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- 量子隧道技術(shù)突破了自供電傳感器的極限
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/11/26
量子隧穿傳感器芯片組和匹配的Fowler-Nordheim隧穿勢壘的顯微照片。圖片提供：圣路易斯華盛頓大學麥凱維工程學院Chakrabartty實驗室
Shantanu Chakrabartty的實驗室一直在努力制造可以運行最少能量的傳感器。他的實驗室在構(gòu)建更小，更高效的傳感器方面非常成功，以至于它們已經(jīng)成為物理基本定律形式的障礙。
但是，有時候，當您遇到似乎難以逾越的障礙時，您僅需求助于量子物理學，并在其中穿行。這就是查克拉巴蒂和圣路易斯華盛頓大學麥凱維工程學院的其他研究人員所做的。
Chakrabartty實驗室的這些自供電量子傳感器的開發(fā)，于10月28日在線發(fā)表在《自然通訊》雜志上，該實驗室是普雷斯頓M.格林系統(tǒng)與電氣工程系的Clifford W. Murphy教授。
激發(fā)這項研究的障礙是閾值效應(yīng)。
“想像有一個蘋果掛在樹上，”查克拉巴蒂說�！澳憧梢該u一搖樹，但是蘋果不會掉下來。你必須給它足夠的拖力，才能使蘋果搖晃。” 拖船類似于閾值能量�！斑@是使電子在勢壘上移動所需的最少能量�！� 如果無法將電子移動到勢壘上方，則無法產(chǎn)生電流。
但是自然發(fā)生的量子力學現(xiàn)象始終使電子移動通過勢壘。研究團隊利用此優(yōu)勢構(gòu)建了一種自供電設(shè)備，該設(shè)備只需少量的初始能量輸入，即可自行運行一年以上。
它是這樣構(gòu)建的：
該裝置簡單且制造便宜。它只需要四個電容器和兩個晶體管。
Chakrabartty的團隊從這六個部分中構(gòu)建了兩個動力系統(tǒng)，每個動力系統(tǒng)都帶有兩個電容器和一個晶體管。電容器具有少量初始電荷，每個初始電荷約為5000萬個電子。
他們在一個系統(tǒng)中添加了一個傳感器，并將其耦合到他們正在測量的屬性上。在一個應(yīng)用中，該團隊使用壓電加速度計測量了環(huán)境微動，壓電加速度計是一種將機械能（例如分子在空氣中的運動）轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。
這是您需要知道的：
量子物理學。亞原子粒子的至少一些更不尋常的特性，特別是隧穿。
查克拉巴蒂說，想象一下一座小山�！叭绻竭_另一側(cè)，則必須親自爬上山坡。量子隧道技術(shù)更像是穿過山坡。”
他說，這樣做的好處是，當山丘呈某種形狀時，您會獲得非常獨特的動態(tài)特性，并且可以持續(xù)數(shù)年。
在這種情況下，“山坡”實際上是一個稱為Fowler-Nordheim隧道屏障的屏障。它位于電容器的極板和半導體材料之間。它的厚度不到100個原子。
Chakrabartty說，通過以某種方式建立勢壘，您可以控制電子的流動。可以使其緩慢地運轉(zhuǎn)，每分鐘降到一個電子，并保持其可靠性。以這樣的速度，動力系統(tǒng)像一個計時裝置（不帶任何電池）運行超過一年。
它是這樣工作的：
為了測量環(huán)境運動，將一個微型壓電加速度計連接到傳感器。研究人員機械地震動了加速度計。然后將其運動轉(zhuǎn)換為電信號。該信號改變了勢壘的形狀，這要歸功于量子物理學的規(guī)則，從而改變了電子穿過勢壘的速率。
為了弄清楚發(fā)生了什么，該過程需要作為一種落后的Rube Goldberg機器來讀取。
一定數(shù)量的電子隧穿勢壘的概率是勢壘尺寸的函數(shù)。屏障的大小取決于壓電換能器產(chǎn)生的能量，而壓電換能器又取決于加速度的大�。ㄕ饎臃龋�。
通過測量傳感器電容器的電壓并計算缺少多少電子，Darshit Mehta博士 Chakrabartty實驗室的學生和論文的主要作者，能夠確定總加速能量。
當然，要投入實際使用，這些極度敏感的設(shè)備可能會在卡車上四處走動，例如跟蹤疫苗的冷鏈管理中的環(huán)境溫度�；蛟谀难褐�，監(jiān)測葡萄糖。
這就是每個設(shè)備實際上是兩個系統(tǒng)的一個原因，一個傳感系統(tǒng)和一個參考系統(tǒng)。首先，兩者幾乎是相同的，只有傳感系統(tǒng)連接到傳感器，而參考系統(tǒng)卻沒有。
兩種系統(tǒng)都經(jīng)過精心設(shè)計，以使電子以相同的速率隧穿，如果沒有任何外力作用，它們注定會以相同的速度耗盡其電容器。
由于傳感系統(tǒng)受到從換能器接收到的信號的影響，因此其電子在與參考系統(tǒng)不同的時間隧穿。經(jīng)過實驗后，研究小組讀取了傳感和參考系統(tǒng)電容器中的電壓。他們利用兩個電壓的差值從換能器中找到真實的測量值。
對于某些應(yīng)用，此最終結(jié)果就足夠了。Chakrabartty團隊的下一步是克服計算難題，即更精確地重現(xiàn)過去發(fā)生的事情-電子受到的影響到底如何？電子什么時候穿過勢壘的？開通隧道需要多長時間？
Mehta博士的目標之一是 論文是使用多種設(shè)備來重建過去。Chakrabartty說：“信息全部存儲在設(shè)備上，我們只需要提出聰明的信號處理來解決這個問題。”
最終，這些傳感器為從連續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)部葡萄糖水平到可能不使用電池即可記錄神經(jīng)活動的一切事物提供了希望。
Chakrabartty說：“目前，該平臺是通用的�！� “這僅取決于您與設(shè)備耦合的內(nèi)容。只要您擁有可以產(chǎn)生電信號的傳感器，它就可以為我們的傳感器數(shù)據(jù)記錄器自供電�！�
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