新型溫度感測器：功耗幾乎為零！

科技 07-10

導讀

最近，美國加州大學聖迭戈分校的電氣工程師開發了一款溫度感測器，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感測器有望應用於可穿戴設備、植入式設備、智能家居監控設備、物聯網設備和環境監測設備等產品。

關鍵字

感測器、功耗、可穿戴

背景

功耗，對於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境的能量維持運行，那麼最關鍵技術挑戰之一仍然是降低功耗。即使對於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航時間。

創新

最近，美國加州大學聖迭戈分校的電氣工程師開發了一款溫度感測器，其功率只有113皮瓦，不足1瓦特100億分之一。目前最先進的溫度感測器的功耗需求已經降低至幾十納瓦，而Mercier小組開發的這種感測器的功耗是它的1/628。

新型溫度感測器：功耗幾乎為零！

（圖片來源：David Baillot/加州大學聖迭戈分校雅各布斯工程學院）

Mercier 也是加州大學聖迭戈分校可穿戴感測器實驗室的聯合主任。他的節能微系統實驗室位於加州大學聖迭戈分校，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，從而降低整個系統的功耗。然而，一個很好的案例便是這種用於醫療設備或者智能恆溫設備的溫度感測器。

這項研究的論文於6月30日發表在《科學報告》雜誌上。

技術

新型溫度感測器：功耗幾乎為零！

（圖片來源：David Baillot/加州大學聖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字讀數。

研究人員採用了所謂的「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後通過電子勢壘，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，從而發生了一種現象即「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。但是在這裡，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。」

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

研究人員採用一種新工藝取代了傳統工藝，他們開發出了一種創新系統直接數字化溫度並且節省功耗。他們的系統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，系統也在調整，讓依賴於溫度的電流源和固定電流源的充電時間相同。內置的數字反饋迴路，通過將依賴溫度的電流源重新連接於不同尺寸的電容（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，反饋迴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字讀數。

溫度感測器集成到一個小型晶元中，其面積只有 0.15 × 0.15 平方毫米。它的工作溫度範圍是：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，這種感測器的響應時間是約為每秒鐘一次溫度更新，這一點比現有的溫度感測器要慢。可是研究人員稱，這種響應時間足以滿足人體、家居和其他環境設備的需求，這些設備測量的溫度不會迅速波動。

價值

新型溫度感測器：功耗幾乎為零！