导读


最近,美国加州大学圣迭戈分校的电气工程师开发了一款温度传感器,其功率只有113皮瓦,不足1瓦特100亿分之一。未来这款几乎零功耗的温度传感器有望应用于可穿戴设备、植入式设备、智能家居监控设备、物联网设备和环境监测设备等产品。


关键字

传感器功耗可穿戴


背景


功耗,对于电子产品来说一直是非常关键的因素之一。


正如笔者之前《全球首款无需电池的手机:从周围环境中获取能量!》一文中介绍的,手机之类的电子产品如果能够通过吸收周围环境的能量维持运行,那么最关键技术挑战之一仍然是降低功耗。即使对于依靠电池的普通电子产品来说,降低功耗也十分重要,它不仅减少了能源消耗,而且延长了电池的续航时间。


创新


最近,美国加州大学圣迭戈分校的电气工程师开发了一款温度传感器,其功率只有113皮瓦,不足1瓦特100亿分之一。目前最先进的温度传感器的功耗需求已经降低至几十纳瓦,而Mercier小组开发的这种传感器的功耗是它的1/628。

(图片来源:David Baillot/加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院


Mercier 也是加州大学圣迭戈分校可穿戴传感器实验室的联合主任。他的节能微系统实验室位于加州大学圣迭戈分校,其主题就是构建这种超低功耗、小型化的电子设备。他的研究小组的工作重点主要是提高整个集成电路中单个部分的能源效率,从而降低整个系统的功耗。然而,一个很好的案例便是这种用于医疗设备或者智能恒温设备的温度传感器。


这项研究的论文于6月30日发表在《科学报告》杂志上。


技术

(图片来源:David Baillot/加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院


它们的新方案最小化了两个域中的功耗:电流源以及温度转换为数字读数。


研究人员采用了所谓的“栅漏”晶体管来构建这种超低功耗的电流源。这种晶体管中的微弱电流泄漏后通过电子势垒,或者栅极。晶体管通常会有一个栅级,能够开关电子流。但是随着现在晶体管的尺寸不断变小,栅极材料越来越薄,所以它不能阻止电子泄漏通过,从而发生了一种现象即“量子隧道效应”。


栅漏在微处理器和精密模拟电路中被认为是有问题的。但是在这里,研究人员却利用了它,他们用这些微弱的电流为电路供电。Hui 称:


“许多研究人员尝试消除泄漏的电流,但是我们利用了它来构建超低功耗电流源。”

研究人员利用这些电流源,开发出了一种耗电更低的方法,对于温度进行数字化。这个过程一般需要让电流通过电阻,电阻的阻值随温度发生变化,然后测量产生的电路,再使用高功率模数转换器,将这个电压转化成相关的温度。


研究人员采用一种新工艺取代了传统工艺,他们开发出了一种创新系统直接数字化温度并且节省功耗。他们的系统由两个超低功耗的电流源组成:一个在固定时间内为电容充电,而不考虑温度;另外一个随着温度变化进行充电,温度越慢则速度越慢,温度越高则速度越快。


随着温度变化,系统也在调整,让依赖于温度的电流源和固定电流源的充电时间相同。内置的数字反馈回路,通过将依赖温度的电流源重新连接于不同尺寸的电容(电容的尺寸和实际的温度直接成正比。),均衡充电时间。例如,当温度下降时,依赖温度的电流源充电变慢,反馈回路通过切换至更小的电容进行补偿,这个电容决定了特殊的数字读数。


温度传感器集成到一个小型芯片中,其面积只有 0.15 × 0.15 平方毫米。它的工作温度范围是:零下20摄氏度到40摄氏度。


研究人员称,即使是接近零功率,它的性能完全可以与目前最先进的技术相比。然而,这种传感器的响应时间是约为每秒钟一次温度更新,这一点比现有的温度传感器要慢。可是研究人员称,这种响应时间足以满足人体、家居和其他环境设备的需求,这些设备测量的温度不会迅速波动。


价值

(图片来源:David Baillot/加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院


加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院电气工程系教授、文论的高级作者之一Patrick Mercier 称:


“我们的愿景是,让可穿戴设备变得很低调、很不起眼,用户几乎不知道他们实际上穿戴了可穿戴设备,让它们变成‘不引人注目的设备’。我们的新型零功率技术未来将无需更换电池,或者为电池反复充电。”

Mercier 实验室的电气工程博士生、论文的首作者 Hui
Wang
说:


“我们将构建一个具有非常低的功耗需求系统,它们可以依靠微型电池运行好几年。”


研究成员称,这种几乎零功耗的温度传感器,不仅可以延长可穿戴设备、植入式设备、智能家居监控设备、物联网和环境监测设备等测温设备电池续航时间,而且也可以应用于依赖人体或者环境的低功率能量源供电的新型“自供电”设备。


未来


下一步,团队将致力于提高温度传感器的精准度,也将优化它的设计,使其可以成功集成到商用设备中。

参考资料


【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2252

【2】https://www.nature.com/articles/s41598-017-04705-6



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新型温度传感器:功耗几乎为零!
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