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量子隧道技术突破了自供电传感器的极限
来源:赛斯维传感器网 发表于 2020/11/26

量子隧穿传感器芯片组和匹配的fowler-nordheim隧穿势垒的显微照片。图片提供:圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院chakrabartty实验室

shantanu chakrabartty的实验室一直在努力制造可以运行最少能量的传感器。他的实验室在构建更小,更高效的传感器方面非常成功,以至于它们已经成为物理基本定律形式的障碍。


但是,有时候,当您遇到似乎难以逾越的障碍时,您仅需求助于量子物理学,并在其中穿行。这就是查克拉巴蒂和圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的其他研究人员所做的。


chakrabartty实验室的这些自供电量子传感器的开发,于10月28日在线发表在《自然通讯》杂志上,该实验室是普雷斯顿m.格林系统与电气工程系的clifford w. murphy教授。


激发这项研究的障碍是阈值效应。


“想像有一个苹果挂在树上,”查克拉巴蒂说。“你可以摇一摇树,但是苹果不会掉下来。你必须给它足够的拖力,才能使苹果摇晃。” 拖船类似于阈值能量。“这是使电子在势垒上移动所需的最少能量。” 如果无法将电子移动到势垒上方,则无法产生电流。


但是自然发生的量子力学现象始终使电子移动通过势垒。研究团队利用此优势构建了一种自供电设备,该设备只需少量的初始能量输入,即可自行运行一年以上。


它是这样构建的:


该装置简单且制造便宜。它只需要四个电容器和两个晶体管。


chakrabartty的团队从这六个部分中构建了两个动力系统,每个动力系统都带有两个电容器和一个晶体管。电容器具有少量初始电荷,每个初始电荷约为5000万个电子。


他们在一个系统中添加了一个传感器,并将其耦合到他们正在测量的属性上。在一个应用中,该团队使用压电加速度计测量了环境微动,压电加速度计是一种将机械能(例如分子在空气中的运动)转化为电信号的传感器。


这是您需要知道的:


量子物理学。亚原子粒子的至少一些更不寻常的特性,特别是隧穿。


查克拉巴蒂说,想象一下一座小山。“如果要到达另一侧,则必须亲自爬上山坡。量子隧道技术更像是穿过山坡。”


他说,这样做的好处是,当山丘呈某种形状时,您会获得非常独特的动态特性,并且可以持续数年。


在这种情况下,“山坡”实际上是一个称为fowler-nordheim隧道屏障的屏障。它位于电容器的极板和半导体材料之间。它的厚度不到100个原子。


chakrabartty说,通过以某种方式建立势垒,您可以控制电子的流动。可以使其缓慢地运转,每分钟降到一个电子,并保持其可靠性。以这样的速度,动力系统像一个计时装置(不带任何电池)运行超过一年。


它是这样工作的:


为了测量环境运动,将一个微型压电加速度计连接到传感器。研究人员机械地震动了加速度计。然后将其运动转换为电信号。该信号改变了势垒的形状,这要归功于量子物理学的规则,从而改变了电子穿过势垒的速率。


为了弄清楚发生了什么,该过程需要作为一种落后的rube goldberg机器来读取。


一定数量的电子隧穿势垒的概率是势垒尺寸的函数。屏障的大小取决于压电换能器产生的能量,而压电换能器又取决于加速度的大小(震动幅度)。


通过测量传感器电容器的电压并计算缺少多少电子,darshit mehta博士 chakrabartty实验室的学生和论文的主要作者,能够确定总加速能量。


当然,要投入实际使用,这些极度敏感的设备可能会在卡车上四处走动,例如跟踪疫苗的冷链管理中的环境温度。或在您的血液中,监测葡萄糖。


这就是每个设备实际上是两个系统的一个原因,一个传感系统和一个参考系统。首先,两者几乎是相同的,只有传感系统连接到传感器,而参考系统却没有。


两种系统都经过精心设计,以使电子以相同的速率隧穿,如果没有任何外力作用,它们注定会以相同的速度耗尽其电容器。


由于传感系统受到从换能器接收到的信号的影响,因此其电子在与参考系统不同的时间隧穿。经过实验后,研究小组读取了传感和参考系统电容器中的电压。他们利用两个电压的差值从换能器中找到真实的测量值。


对于某些应用,此最终结果就足够了。chakrabartty团队的下一步是克服计算难题,即更精确地重现过去发生的事情-电子受到的影响到底如何?电子什么时候穿过势垒的?开通隧道需要多长时间?


mehta博士的目标之一是 论文是使用多种设备来重建过去。chakrabartty说:“信息全部存储在设备上,我们只需要提出聪明的信号处理来解决这个问题。”


最终,这些传感器为从连续监测人体内部葡萄糖水平到可能不使用电池即可记录神经活动的一切事物提供了希望。


chakrabartty说:“目前,该平台是通用的。” “这仅取决于您与设备耦合的内容。只要您拥有可以产生电信号的传感器,它就可以为我们的传感器数据记录器自供电。”


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