سنسوری که با چند الکترون در دقیقه کار می کند


در فرایند ساخت یکی از کوچکترین سنسورهای قدرت دنیا، مهندسان دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس آمریکا از تونل زدن کوانتومی به عنوان ثبت کننده داده برای ضبط ارتعاشات استفاده کردند.

 

این وسیله ضبط داده دروازه‌ای شناور در یک ساختار ترانزیستور تغییر یافته است

 

وقتی که این وسیله باردار می‌شود، دروازه شناور به شکلی طراحی شده است که از طریق تونل زدن فولر-نوردهایم به تدریج بار الکتریکی تخلیه شود. بار الکتریکی باقیمانده در دروازه شناور را می‌توان در هر زمانی اندازه‌گیری کرد. این فرآیند از طریق تأمین قدرت کانال ترانزیستور و اندازه گیری مقاومت کانال انجام می‌شود. مانند: یک نسخه آنالوگی از حافظه الکترونیکی.

پروفسور شانتانو چاکربرتی می‌گوید: « اگر با روش خاصی بازدارنده (مانع) را بسازید، می‌توانید جریان الکترون‌ها را کنترل کنید. می‌توانید جریان را به نوعی منطقی تا یک الکترون در دقیقه آهسته کنید و همچنان آنرا قابل اطمینان نگاه دارید.»

تخلیه الکتریکی تدریجی نرخی قابل پیش بینی به همراه دارد (فرقی نمی‌کند که ترانزیستور بازخوانی انرژی داشته باشد یا خیر). این فرآیند چندین روز طول می‌کشد تا دروازه شناور از طریق تونل زدن تخلیه شود.

اگر بار الکتریکی از طریق یک خازن از یک منبع خارجی به داخل دروازه شناور هدایت شود، یک قدم کوچک، قابل پیش بینی و قابل اندازه‌گیری در منحنی تخلیه الکتریکی ایجاد می‌کند. بار دیگر این قدم مشابه قدم قبلی است و فرقی نمی‌کند که ترانزیستور بازخوانی انرژی داشته باشد یا خیر.

 

 

به دلیل وجود رابطه غیر خطی در سیستم (که معادلات آنها شناخته شده‌اند)، اگر مقدار مشابهی از بار الکتریکی توسط خازن حذف شود، دروازه شناور نسبتا (نه به اندازه اولیه) به منحنی تونل زنی تخلیه الکتریکی باز می‌گردد. مقدار یکسان بار و تخلیه الکتریکی اثری دائمی بر منحنی می‌گذارد که تا چندین روز روی ترانزیستور باقی می‌ماند.

در کاربرد، دروازه شناور بر روی حالت مشخصی برنامه ریزی می‌شود (تقریبا 50 میلیون الکترون، براساس آمار دانشگاه). سپس چندین ساعت یا روز بدون قدرت (خاموش) رها می‌شود تا به وسیله یک کمیت خارجی تحت تاثیر قرار گیرد. مهندسان این پروژه در مرحله نمونه اولیه از یک سنسور ارتعاش پیزو (Piezo) به عنوان منبع بار ایجاد شده توسط خازن استفاده کردند. به این ترتیب انرژی ترانزیستور تامین می‌شود و اطلاعاتی از سنسور در مواقع خاموشی بدست می‌آید.

این اطلاعات یکی از عملکردهای فریبنده دامنه سیگنال سنسور و زمان بندی آن است. اینکه چه کارهایی لازم است تا بتوان استفاده‌ای واقع بینانه از این داده‌ها پیدا کرد، در حال تحقیق و بررسی است.

براساس اعلام تیم تحقیقاتی دانشگاه واشنگتن «برای بعضی از کاربردها این نتیجه نهایی کافیست. قدم بعدی برای تیم چاکربرتی غلبه کردن بر چالش محاسباتی بازسازی دقیق تر اتفاقاتی که در گذشته اتفاق افتاده است».

چندین وسیله که همزمان با هم نقطه‌های داده را جمع آوری می‌کنند، می‌تواند مفید باشد. چارکربرتی: «همه اطلاعات بر روی وسیله ذخیره شده است؛ ما فقط باید روشی برای پردازش سیگنال پیدا کنیم تا این مسئله حل شود».

 

 

چیزی که نباید از محاسبات نهایی حذف شود، تاثیر دما است (با وجود اینکه تونل زنی فولر-نوردهایم به شدت به دما وابسته هست) چون ترانزیستور سنسور در وسیله نمایشی با یک دوقلو جفت شده است که  دروازه شناور آن را از تاثیرات خازنی محافظت می‌کند. برای حذف کردن تاثیرات دما، هر دو ترانزیستور باید به صورت همزمان و از طریق زنجیره ای متفاوت از سیگنالها خوانده شوند.

در شرایط کنونی، مصرف انرژی محدود به تنظیم کردن ترانزیستورها به حالت اولیه است. باید صبر کنیم تا نتیجه بدون قدرت اضافه بدست آید. سپس چندین روز یا چندین ساعت بعد، نتایج خوانده می‌شوند. در مرحله اثبات مفهوم، قدرت در تنظیمات اولیه از سنسور پیزو بدست می‌آید.

با نگاهی به مقاله چاپ شده در مجله ارتباطات Nature با عنوان «یک وسیله ثبت داده با قدرت آنالوگ بر اساس سیستم‌های دینامیک فولر-نوردهایم» بودجه فرضی اجرایی این مدل از مدل 10aJکمتر است.




قطعات الکترونیک - بردمدار_چاپی - مهندسی_معکوس - سنسور - اطلاعات
processing...