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加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的研究人员开发出了一种几近零功率损耗的温度传感器。

随着物联网概念的普及和应用，其中为实现物物相连这一概念，应用最为广泛的技术就是无线传感器技术，通过传感器，我们能够实时采集温度、湿度、压力等物理数据，从而实现对物体状态的掌控。

在众多传感器中，应用最为广泛的就是温度传感器，即利用物质的性质随温度变化的规律，将温度转化为电量的传感器。其中材料、测量方式等因素的不同亦可将温度传感器分为许多种类，目前主要的四大类型为：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

但无论是哪一类，在架设好的网络结构中，传感器节点因储电能力弱、使用寿命短而对网络带来的影响都是不可避免的。

▍革新

针对续航这一问题，近日，加州大学圣地亚哥分校的电气工程师们开发出了一种温度传感器，其运行功率为113皮瓦，功率比现有技术低628倍，比1w小约100亿倍。也就是，这种损耗近“零功率”的传感器可以仅凭少量的电能而维持许多年。

▍改进一、电流源的高效利用

研究人员使用的是传统的“栅极泄露”晶体管，利用晶体管的这一特性，他们构造了一种超低功耗电流源晶体管。

“栅极泄露”的现象主要是因为现代晶体管的尺寸不断缩小，栅极材料变薄，使得当晶体管关闭栅极时，依然无法完全阻止电流穿过，导致微弱的电流泄露。

在精密的模拟电路系统中或微处理器中，泄露会影响系统的稳定性，通常人们也认为这是一大需要解决和避免的问题。但在UCSD的工程师们的眼里，这一泄露恰好可以被利用，作为电路供电的低功耗电流源。

▍改进二、温度转化为数字时的低损耗

对于模拟量转化为数字温度显示的过程，研究人员也开发了一种低耗电量的转化方式。通常模/数转化过程是：电流通过电阻，可变电阻随温度变化，然后测电阻电压，最后将电压转换为相应的温度。

而在此系统中，研究人员利用电容充放电过程的变化来测量电压变化，最终将其转化为温度的变化。此处选用的电容器的尺寸与实际温度成正比，如当温度下降时，依赖于温度的电流源充电速度将减慢，反馈使电容器大小降低。

▍总结

该温度传感器集成在面积为0.15×0.15平方毫米的小芯片中，工作温度范围为零下20摄氏度到40摄氏度，但为了综合性能考虑，传感器的响应速率只能选择约为每秒一次温度更新，这比现有的温度传感器稍慢。不过对于可穿戴设备、智能家居等对变化速度要求不高的应用场合，该响应时间是足够的。

正如UCSD工学院电气工程教授帕特里克·梅西尔（Patrick Mercier）所表示，我们的愿景是使可穿戴设备变得不引人注意，并致力于建设低功耗系统，使其可以运行多年而无需更换。低功耗是未来技术研究中一项重要的研究领域，甚至决定了许多研究成果在实际应用上的未来。

文章链接：

Hui Wang, Patrick P. Mercier. "Near-Zero-Power Temperature Sensing via Tunneling Currents Through Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistors," Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-04705-6

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