Pulsa 50 Juta Elektron Memungkinkan Sensor Daya Mandiri Beroperasi Lebih dari Setahun
Dengan hanya lonjakan 50 juta elektron, sensor dapat memberi daya pada diri sendiri selama lebih dari setahun.
Peneliti dari Washington University in St. Louis, dipimpin oleh Prof. Shantanu Chakrabartty, menciptakan sensor daya mandiri dengan memanfaatkan efek kuantum yang dikenal sebagai “tunneling.”
Untuk perangkat yang bergantung pada fisika yang kompleks, sensor ini cukup sederhana. Komponen yang diperlukan adalah empat kapasitor dan dua transistor.
Dari enam bagian ini, tim Chakrabartty membangun dua sistem dinamis, masing-masing dengan dua kapasitor dan sebuah transistor. Kapasitor menyimpan muatan awal kecil, sekitar 50 juta elektron masing-masing.
50 juta elektron diprogram selama fase inisialisasi perangkat.
Perangkat juga mengandung jenis halangan pembagi yang kecil. Kurang dari 100 atom tebal, “Fowler-Nordheim tunneling barrier” terletak di antara plat kapasitor dan bahan semi konduktor. Sensor mampu memberi daya pada diri 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 andal,” ujar Chakrabartty.
Pada laju itu, sistem dinamis berjalan seperti perangkat penunjuk waktu — tanpa baterai — selama lebih dari setahun.
Untuk mengukur gerakan lingkungan, akseletrometer piezoelektrik kecil disambungkan ke sensor. Para peneliti secara mekanis menggetarkan akseletrometer; gerakannya kemudian diubah menjadi sinyal listrik.
Sinyal mengubah bentuk halangan, yang, berkat aturan fisika kuantum, mengubah laju di mana elektron melewati halangan.
Untuk menyederhanakan, elektron tidak melewati di atas halangan. Mereka menyalip langsung melalui halangan.
Probabilitas bahwa sejumlah elektron tertentu akan menyalip melalui halangan adalah fungsi dari ukuran halangan. Ini sedikit seperti jam pasir, ujar Chakrabartty kepada Tech Briefs.
Setiap dari 50 juta elektron seperti butir pasir, mengalir melalui halangan tunneling. Sinyal transduser mengontrol diameter tabung sempit. Jadi, ketika sinyal besar ditransduser, tabung membesar dan lebih banyak elektron mengalir melalui halangan.
"Dengan mengukur total 'pasir,' atau elektron, yang tersisa di ruang atas (setelah waktu tertentu), kita dapat mengestimasi total energi rata-rata sinyal transduser," ujar Chakrabartty.
Setelah eksperimen, tim penelitian membaca tegangan di kedua kapasitor sistem sensing dan referensi. Mereka menggunakan perbedaan dua tegangan untuk menemukan pengukuran yang benar dari transduser, dan untuk menentukan total energi yang dihasilkan oleh sensor.
“Saat ini, platform ini umum,” ujar Chakrabartty. “Itu hanya tergantung pada apa yang Anda kaitkan dengan perangkat. Asalkan Anda memiliki transduser yang dapat menghasilkan sinyal listrik, ia dapat memberi daya pada sensor-data-logger kami.”
Tim berharap suatu hari dapat menggunakan sensor untuk berbagai aplikasi, seperti merekam aktivitas saraf atau memantau tingkat glukosa di dalam tubuh manusia.
Dalam Q&A singkat dengan Tech Briefs di bawah, Prof. Chakrabartty mengungkapkan ide-nya untuk teknologi daya mandiri ini.
Tech Briefs: Sederhana saja, bagaimana Anda dapat membuat sensor berjalan selama setahun, dengan hanya input energi awal yang kecil? Apakah ini tentang mengontrol aliran elektron?
