Dengan Guncangan 50 Juta Elektron, Sensor Menghidupkan Sendiri

Hanya dengan lompatan awal 50 juta elektron, sensor dapat memberi daya sendiri selama lebih dari satu tahun.

Para peneliti dari Universitas Washington di St. Louis, yang dipimpin oleh Prof. Shantanu Chakrabartty, menciptakan sensor bertenaga sendiri dengan memanfaatkan efek kuantum yang dikenal sebagai "tunneling".

Untuk perangkat yang mengandalkan fisika kompleks, sensornya agak sederhana. Komponen yang dibutuhkan adalah empat kapasitor dan dua transistor.

Dari enam bagian tersebut, tim Chakrabartty membangun dua sistem dinamis, masing-masing dengan dua kapasitor dan satu transistor. Kapasitor memiliki muatan awal yang kecil, masing-masing sekitar 50 juta elektron.

50 juta elektron diprogram selama fase inisialisasi perangkat.

Perangkat juga mengandung semacam blokade pemisah kecil. Kurang dari 100 atom tebal, "penghalang tunneling Fowler-Nordheim" diposisikan antara pelat kapasitor dan bahan semikonduktor. Sensor mampu memberi daya sendiri untuk jangka waktu yang lama dengan menyesuaikan batas untuk mengontrol aliran elektron dengan lebih baik.

"Anda dapat membuatnya cukup lambat, hingga satu elektron setiap menit dan tetap dapat diandalkan," kata Chakrabartty.

Pada tingkat itu, sistem dinamis berjalan seperti perangkat penunjuk waktu — tanpa baterai — selama lebih dari satu tahun.

Untuk mengukur gerakan sekitar, akselerometer piezoelektrik kecil terhubung ke sensor. Para peneliti secara mekanis mengguncang akselerometer; gerakannya kemudian diubah menjadi sinyal listrik.

Sinyal mengubah bentuk penghalang, yang, berkat aturan fisika kuantum, mengubah kecepatan elektron melewati penghalang.

Sederhananya, elektron tidak melewati penghalang. Mereka membuat terowongan menembusnya.

Probabilitas bahwa sejumlah elektron akan menembus penghalang adalah fungsi dari ukuran penghalang. Ini seperti jam pasir, kata Chakrabartty kepada Tech Briefs.

Masing-masing dari 50 juta elektron seperti sebutir pasir, mengalir melalui penghalang terowongan. Sinyal transduser mengontrol diameter tabung sempit. Jadi, ketika sinyal besar ditransduksi, tabung membesar dan lebih banyak elektron mengalir melalui penghalang.

"Dengan mengukur total 'pasir', atau elektron, yang tersisa di ruang atas (setelah jangka waktu tertentu), kami dapat memperkirakan total energi rata-rata dari sinyal transduser," kata Chakrabartty.

Setelah percobaan, tim peneliti membaca tegangan pada kapasitor sistem penginderaan dan referensi. Mereka menggunakan perbedaan dalam dua tegangan untuk menemukan pengukuran sebenarnya dari transduser, dan untuk menentukan energi total yang dihasilkan oleh sensor.

“Saat ini, platformnya generik,” kata Chakrabartty. “Itu hanya tergantung pada apa yang Anda pasangkan ke perangkat. Selama Anda memiliki transduser yang dapat menghasilkan sinyal listrik, transduser tersebut dapat memberi daya sendiri pada sensor-data-logger kami.”

Tim berharap suatu hari nanti menggunakan sensor untuk berbagai aplikasi, seperti merekam aktivitas saraf atau memantau kadar glukosa di dalam tubuh manusia.

Dalam T&J singkat dengan Ringkasan Teknologi di bawah ini, Prof. Chakrabartty mengungkapkan idenya untuk teknologi mandiri.

