最近，美國加州大學圣迭戈分校的電氣工程師開發(fā)了一款溫度傳感器，其功率只有113皮瓦，不足1瓦特100億分之一。未來，這款幾乎零功耗的溫度傳感器有望應用于可穿戴設備、植入式設備、智能家居監(jiān)控設備、物聯(lián)網設備和環(huán)境監(jiān)測設備等產品。

背景

功耗，對于電子產品來說一直是非常關鍵的因素之一。

正如筆者之前《全球首款無需電池的手機：從周圍環(huán)境中獲取能量！》一文中介紹的，手機之類的電子產品如果能夠通過吸收周圍環(huán)境的能量維持運行，那么最關鍵技術挑戰(zhàn)之一仍然是降低功耗。即使對于依靠電池的普通電子產品來說，降低功耗也十分重要，它不僅減少了能源消耗，而且延長了電池的續(xù)航時間。

創(chuàng)新

最近，美國加州大學圣迭戈分校的電氣工程師開發(fā)了一款溫度傳感器，其功率只有113皮瓦，不足1瓦特100億分之一。目前最先進的溫度傳感器的功耗需求已經降低至幾十納瓦，而Mercier小組開發(fā)的這種傳感器的功耗是它的1/628。

（圖片來源：DavidBaillot/加州大學圣迭戈分校雅各布斯工程學院）

Mercier也是加州大學圣迭戈分?？纱┐鱾鞲衅鲗嶒炇业穆?lián)合主任。他的節(jié)能微系統(tǒng)實驗室位于加州大學圣迭戈分校，其主題就是構建這種超低功耗、小型化的電子設備。他的研究小組的工作重點主要是提高整個集成電路中單個部分的能源效率，從而降低整個系統(tǒng)的功耗。然而，一個很好的案例便是這種用于醫(yī)療設備或者智能恒溫設備的溫度傳感器。

這項研究的論文于6月30日發(fā)表在《科學報告》雜志上。

技術

（圖片來源：DavidBaillot/加州大學圣迭戈分校雅各布斯工程學院）

它們的新方案最小化了兩個域中的功耗：電流源以及溫度轉換為數(shù)字讀數(shù)。

研究人員采用了所謂的“柵漏”晶體管來構建這種超低功耗的電流源。這種晶體管中的微弱電流泄漏后通過電子勢壘，或者柵極。晶體管通常會有一個柵級，能夠開關電子流。但是隨著現(xiàn)在晶體管的尺寸不斷變小，柵極材料越來越薄，所以它不能阻止電子泄漏通過，從而發(fā)生了一種現(xiàn)象即“量子隧道效應”。

柵漏在微處理器和精密模擬電路中被認為是有問題的。但是在這里，研究人員卻利用了它，他們用這些微弱的電流為電路供電。Hui稱：

“許多研究人員嘗試消除泄漏的電流，但是我們利用了它來構建超低功耗電流源?！?/p>

研究人員利用這些電流源，開發(fā)出了一種耗電更低的方法，對于溫度進行數(shù)字化。這個過程一般需要讓電流通過電阻，電阻的阻值隨溫度發(fā)生變化，然后測量產生的電路，再使用高功率模數(shù)轉換器，將這個電壓轉化成相關的溫度。

研究人員采用一種新工藝取代了傳統(tǒng)工藝，他們開發(fā)出了一種創(chuàng)新系統(tǒng)直接數(shù)字化溫度并且節(jié)省功耗。他們的系統(tǒng)由兩個超低功耗的電流源組成：一個在固定時間內為電容充電，而不考慮溫度；另外一個隨著溫度變化進行充電，溫度越慢則速度越慢，溫度越高則速度越快。

隨著溫度變化，系統(tǒng)也在調整，讓依賴于溫度的電流源和固定電流源的充電時間相同。內置的數(shù)字反饋回路，通過將依賴溫度的電流源重新連接于不同尺寸的電容（電容的尺寸和實際的溫度直接成正比。），均衡充電時間。例如，當溫度下降時，依賴溫度的電流源充電變慢，反饋回路通過切換至更小的電容進行補償，這個電容決定了特殊的數(shù)字讀數(shù)。

溫度傳感器集成到一個小型芯片中，其面積只有0.15×0.15平方毫米。它的工作溫度范圍是：零下20攝氏度到40攝氏度。

研究人員稱，即使是接近零功率，它的性能完全可以與目前最先進的技術相比。然而，這種傳感器的響應時間是約為每秒鐘一次溫度更新，這一點比現(xiàn)有的溫度傳感器要慢?？墒茄芯咳藛T稱，這種響應時間足以滿足人體、家居和其他環(huán)境設備的需求，這些設備測量的溫度不會迅速波動。

價值

（圖片來源：DavidBaillot/加州大學圣迭戈分校雅各布斯工程學院）

加州大學圣迭戈分校雅各布斯工程學院電氣工程系教授、文論的高級作者之一PatrickMercier稱：

“我們的愿景是，讓可穿戴設備變得很低調、很不起眼，用戶幾乎不知道他們實際上穿戴了可穿戴設備，讓它們變成‘不引人注目的設備’。我們的新型零功率技術未來將無需更換電池，或者為電池反復充電?！?/p>

Mercier實驗室的電氣工程博士生、論文的首作者HuiWang說：

“我們將構建一個具有非常低的功耗需求系統(tǒng)，它們可以依靠微型電池運行好幾年?！?/p>

研究成員稱，這種幾乎零功耗的溫度傳感器，不僅可以延長可穿戴設備、植入式設備、智能家居監(jiān)控設備、物聯(lián)網和環(huán)境監(jiān)測設備等測溫設備的電池續(xù)航時間，而且也可以應用于依賴人體或者環(huán)境的低功率能量源供電的新型“自供電”設備。

未來

下一步，團隊將致力于提高溫度傳感器的精準度，也將優(yōu)化它的設計，使其可以成功集成到商用設備中。

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