Prof. Shantanu Chakrabartty: Ya, semuanya tentang mengontrol aliran elektron. Kami awalnya memprogram sekitar 50 juta elektron pada pulau mengambang. Kemudian dengan mengeksploitasi tunneling kuantum Fowler-Nordheim (FN) kami mengontrol laju di mana elektron bocor dari pulau ini. Dalam kasus ini laju bocor elektron berada dalam rentang beberapa elektron per detik hingga 1 elektron per menit. Konsep yang menarik dalam pekerjaan ini adalah bagaimana fisika tunneling FN memastikan bahwa dua perangkat dapat dicocokkan bahkan jika elektron bocor dengan laju yang begitu lambat.
Tech Briefs: Saya ingin fokus pada input energi awal kecil ini — apa yang diperlukan untuk memetik apel dari pohon, kata kata? Apa itu “input energi awal kecil?” Dari mana itu datang, dan seberapa banyak yang diperlukan?
Prof. Shantanu Chakrabartty: Energi awal diperlukan untuk menyetorkan elektron pada pulau mengambang. Ini dapat dilakukan selama manufaktur atau inisialisasi. Untuk satu perangkat kita berbicara tentang energi awal hanya 10 picoJoule. Perhatikan bahwa energi ini setara dengan energi yang perlu dihabiskan untuk menulis satu bit dalam banyak memori. Begitu jumlah elektron awal ini disetorkan, fisika tunneling kuantum mengambil alih dan perangkat tidak membutuhkan energi tambahan untuk beroperasi. Semua energi untuk sensing datang dari transduser – seperti sensor glukosa atau sensor piezoelektrik.
Tech Briefs: Apa tantangan terbesar dalam mengontrol energi tersebut sehingga secara efektif memberi daya pada sensor?
Prof. Shantanu Chakrabartty: Pengadaan daya awal perangkat bukan masalah karena setelah kita mampu menyetorkan elektron, perangkat mengkalibrasi dirinya sendiri. Tantangan terbesar adalah mengenai sensing – bahwa perangkat kami dapat menangkap segala sesuatu jika sumber itu dapat mengkaitkan energi ke dalam perangkat kita. Jadi sensitivitas datang dengan harga tetapi itulah mengapa kami menggunakan arsitektur diferensial untuk mengompenisir artefak lingkungan. Tantangan lainnya adalah baca perangkat – dengan hanya beberapa elektron yang menyalip melalui halangan, perubahan tegangan yang perlu dibaca adalah dalam urutan mikrovolt.
Tech Briefs: Apa aplikasi yang paling menarik, atau aplikasi, yang Anda bayangkan dengan sensor daya mandiri ini?
More Sensors on Tech Briefs
Blog: Dr. James Rees sedang menghabiskan waktu di laboratoriumnya menguji sensor yang terbuat dari bakteri.
Magazine:. Pelajari bagaimana COVID-19 telah mengubah strategi sensor dan akuisisi data.
Video: Sebuah "SwingBot" dari MIT sedang belajar cara menangani objek.
Prof. Shantanu Chakrabartty: Ini adalah teknologi platform jadi dapat diterapkan ke rentang aplikasi sensing yang luas. Namun, pada tingkat daya/energi yang kami laporkan, sel biologis sekarang dapat memberi daya pada perangkat sensing kami.
Kami telah mencoba menggunakan sensor ini untuk merekam aktivitas saraf di otak organisme, di mana aktivitas listrik di dalam otak memberi daya pada perangkat. Itu adalah fokus dari hibah penelitian National Institute of Health yang awalnya mendanai proyek ini.
Jadi, dalam hal itu, perangkat ini bertindak seperti USB memory stick yang dihubungkan ke otak, yang juga bertindak sebagai sumber daya. Kami dapat memiliki beberapa salinan perangkat ini (faktanya, kami dapat mengintegrasikan jutaan di atas satu chip) yang merasakan dan menyimpan aktivitas saraf. Tantangan yang kami coba atasi adalah bagaimana merekonstruksi peristiwa setelah chip diambil dan informasi yang tersimpan diukur.
Apa pendapat Anda? Bagikan pertanyaan dan komentar Anda di bawah.