Ringkasan Teknologi :Sederhananya, bagaimana Anda bisa menjalankan sensor selama satu tahun, dengan hanya input energi awal yang kecil? Apakah ini tentang mengontrol aliran elektron?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Ya, ini semua tentang mengendalikan aliran elektron. Kami awalnya memprogram sekitar 50 juta elektron di pulau terapung. Kemudian dengan mengeksploitasi terowongan kuantum Fowler-Nordheim (FN), kami mengontrol laju kebocoran elektron dari pulau ini. Dalam hal ini tingkat kebocoran elektron berada dalam kisaran dari beberapa elektron per detik hingga 1 elektron per menit. Konsep menarik dalam karya ini adalah bagaimana fisika dari tunneling FN memastikan bahwa dua perangkat dapat dicocokkan bahkan jika elektron bocor dengan kecepatan yang sangat lambat.

Ringkasan Teknologi :Saya ingin fokus pada masukan energi awal yang kecil ini — apa yang diperlukan untuk menarik apel dari pohon, bisa dibilang? Apa itu "masukan energi awal yang kecil?" Dari mana asalnya, dan berapa banyak yang dibutuhkan?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Energi awal diperlukan untuk menyimpan elektron di pulau terapung. Ini dapat dilakukan selama pembuatan atau inisialisasi. Untuk satu perangkat kita berbicara tentang energi awal hanya 10 picoJoule. Perhatikan bahwa energi ini setara dengan energi yang perlu dikeluarkan untuk menulis sedikit banyak kenangan. Setelah jumlah elektron awal ini disimpan, fisika terowongan kuantum mengambil alih dan perangkat tidak memerlukan energi ekstra untuk beroperasi. Semua energi untuk penginderaan berasal dari transduser – seperti sensor glukosa atau sensor piezoelektrik.

Ringkasan Teknologi :Apa tantangan terbesar dalam mengendalikan energi itu sehingga energi itu secara efektif menggerakkan sensor?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Pengaktifan awal perangkat tidak menjadi masalah karena begitu kita dapat menyimpan elektron, perangkat mengkalibrasi sendiri. Tantangan terbesar adalah dalam hal penginderaan – bahwa perangkat kami dapat mengambil semuanya jika sumber itu dapat memasangkan energi ke perangkat kami. Jadi sensitivitas ada harganya, tetapi itulah sebabnya kami menggunakan arsitektur diferensial untuk mengimbangi artefak lingkungan. Tantangan lainnya adalah pembacaan perangkat – dengan hanya beberapa elektron yang menembus penghalang, perubahan tegangan yang perlu dibaca adalah dalam urutan mikrovolt.

Ringkasan Teknologi :Apa aplikasi atau aplikasi paling menarik yang Anda bayangkan dengan sensor self-powered ini?

Lebih Banyak Sensor di Ringkasan Teknologi

Blog: Dr. James Rees menghabiskan waktu di labnya untuk menguji sensor yang terbuat dari bakteri.

Majalah: . Pelajari bagaimana COVID-19 telah mengubah sensor dan strategi akuisisi data.

Video: "SwingBot" dari MIT sedang mempelajari cara menangani objek.

Prof. Shantanu Chakrabartty :Ini adalah teknologi platform sehingga dapat diterapkan ke berbagai aplikasi penginderaan. Namun, pada tingkat daya/energi yang kami laporkan, sel biologis sekarang dapat memberi daya sendiri pada perangkat penginderaan kami.

Kami telah mencoba menggunakan sensor ini untuk merekam aktivitas saraf di otak suatu organisme, di mana aktivitas listrik di dalam otak menggerakkan perangkat. Itulah fokus hibah penelitian Institut Kesehatan Nasional yang awalnya mendanai proyek ini.

Jadi, dalam hal ini, perangkat ini bertindak seperti stik memori USB yang dicolokkan ke otak, yang juga berfungsi sebagai sumber daya. Kita dapat memiliki banyak salinan dari perangkat ini (sebenarnya, kita dapat mengintegrasikan jutaan di antaranya dalam satu chip) yang merasakan dan menyimpan aktivitas saraf. Tantangan yang coba kami atasi adalah bagaimana merekonstruksi kejadian setelah chip diambil dan informasi yang disimpan diukur.

Bagaimana menurutmu? Bagikan pertanyaan dan komentar Anda di bawah.