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近零功率温度传感器可以使可穿戴设备 智能设备降低功耗

发布时间:2019-01-31 17:25:37 来源:

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的电气工程师开发出一种温度传感器,其功率仅为113皮瓦 - 比现有技术的功率低628倍,比瓦特小约100亿倍。这种接近零功率的温度传感器可以延长可监测或可植入设备的电池寿命,这些设备可监控体温,智能家居监控系统,物联网设备和环境监控系统。

研究人员表示,该技术还可以实现一种新型设备,这些设备可以通过从低功率源(如身体或周围环境)获取能量来提供动力。这项工作于6月30日发表在科学报告上。

“我们的目标是让可穿戴设备如此不引人注目,如此隐形,用户几乎不知道他们穿着可穿戴设备,使它们成为'不可穿戴的'。” 我们新的近零功率技术有朝一日可以消除对电池进行更换或充电的需求,“加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的电气工程教授,该研究的资深作者Patrick Mercier说。

“我们正在构建具有如此低功率要求的系统,这些系统可能只需很少的电池即可运行多年,”电气工程博士王辉表示。Mercier实验室的学生和该研究的第一作者。

建造超低功耗,小型化电子设备是Mercier在加州大学圣地亚哥分校的节能微系统实验室的主题。Mercier还担任加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的联合主任。他的团队工作的一大部分重点是提高集成电路各个部分的能效,以降低整个系统的功率需求。

一个例子是医疗保健设备或智能恒温器中的温度传感器。虽然最先进的温度传感器的功率要求已降至几十纳瓦,但Mercier集团开发的功率仅为113皮瓦 - 功率低628倍。

最小化功率

他们的新方法涉及最小化两个领域的功率:电流源和温度转换为数字读数。

研究人员使用所谓的“栅极泄漏”晶体管构建了一个超低功率电流源 - 晶体管中的微小电流通过电子势垒或栅极泄漏。晶体管通常具有可以打开和关闭电子流的栅极。但随着现代晶体管的尺寸不断缩小,栅极材料变得如此之薄,以至于它不再能阻挡电子泄漏 - 这种现象称为量子隧道效应。

在诸如微处理器或精密模拟电路的系统中,栅极泄漏被认为是有问题的。在这里,研究人员正在利用它 - 他们利用这些微小的电子流量来为电路供电。

“许多研究人员正试图摆脱泄漏电流,但我们正在利用它来构建一个超低功率电流源,”Hui说。

利用这些电流源,研究人员开发出一种低功耗的数字化温度方法。该过程通常需要使电流通过电阻器 - 其电阻随温度变化 - 然后测量产生的电压,然后使用高功率模数转换器将该电压转换为其相应的温度。

研究人员开发出一种创新系统,可直接数字化温度并节省电力,而不是传统工艺。他们的系统由两个超低功率电流源组成:一个在不考虑温度的情况下在一定时间内为电容器充电,另一个以随温度变化的速率充电 - 在较低温度下较慢,在较高温度下较快。

随着温度的变化,系统进行调整,使得与温度相关的电流源在与固定电流源相同的时间内充电。内置数字反馈环路通过将与温度相关的电流源重新连接到不同大小的电容器来均衡充电时间 - 该电容器的大小与实际温度成正比。例如,当温度下降时,与温度相关的电流源将充电较慢,并且反馈回路通过切换到较小的电容器来补偿,该电容器指示特定的数字读出。

温度传感器集成在一个面积为0.15×0.15平方毫米的小芯片中。研究人员说,它的工作温度范围从零下20摄氏度到40摄氏度。即使在接近零功率的情况下,它的性能也与现有技术相当。一个权衡是传感器的响应时间约为每秒一次温度更新,这比现有的温度传感器略慢。然而,研究人员称,这种响应时间对于在人体,家庭和温度不会迅速波动的其他环境中运行的设备来说已经足够了。

展望未来,该团队正致力于提高温度传感器的精度。该团队还在优化设计,以便将其成功集成到商业设备中。

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