이상 스스로 전원을 공급할 수 있습니다.

Shantanu Chakrabartty 교수가 이끄는 St. Louis에 있는 Washington 대학의 연구원들은 "터널링"으로 알려진 양자 효과를 이용하여 자체 구동 센서를 만들었습니다.

복잡한 물리학에 의존하는 장치의 경우 센서는 다소 간단합니다. 필요한 구성 요소는 4개의 커패시터와 2개의 트랜지스터입니다.

이 6개 부분에서 Chakrabartty의 팀은 각각 2개의 커패시터와 트랜지스터가 있는 2개의 동적 시스템을 구축했습니다. 커패시터는 각각 약 5천만 개의 전자로 이루어진 작은 초기 전하를 보유합니다.

장치 초기화 단계에서 5천만 개의 전자가 프로그래밍됩니다.

장치에는 일종의 작은 분할 봉쇄도 포함되어 있습니다. 원자 두께가 100개 미만인 "Fowler-Nordheim 터널링 장벽"은 커패시터 플레이트와 반도체 재료 사이에 위치합니다. 센서는 전자의 흐름을 더 잘 제어하기 위해 경계를 조정하여 오랜 시간 동안 자체적으로 전원을 공급할 수 있습니다.

Chakrabartty는 "분당 1개의 전자까지 합리적으로 느리게 만들 수 있으며 여전히 안정적으로 유지할 수 있습니다."라고 말했습니다.

이 속도로 동적 시스템은 배터리 없이 1년 이상 시간 측정 장치처럼 작동합니다.

주변 움직임을 측정하기 위해 작은 압전 가속도계가 센서에 연결되었습니다. 연구원들은 가속도계를 기계적으로 흔들었습니다. 그 움직임은 전기 신호로 변환되었습니다.

신호는 양자 물리학의 규칙 덕분에 장벽의 모양을 변경했으며 전자가 장벽을 통과하는 속도를 변경했습니다.

간단히 말해서 전자는 장벽을 넘지 않았습니다. 그들은 그것을 통해 터널을 뚫었습니다.

특정 수의 전자가 장벽을 통과할 확률은 장벽 크기의 함수입니다. Chakrabartty는 Tech Briefs에서 마치 모래시계와 비슷하다고 말했습니다.

5천만 개의 전자 각각은 터널링 장벽을 통해 쏟아지는 모래알과 같습니다. 변환기 신호는 좁은 튜브의 직경을 제어합니다. 따라서 큰 신호가 변환되면 튜브가 커지고 더 많은 전자가 장벽을 통해 쏟아집니다.

"(일정 시간 후) 상부 챔버에 남아 있는 총 '모래' 또는 전자를 측정하여 변환기 신호의 총 평균 에너지를 추정할 수 있습니다."라고 Chakrabartty가 말했습니다.

실험 후 연구팀은 감지 및 기준 시스템 커패시터의 전압을 모두 읽었습니다. 그들은 변환기에서 실제 측정값을 찾고 센서에서 생성된 총 에너지를 결정하기 위해 두 전압의 차이를 사용했습니다.

"현재 플랫폼은 일반적입니다."라고 Chakrabartty가 말했습니다. “장치에 무엇을 연결하느냐에 따라 다릅니다. 전기 신호를 생성할 수 있는 변환기가 있는 한 센서-데이터-로거에 자체 전원을 공급할 수 있습니다.”

팀은 언젠가 신경 활동을 기록하거나 인체 내부의 포도당 수준을 모니터링하는 것과 같은 다양한 응용 분야에 센서를 사용하기를 희망합니다.

기술 요약이 포함된 짧은 Q&A 아래에서 Chakrabartty 교수가 자체 동력 기술에 대한 아이디어를 공개합니다.

기술 개요 :간단히 말해서, 적은 양의 초기 에너지 투입으로 어떻게 센서를 1년 동안 작동시킬 수 있습니까? 흐름 전자를 제어하기 위한 것입니까?

