Com um choque de 50 milhões de elétrons, os sensores se energizam

Com apenas um impulso inicial de 50 milhões de elétrons, os sensores podem se alimentar por mais de um ano.

Pesquisadores da Universidade de Washington em St. Louis, liderados pelo Prof. Shantanu Chakrabartty, criaram sensores autoalimentados aproveitando um efeito quântico conhecido como "túnel".

Para um dispositivo que depende de física complexa, o sensor é um tanto simples. Os componentes necessários são quatro capacitores e dois transistores.

A partir dessas seis partes, a equipe de Chakrabartty construiu dois sistemas dinâmicos, cada um com dois capacitores e um transistor. Os capacitores mantêm uma pequena carga inicial, cerca de 50 milhões de elétrons cada.

Os 50 milhões de elétrons são programados durante a fase de inicialização do dispositivo.

Os dispositivos também contêm uma espécie de minúsculo bloqueio divisor. Com menos de 100 átomos de espessura, a "barreira de tunelamento Fowler-Nordheim" é posicionada entre a placa de um capacitor e um material semicondutor. O sensor é capaz de se alimentar por longos períodos de tempo ajustando o limite para controlar melhor o fluxo de elétrons.

"Você pode torná-lo razoavelmente lento, até um elétron a cada minuto e ainda mantê-lo confiável", disse Chakrabartty.



Nesse ritmo, o sistema dinâmico funciona como um dispositivo de cronometragem – sem baterias – por mais de um ano.

Para medir o movimento do ambiente, um pequeno acelerômetro piezoelétrico foi conectado ao sensor. Os pesquisadores sacudiram mecanicamente o acelerômetro; seu movimento foi então transformado em um sinal elétrico.

O sinal mudou a forma da barreira, que, graças às regras da física quântica, alterou a velocidade com que os elétrons passavam pela barreira.

Para simplificar, os elétrons não ultrapassaram a barreira. Eles abriram um túnel através dele.

A probabilidade de um certo número de elétrons atravessar a barreira é uma função do tamanho da barreira. É um pouco como uma ampulheta, disse Chakrabartty ao Tech Briefs.

Cada um dos 50 milhões de elétrons é como um grão de areia, jorrando através da barreira de tunelamento. O sinal do transdutor controla o diâmetro do tubo estreito. Assim, quando um grande sinal é transduzido, o tubo aumenta e mais elétrons passam pela barreira.

"Medindo o total de 'areia', ou elétrons, que permanecem na câmara superior (após um certo período de tempo), podemos estimar a energia média total do sinal do transdutor", disse Chakrabartty.

Após os experimentos, a equipe de pesquisa leu a tensão nos capacitores do sistema de detecção e referência. Eles usaram a diferença nas duas voltagens para encontrar as verdadeiras medições do transdutor e para determinar a energia total gerada pelo sensor.

“No momento, a plataforma é genérica”, disse Chakrabartty. “Depende apenas do que você acopla ao dispositivo. Contanto que você tenha um transdutor que possa gerar um sinal elétrico, ele pode autoalimentar nosso registrador de dados do sensor.”

A equipe espera um dia usar os sensores para uma variedade de aplicações, como registrar a atividade neural ou monitorar os níveis de glicose dentro do corpo humano.

Em uma breve sessão de perguntas e respostas com Resumos técnicos abaixo, o Prof. Chakrabartty revela suas idéias para a tecnologia auto-alimentada.

Resumos técnicos :Simplesmente falando, como você consegue fazer um sensor funcionar por um ano, com apenas uma pequena entrada de energia inicial? Trata-se de controlar o fluxo de elétrons?

Prof. Shantanu Chakrabartty :Sim, trata-se de controlar o fluxo de elétrons. Inicialmente programamos cerca de 50 milhões de elétrons em uma ilha flutuante. Então, explorando o tunelamento quântico de Fowler-Nordheim (FN), controlamos a taxa na qual os elétrons vazam desta ilha. Neste caso, as taxas de vazamento de elétrons estão na faixa de alguns elétrons por segundo a 1 elétron por minuto. O conceito interessante neste trabalho é como a física do tunelamento FN garante que dois dispositivos possam ser combinados, mesmo que os elétrons estejam vazando a uma taxa tão lenta.

Resumos técnicos :Eu quero focar nesta pequena entrada de energia inicial – o que é necessário para puxar a maçã da árvore, por assim dizer? O que é essa “pequena entrada de energia inicial?” De onde vem e quanto é necessário?

Prof. Shantanu Chakrabartty :A energia inicial é necessária para depositar os elétrons na ilha flutuante. Isso pode ser feito durante a fabricação ou inicialização. Para um dispositivo, estamos falando de uma energia inicial de apenas 10 picoJoules. Observe que essa energia é equivalente à energia que precisa ser dissipada para escrever um bit de muitas memórias. Uma vez que esse número inicial de elétrons é depositado, a física do tunelamento quântico assume o controle e o dispositivo não precisa de energia extra para operar. Toda a energia para detecção vem do transdutor – como um sensor de glicose ou um sensor piezoelétrico.

Resumos técnicos :Quais são os maiores desafios no controle dessa energia para que ela alimente efetivamente o sensor?

Prof. Shantanu Chakrabartty :A alimentação inicial do dispositivo não é um problema, pois uma vez que conseguimos depositar os elétrons, o dispositivo se autocalibra. O maior desafio é em relação à detecção – que nosso dispositivo pode captar tudo se essa fonte puder acoplar energia em nosso dispositivo. Portanto, a sensibilidade tem um preço, mas é por isso que estamos usando uma arquitetura diferenciada para compensar os artefatos ambientais. O outro desafio é a leitura do dispositivo – com apenas alguns elétrons atravessando a barreira, a mudança na voltagem que precisa ser lida é da ordem de microvolts.

Resumos técnicos :Qual é o aplicativo ou aplicativos mais interessantes que você imagina com esse sensor autoalimentado?

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Prof. Shantanu Chakrabartty :Esta é uma tecnologia de plataforma que pode ser aplicada a uma ampla gama de aplicações de detecção. No entanto, nos níveis de potência/energia que estamos relatando, uma célula biológica agora pode autoalimentar nosso dispositivo sensor.

Temos tentado usar esses sensores para registrar a atividade neural no cérebro de um organismo, onde a atividade elétrica dentro do cérebro alimenta o dispositivo. Esse foi o foco da bolsa de pesquisa do Instituto Nacional de Saúde que originalmente financiou este projeto.

Então, nesse sentido, esse dispositivo funciona como um pen drive USB que é conectado ao cérebro, que também atua como fonte de energia. Podemos ter várias cópias desses dispositivos (na verdade, podemos integrar milhões deles em um único chip) que detectam e armazenam a atividade neural. O desafio que estamos tentando resolver é como reconstruir os eventos depois que o chip foi recuperado e as informações armazenadas são medidas.

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