最近，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的電氣工程師開(kāi)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(lái)，這款幾乎零功耗的溫度傳感器有望應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備、智能家居監(jiān)控設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等產(chǎn)品。

背景

功耗，對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)一直是非常關(guān)鍵的因素之一。

正如筆者之前《全球首款無(wú)需電池的手機(jī)：從周?chē)h(huán)境中獲取能量！》一文中介紹的，手機(jī)之類(lèi)的電子產(chǎn)品如果能夠通過(guò)吸收周?chē)h(huán)境的能量維持運(yùn)行，那么最關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一仍然是降低功耗。即使對(duì)于依靠電池的普通電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，降低功耗也十分重要，它不僅減少了能源消耗，而且延長(zhǎng)了電池的續(xù)航時(shí)間。

創(chuàng)新

最近，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的電氣工程師開(kāi)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(jìn)的溫度傳感器的功耗需求已經(jīng)降低至幾十納瓦，而Mercier小組開(kāi)發(fā)的這種傳感器的功耗是它的1/628。

（圖片來(lái)源：DavidBaillot/加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布斯工程學(xué)院）

Mercier也是加州大學(xué)圣迭戈分校可穿戴傳感器實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合主任。他的節(jié)能微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室位于加州大學(xué)圣迭戈分校，其主題就是構(gòu)建這種超低功耗、小型化的電子設(shè)備。他的研究小組的工作重點(diǎn)主要是提高整個(gè)集成電路中單個(gè)部分的能源效率，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。然而，一個(gè)很好的案例便是這種用于醫(yī)療設(shè)備或者智能恒溫設(shè)備的溫度傳感器。

這項(xiàng)研究的論文于6月30日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。

技術(shù)

（圖片來(lái)源：DavidBaillot/加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布斯工程學(xué)院）

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

研究人員采用了所謂的“柵漏”晶體管來(lái)構(gòu)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(guò)電子勢(shì)壘，或者柵極。晶體管通常會(huì)有一個(gè)柵級(jí)，能夠開(kāi)關(guān)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(lái)越薄，所以它不能阻止電子泄漏通過(guò)，從而發(fā)生了一種現(xiàn)象即“量子隧道效應(yīng)”。

柵漏在微處理器和精密模擬電路中被認(rèn)為是有問(wèn)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(chēng)：

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

研究人員利用這些電流源，開(kāi)發(fā)出了一種耗電更低的方法，對(duì)于溫度進(jìn)行數(shù)字化。這個(gè)過(guò)程一般需要讓電流通過(guò)電阻，電阻的阻值隨溫度發(fā)生變化，然后測(cè)量產(chǎn)生的電路，再使用高功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)化成相關(guān)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(kāi)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(gè)超低功耗的電流源組成：一個(gè)在固定時(shí)間內(nèi)為電容充電，而不考慮溫度；另外一個(gè)隨著溫度變化進(jìn)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(diào)整，讓依賴(lài)于溫度的電流源和固定電流源的充電時(shí)間相同。內(nèi)置的數(shù)字反饋回路，通過(guò)將依賴(lài)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(shí)際的溫度直接成正比。），均衡充電時(shí)間。例如，當(dāng)溫度下降時(shí)，依賴(lài)溫度的電流源充電變慢，反饋回路通過(guò)切換至更小的電容進(jìn)行補(bǔ)償，這個(gè)電容決定了特殊的數(shù)字讀數(shù)。

溫度傳感器集成到一個(gè)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(chēng)，即使是接近零功率，它的性能完全可以與目前最先進(jìn)的技術(shù)相比。然而，這種傳感器的響應(yīng)時(shí)間是約為每秒鐘一次溫度更新，這一點(diǎn)比現(xiàn)有的溫度傳感器要慢?？墒茄芯咳藛T稱(chēng)，這種響應(yīng)時(shí)間足以滿(mǎn)足人體、家居和其他環(huán)境設(shè)備的需求，這些設(shè)備測(cè)量的溫度不會(huì)迅速波動(dòng)。

價(jià)值

（圖片來(lái)源：DavidBaillot/加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布斯工程學(xué)院）

加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布斯工程學(xué)院電氣工程系教授、文論的高級(jí)作者之一PatrickMercier稱(chēng)：

“我們的愿景是，讓可穿戴設(shè)備變得很低調(diào)、很不起眼，用戶(hù)幾乎不知道他們實(shí)際上穿戴了可穿戴設(shè)備，讓它們變成‘不引人注目的設(shè)備’。我們的新型零功率技術(shù)未來(lái)將無(wú)需更換電池，或者為電池反復(fù)充電?！?/p>

Mercier實(shí)驗(yàn)室的電氣工程博士生、論文的首作者HuiWang說(shuō)：

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

研究成員稱(chēng)，這種幾乎零功耗的溫度傳感器，不僅可以延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備、智能家居監(jiān)控設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等測(cè)溫設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間，而且也可以應(yīng)用于依賴(lài)人體或者環(huán)境的低功率能量源供電的新型“自供電”設(shè)備。

未來(lái)

下一步，團(tuán)隊(duì)將致力于提高溫度傳感器的精準(zhǔn)度，也將優(yōu)化它的設(shè)計(jì)，使其可以成功集成到商用設(shè)備中。

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