通过 5000 万次电子震动，传感器为自身供电

只需 5000 万个电子启动，传感器就可以为自己供电一年以上。

圣路易斯华盛顿大学的研究人员在 Shantanu Chakrabartty 教授的带领下，利用称为“隧道效应”的量子效应制造了自供电传感器。

对于依赖复杂物理的设备，传感器有点简单。所需元件是四个电容和两个晶体管。

从这六个部分中，Chakrabartty 的团队构建了两个动力系统，每个系统都有两个电容器和一个晶体管。电容器具有少量初始电荷，每个电容器约 5000 万个电子。

5000 万个电子在设备初始化阶段被编程。

这些设备还包含一种微小的分隔封锁。厚度不到 100 个原子的“Fowler-Nordheim 隧道势垒”位于电容器极板和半导体材料之间。传感器可以通过调整边界来更好地控制电子的流动，从而为自己长时间供电。

“你可以让它相当慢，每分钟减少一个电子，但仍然保持可靠，”Chakrabartty 说。

以这样的速度，动力系统就像一个计时装置——没有任何电池——可以运行一年多。

为了测量环境运动，传感器上连接了一个微型压电加速度计。研究人员机械地摇晃加速度计；它的运动随后被转化为电信号。

信号改变了势垒的形状，这得益于量子物理学的规则，改变了电子通过势垒的速率。

更简单地说，电子没有越过势垒。他们直接穿过它。

一定数量的电子隧道穿过势垒的概率是势垒大小的函数。这有点像沙漏，Chakrabartty 告诉 Tech Briefs。

5000 万个电子中的每一个都像一粒沙子，从隧道势垒中倾泻而出。换能器信号控制窄管的直径。因此，当传输大信号时，管子变大，更多的电子通过势垒涌入。

“通过测量留在上腔室中的总‘沙子’或电子（经过一定时间），我们可以估计换能器信号的总平均能量，”Chakrabartty 说。

实验结束后，研究小组读取了传感和参考系统电容器的电压。他们利用两个电压的差值从传感器中找到真实的测量值，并确定传感器产生的总能量。

“现在，这个平台是通用的，”Chakrabartty 说。 “这仅取决于您与设备耦合的内容。只要你有一个可以产生电信号的传感器，它就可以为我们的传感器数据记录器自供电。”

该团队希望有一天能够将传感器用于各种应用，例如记录神经活动或监测人体内的葡萄糖水平。

在技术简介的简短问答中 下面，Chakrabartty 教授揭示了他对自供电技术的想法。

技术简介 :简单来说，您如何能够让传感器运行一年，而只需很少的初始能量输入？是关于控制流动电子吗？

教授。 Shantanu Chakrabartty :是的，都是关于控制电子的流动。我们最初在一个浮岛上编程了大约 5000 万个电子。然后通过利用 Fowler-Nordheim (FN) 量子隧穿，我们控制了电子从这个岛泄漏出来的速率。在这种情况下，电子泄漏率在从每秒几个电子到每分钟 1 个电子的范围内。这项工作中有趣的概念是 FN 隧穿的物理特性如何确保即使电子以如此慢的速度泄漏出去，两个器件也可以匹配。

技术简介 ：我想关注这个小的初始能量输入——可以这么说，把苹果从树上拔下来需要什么？什么是“小的初始能量输入”？它来自哪里，需要多少？

教授。 Shantanu Chakrabartty ：在浮岛上沉积电子需要初始能量。这可以在制造或初始化期间完成。对于一个设备，我们谈论的初始能量仅为 10 皮焦耳。请注意，此能量相当于写入一位多存储器需要消耗的能量。一旦沉积了这个初始数量的电子，量子隧穿的物理学就会接管，并且设备不需要额外的能量来运行。所有用于传感的能量都来自传感器——如葡萄糖传感器或压电传感器。

技术简介 ：控制能量以有效地为传感器供电的最大挑战是什么？

教授。 Shantanu Chakrabartty ：设备的初始供电不是问题，因为一旦我们能够沉积电子，设备就会自行校准。最大的挑战在于传感——如果该源可以将能量耦合到我们的设备中，我们的设备就可以拾取一切。所以灵敏度是有代价的，但这就是我们使用差分架构来补偿环境伪影的原因。另一个挑战是设备的读出——只有少数电子穿过势垒，需要读出的电压变化是微伏量级。

技术简介 ：您认为这款自供电传感器最令人兴奋的应用是什么？

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教授。 Shantanu Chakrabartty ：这是一种平台技术，因此可以应用于广泛的传感应用。然而，在我们报告的功率/能量水平上，生物细胞现在可以为我们的传感设备自供电。

我们一直在尝试使用这些传感器来记录生物体大脑中的神经活动，其中大脑内的电活动为设备提供动力。这是最初资助该项目的美国国立卫生研究院研究基金的重点。

因此，在这方面，这个设备就像一个插入大脑的 USB 记忆棒，它也可以作为电源。我们可以拥有这些设备的多个副本（实际上，我们可以在一个芯片上集成数百万个）来感知和存储神经活动。我们一直试图解决的挑战是如何在取出芯片并测量存储信息后重建事件。

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