교수. 샨타누 차크라바티 :예, 전자의 흐름을 제어하는 ​​것이 전부입니다. 우리는 처음에 떠다니는 섬에 약 5천만 개의 전자를 프로그래밍했습니다. 그런 다음 Fowler-Nordheim(FN) 양자 터널링을 활용하여 이 섬에서 전자가 누출되는 속도를 제어합니다. 이 경우 전자 누설률은 초당 몇 개의 전자에서 분당 1개의 전자 범위입니다. 이 작업에서 흥미로운 개념은 FN 터널링의 물리학이 전자가 그렇게 느린 속도로 누출되는 경우에도 두 장치가 일치할 수 있도록 보장하는 방법입니다.

기술 개요 :나는 이 작은 초기 에너지 입력에 초점을 맞추고 싶습니다. 말하자면 사과를 나무에서 뽑는 데 필요한 것은 무엇입니까? 그 "작은 초기 에너지 투입량"이란 무엇입니까? 어디에서 왔으며 얼마가 필요합니까?

교수. 샨타누 차크라바티 :부유섬에 전자를 증착하기 위해서는 초기 에너지가 필요하다. 이는 제조 또는 초기화 중에 수행할 수 있습니다. 한 장치에 대해 우리는 10피코줄의 초기 에너지에 대해 이야기하고 있습니다. 이 에너지는 1비트 많은 메모리를 쓰기 위해 소산되어야 하는 에너지와 동일합니다. 이 초기 수의 전자가 증착되면 양자 터널링의 물리학이 이어지며 장치가 작동하는 데 추가 에너지가 필요하지 않습니다. 감지를 위한 모든 에너지는 포도당 센서나 압전 센서와 같은 변환기에서 나옵니다.

기술 개요 :센서에 효과적으로 전력을 공급할 수 있도록 해당 에너지를 제어하는 ​​데 있어 가장 큰 어려움은 무엇입니까?

교수. 샨타누 차크라바티 :장치의 초기 전원 공급은 전자를 증착할 수 있게 되면 장치가 자체 보정하므로 문제가 되지 않습니다. 가장 큰 문제는 감지와 관련하여 해당 소스가 에너지를 장치에 결합할 수 있는 경우 장치가 모든 것을 선택할 수 있다는 것입니다. 따라서 민감도에는 대가가 따르지만 이것이 우리가 환경적 인공물을 보상하기 위해 차등 아키텍처를 사용하는 이유입니다. 다른 문제는 장치를 판독하는 것입니다. 장벽을 가로질러 터널링하는 전자는 몇 개뿐이므로 판독해야 하는 전압의 변화는 마이크로볼트 정도입니다.

기술 개요 :이 자체 구동식 센서에 대해 상상하는 가장 흥미로운 응용 프로그램은 무엇입니까?

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블로그: James Rees 박사는 실험실에서 박테리아로 만든 센서를 테스트하는 데 시간을 보내고 있습니다.

잡지: . COVID-19가 센서 및 데이터 수집 전략을 어떻게 변화시켰는지 알아보세요.

동영상: MIT의 "SwingBot"이 개체 처리 방법을 배우고 있습니다.

교수. 샨타누 차크라바티 :플랫폼 기술로 다양한 센싱 어플리케이션에 적용할 수 있습니다. 그러나 우리가 보고하는 전력/에너지 수준에서 생물학적 세포는 이제 감지 장치에 자체 전력을 공급할 수 있습니다.

우리는 뇌 내부의 전기적 활동이 장치에 전력을 공급하는 유기체의 뇌에서 신경 활동을 기록하기 위해 이 센서를 사용하려고 했습니다. 이것이 원래 이 프로젝트에 자금을 지원한 국립 보건원 연구 보조금의 초점이었습니다.

그런 점에서 이 장치는 USB 메모리 스틱처럼 작동하며 두뇌에 연결되어 전원의 역할도 합니다. 신경 활동을 감지하고 저장하는 이러한 장치의 복사본을 여러 개 가질 수 있습니다(사실, 수백만 개의 장치를 단일 칩에 통합할 수 있음). 우리가 해결하려고 시도한 문제는 칩을 검색하고 저장된 정보를 측정한 후 이벤트를 재구성하는 방법입니다.

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