Ortam ışığıyla çalışan bataryasız 3D çip geliştirildi

Nesnelerin İnterneti ve uç bilgi işlem sistemlerinde kullanılan milyarlarca cihazın önemli bölümü, belirli aralıklarla değiştirilmesi veya şarj edilmesi gereken bataryalara bağımlı olarak çalışıyor. Özellikle uzak veya erişilmesi zor bölgelerde kullanılan sensörlerde batarya bakımı, yüksek maliyet ve lojistik yük oluşturuyor.
Penn State Üniversitesi liderliğindeki araştırma ekibi, bu soruna yönelik olarak yalnızca ortam ışığından enerji toplayarak kendi kendine çalışan yeni bir entegre devre geliştirdi. Nature Electronics dergisinde yayımlanan çalışmada, algılama, veri işleme ve enerji üretimi tek bir monolitik 3D mimaride bir araya getirildi.

HARİCİ GÜÇ KAYNAĞINA İHTİYAÇ DUYMUYOR
Geliştirilen çip, güneş ışığı veya iç mekan aydınlatması gibi çevresel kaynaklardan elde ettiği enerjiyle çalışıyor. Sistem, harici bir elektrik bağlantısına veya bataryaya ihtiyaç duymadan çevresindeki kimyasalları algılayabiliyor ve elde ettiği verileri yerel olarak işleyebiliyor.
Çalışmanın kıdemli yazarı Saptarshi Das, gelecekteki birçok IoT ve uç bilgi işlem sisteminin batarya değişiminin zor olduğu bölgelerde görev yapacağını belirtti. Das, amaçlarının bilgiyi algılayan, yerinde işleyen ve enerjisini doğrudan çevresinden sağlayan kompakt bir çip geliştirmek olduğunu söyledi.

ÜÇ KATMANLI MİMARİ
Yeni entegre devre, dikey olarak üst üste yerleştirilen üç işlevsel katmandan oluşuyor. Alt katmanda bulunan silikon tabanlı fotovoltaik modül, ortam ışığını elektrik enerjisine dönüştürüyor ve çipin ihtiyaç duyduğu gücü sağlıyor.
Orta katmanda, verilerin işlenmesini sağlayan düşük güç tüketimli devreler yer alıyor. Bu katmanda n-tipi molibden disülfür ve p-tipi tungsten diselenid transistörleri kullanılıyor.
Üst katmanda ise çevresel kimyasallara temas ettiğinde elektriksel tepki oluşturan grafen tabanlı sensörler bulunuyor. Sensörler, örneğin yüzeylerine bir sıvı temas ettiğinde oluşan değişimi algılayabiliyor.

ALGILANAN VERİ YERİNDE İŞLENİYOR
Grafen sensörlerde oluşan elektrik sinyalleri, dikey bağlantılar üzerinden doğrudan işlem katmanına aktarılıyor. Burada sinyaller dijital verilere dönüştürülerek yerel olarak işleniyor.
Bu yapı sayesinde algılanan verilerin uzak bir sunucuya gönderilmeden önce çip üzerinde değerlendirilmesi mümkün hale geliyor. Böylece veri aktarımı için gereken enerji azalırken sistemin tepki süresi de kısalıyor.

KATMANLAR ARASINDA 50 NANOMETRE
Araştırmacılar, üç işlevsel katman arasındaki mesafeyi yaklaşık 50 nanometre seviyesinde tuttu. Silikon, grafen, molibden disülfür ve tungsten diselenid gibi farklı malzemelerin aynı yapı içinde bir araya getirilmesi, çipin fiziksel boyutunu küçültürken bağlantılardan kaynaklanan enerji kayıplarını da azaltıyor.
Monolitik entegrasyon, enerji üretimi, algılama ve hesaplama süreçlerinin birbirine yakın katmanlarda gerçekleştirilmesine imkan sağlıyor. Bu sayede farklı işlevler arasındaki veri ve enerji yolları kısaltılıyor.

UZAK BÖLGELERDE KULLANILABİLİR
Bataryasız ve kendi enerjisini üretebilen çipin, uzak doğal ortamların izlenmesi, akıllı şehir altyapıları ve endüstriyel sensör sistemlerinde kullanılabileceği belirtiliyor. Teknoloji, düzenli bakımın zor olduğu bölgelerde çalışan cihazların daha uzun süre bağımsız görev yapmasını sağlayabilir.
Sistemin giyilebilir sağlık cihazları ve çevresel takip ekipmanları gibi düşük güç tüketen uygulamalarda da kullanılabileceği ifade ediliyor.

KABLOSUZ İLETİŞİM EKLENECEK
Araştırma ekibi, bir sonraki aşamada sistemi daha büyük iki boyutlu CMOS devreleriyle ölçeklendirmeyi planlıyor. Çipe farklı çevresel koşulları algılayabilecek yeni sensörlerin ve düşük güç tüketimli kablosuz iletişim modüllerinin eklenmesi hedefleniyor.
Çalışmalarda ayrıca sistemin güvenilirliği ve seri üretime uygunluğu üzerinde durulacak. Araştırmacılar, bu geliştirmelerin ardından çipin gerçek dünya uç bilgi işlem uygulamalarında tamamen bataryasız çalışabilecek bir platforma dönüştürülmesini amaçlıyor.