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黑科技 | “零损耗”温度传感器逆天了!几乎不需用电
罗纳尔多 2017-07-06
导语

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。

编者按:本文来源“新科技前沿”(ID:new_science),e科网经授权转载。

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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  • 温度传感器
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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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