Pulso de 50 Milhões de Elétrons Permite Sensores Autoalimentados Operarem por Mais de Um Ano

Com apenas um pulso inicial de 50 milhões de elétrons, sensores podem se autoalimentar por mais de um ano.

Pesquisadores da Universidade Washington em St. Louis, liderados pelo Prof. Shantanu Chakrabartty, criaram sensores autoalimentados aproveitando um efeito quântico conhecido como “tunelamento”.

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

Destes seis componentes, 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 minúscula barreira divisória. 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 autoalimentar por longos períodos ajustando a barreira para melhor controlar o fluxo de elétrons.

“Você pode torná-lo razoavelmente lento, até um elétron por minuto e ainda mantê-lo confiável”, disse Chakrabartty.

Nessa taxa, o sistema dinâmico funciona como um dispositivo de cronometragem — sem baterias — por mais de um ano.

Para medir movimento ambiente, um minúsculo acelerômetro piezoelétrico foi conectado ao sensor. Pesquisadores agitaram 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, mudou a taxa na qual os elétrons passaram a barreira.

Para colocar de forma mais simples, os elétrons não passaram por cima da barreira. Eles tunelaram direto através dela.

A probabilidade de que um certo número de elétrons tunelará através da barreira é uma função do tamanho da barreira. É um pouco como uma ampulheta, Chakrabartty disse à Tech Briefs.

Cada um dos 50 milhões de elétrons é como um grão de areia, fluindo através do tubo estreito da barreira de tunelamento. O sinal do transdutor controla o diâmetro do tubo estreito. Então, quando um sinal grande é transduzido, o tubo alarga e mais elétrons fluem através da barreira.

“Medindo o total de ‘areia’, ou elétrons, restantes 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 em ambos os capacitores do sistema de sensoriamento e referência. Usaram a diferença nas duas tensões para encontrar as medições verdadeiras do transdutor e determinar a energia total gerada pelo sensor.

“Agora, a plataforma é genérica”, disse Chakrabartty. “Depende apenas do que você acopla ao dispositivo. Desde que você tenha um transdutor que possa gerar um sinal elétrico, ele pode autoalimentar nosso registrador de dados de sensor.”

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

Em um breve Q&A com Tech Briefs abaixo, Prof. Chakrabartty revela suas ideias para a tecnologia autoalimentada.

Tech Briefs: Simplificando, como você consegue fazer um sensor rodar por um ano, com apenas uma pequena entrada inicial de energia? É sobre controlar o fluxo de elétrons?

Prof. Shantanu Chakrabartty: Sim, é tudo sobre controlar o fluxo de elétrons. Inicialmente programamos cerca de 50 milhões de elétrons em uma ilha flutuante. Então, explorando o tunelamento quântico 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 podem ser combinados mesmo se os elétrons estão vazando a uma taxa tão lenta.

Tech Briefs: Quero focar nesta pequena entrada inicial de energia — o que é necessário para puxar a maçã da árvore, por assim dizer? O que é essa “pequena entrada inicial de energia?” 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 fabricação ou inicialização. Para um dispositivo, estamos falando de uma energia inicial de apenas 10 picoJoules. Note que esta energia é equivalente à energia que precisa ser dissipada para escrever um bit em muitas memórias. Uma vez que este número inicial de elétrons são depositados, a física do tunelamento quântico assume e o dispositivo não precisa de energia extra para operar. Toda a energia para sensoriamento vem do transdutor — como um sensor de glicose ou sensor piezoelétrico.

Tech Briefs: Quais são os maiores desafios em controlar essa energia para que ela efetivamente alimente o sensor?

Prof. Shantanu Chakrabartty: O inicial do dispositivo não é um problema, pois uma vez que somos capazes de depositar os elétrons, o dispositivo se auto-calibra. O maior desafio é em relação ao sensoriamento — que nosso dispositivo pode captar tudo se aquela fonte pode acoplar energia em nosso dispositivo. Então sensibilidade vem a um preço, mas é por isso que estamos usando uma arquitetura diferencial para compensar artefatos ambientais. O outro desafio é a leitura do dispositivo — com apenas alguns elétrons tunelando através da barreira, a mudança de tensão que precisa ser lida está na ordem de microvolts.

Tech Briefs: Qual é a aplicação mais empolgante, ou aplicações, que você prevê com este sensor autoalimentado?

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

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

Então, nesse sentido, este dispositivo age como um pendrive USB que é conectado no cérebro, que também atua como fonte de energia. Podemos ter múltiplas cópias destes dispositivos (na verdade, podemos integrar milhões deles em um único chip) que sentem e armazenam a atividade neural. O desafio que temos tentado resolver é como reconstruir os eventos após o chip ter sido recuperado e a informação armazenada medida.

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