這種傳感器以僅 113 皮瓦的功率運(yùn)行。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程師開發(fā)出了一種溫度傳感器，其功率只有 113 皮瓦，比目前最先進(jìn)的溫度傳感器低 628 倍，比1瓦特小 100 億倍。這種“功率近零”的溫度傳感器可延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)體溫的穿戴式或植入式設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等產(chǎn)品的電池壽命。

這種功率近零的溫度傳感器可延長(zhǎng)穿戴式或植入式設(shè)備的電池壽命（照片來源：加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程研究院）

研究人員稱，該技術(shù)還可用于一類新型設(shè)備，此類設(shè)備可通過吸收人體或周圍環(huán)境等低功率源的能量來維持運(yùn)行。該成果已發(fā)表于Scientific Reports。

“我們的愿景是，制造出如此不引人注目、如此不可見的可穿戴設(shè)備，用戶幾乎察覺不到他們?cè)诖┐髦@種設(shè)備?！蔽覀兊墓β式阈录夹g(shù)有朝一日將使得不再需要更換電池或給電池充電，”該研究的資深作者加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程研究院的電氣工程教授 Patrick Mercier 說道。

“我們正在建造多種系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的功率需求如此之低，以致于它們只靠一顆微小的電池就有可能能運(yùn)行多年 ,” 該研究的第一作者，Mercier 實(shí)驗(yàn)室里的一名電氣工程博士生 Hui Wang 表示。

Mercier 是加州大學(xué)圣迭戈分校穿戴式傳感器實(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。

其中一個(gè)例子就是這種用于醫(yī)療器械的溫度傳感器。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，但 Mercier 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種傳感器功率僅為 113 皮瓦。

最小化功率

他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)字讀出。

研究人員采用柵漏晶體管來構(gòu)建這種超低功率的電流源。這種晶體管中的微弱電流泄漏后通過電子勢(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，柵極材料越來越薄，所以它不能阻止電子泄漏——這種現(xiàn)象被稱為 “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 表示：“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(gòu)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(duì)于溫度進(jìn)行數(shù)字化。這個(gè)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(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)化成相應(yīng)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(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(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(jìn)行補(bǔ)償，這個(gè)電容決定了特殊的數(shù)字讀出。

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 mm2。它的工作溫度范圍為 –20°到 40 °C。 研究人員表示，即使在近零的功率下，其性能也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一點(diǎn)點(diǎn)?？墒茄芯咳藛T稱，這種響應(yīng)時(shí)間足以滿足人體、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)。

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醫(yī)療設(shè)備中。