5000万电子脉冲让自供电传感器运行超一年

仅需5000万个电子的启动能量，传感器即可自供电运行超过一年。

圣路易斯华盛顿大学Shantanu Chakrabartty教授团队，利用称为"隧穿"的量子效应，创造了自供电传感器。

对于依赖复杂物理原理的设备，该传感器结构颇为简单。所需元件仅四个电容和两个晶体管。

从这六个部件，Chakrabartty团队构建了两个动态系统，每个包含两个电容和一个晶体管。电容保持少量初始电荷，每个约5000万个电子。

这5000万电子在设备初始化阶段编程注入。

器件还包含一种微小分隔势垒。厚度不足100个原子层的"Fowler-Nordheim隧穿势垒"位于电容极板与半导体材料之间。传感器通过调整边界更好控制电子流动，实现长周期自供电。

"你可以让它相当慢，降至每分钟一个电子，仍保持可靠，"Chakrabartty说。

此时，动态系统如计时装置般运行——无需任何电池——超过一年。

为测量环境运动，微型压电加速度计连接到传感器。研究人员机械振动加速度计；其运动转化为电信号。

信号改变势垒形状，得益于量子物理规则，改变电子穿过势垒的速率。

简单说，电子不跨越势垒，而是直接隧穿通过。

一定数量电子隧穿势垒的概率是势垒大小的函数。这有点像沙漏，Chakrabartty告诉Tech Briefs。

每个5000万电子如沙粒，倾泻通过隧穿势垒。传感器信号控制细管直径。因此，当转换信号大时，细管扩大，更多电子倾泻通过势垒。

"通过测量一定时期后上腔剩余总'沙'（电子），我们可估算传感器信号总平均能量，"Chakrabartty说。

实验后，研究团队读取感测和参考系统电容电压。利用两电压差找出传感器真实测量值，确定传感器产生的总能量。

"目前平台是通用的，"Chakrabartty说。"只取决于你耦合什么设备。只要有能产生电信号的传感器，就能自供电我们的传感器数据记录器。"

团队希望未来将传感器用于多种应用，如记录神经活动或监测人体内葡萄糖水平。

在下面与Tech Briefs的简短问答中，Chakrabartty教授揭示了他对自供电技术的设想。

Tech Briefs：简单说，如何仅用微小初始能量输入让传感器运行一年？是关于控制电子流动吗？

Shantanu Chakrabartty教授：是的，全在于控制电子流动。我们最初在浮岛上编程约5000万电子。然后利用Fowler-Nordheim（FN）量子隧穿控制电子从该岛泄漏速率。本例中电子泄漏速率范围从每秒几个到每分钟一个。这项工作有趣的概念在于FN隧穿物理如何确保两器件匹配，即使电子以如此慢速泄漏。

Tech Briefs：聚焦这微小初始能量输入——把苹果从树上摘下需要什么？那"微小初始能量输入"是什么？从哪来，需要多少？

Shantanu Chakrabartty教授：初始能量用于将电子沉积在浮岛上。可在制造或初始化时完成。单器件初始能量仅10皮焦耳。注意这相当于写入一位许多存储器所需耗散能量。一旦初始电子沉积，量子隧穿物理接管，设备无需额外能量运行。所有感测能量来自传感器——如葡萄糖传感器或压电传感器。

Tech Briefs：控制该能量有效驱动传感器的最大挑战是什么？

Shantanu Chakrabartty教授：设备初始供电不是问题，一旦能沉积电子，设备自我校准。最大挑战在于感测——我们的设备能拾取一切，如果该源能耦合能量进我们设备。灵敏度有代价，因此我们用差分架构补偿环境伪迹。另一挑战是器件读出——仅有几个电子穿越势垒，需读出的电压变化在微伏量级。

Tech Briefs：你设想最激动人心的应用是什么？

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杂志：了解COVID-19如何改变传感器和数据采集策略。

视频：MIT的"SwingBot"学习如何操作物体。

Shantanu Chakrabartty教授：这是平台技术，可应用于广泛感测应用。但在我们报告的功率/能量水平下，生物细胞现在能自供电我们的感测设备。

我们一直试图用这些传感器记录生物体大脑神经活动，大脑内电活动为设备供电。这正是最初资助该项目的美国国立卫生研究院研究基金关注点。

就此而言，设备像插入大脑的USB记忆棒，大脑也充当电源。我们可有多个此类设备副本（事实上可在单芯片集成百万个）感测并存储神经活动。我们一直试图解决的挑战是：芯片取出测量存储信息后，如何重建事件。

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