這種傳感器以僅 113 皮瓦的功率運行。

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監(jiān)測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在穿戴著這種設(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行多年 ,” 該研究的第一作者，Mercier 實驗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驗室的聯(lián)合主任。他的節(jié)能微系統(tǒng)實驗室位于加州大學(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(tǒng)的功耗。

其中一個例子就是這種用于醫(yī)療器械的溫度傳感器。目前最先進的溫度傳感器的功耗需求已經(jīng)降低至幾十納瓦，但 Mercier 團隊開發(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壘，或者柵極。晶體管通常會有一個柵級，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，對于溫度進行數(shù)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(fā)生變化，然后測量產(chǎn)生的電路，再使用高功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將這個電壓轉(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)由兩個超低功耗的電流源組成：一個在固定時間內(nèi)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(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（電容的尺寸和實際的溫度直接成正比。），均衡充電時間。例如，當(dāng)溫度下降時，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行補償，這個電容決定了特殊的數(shù)字讀出。

溫度傳感器集成到一個小型芯片中，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的技術(shù)相比。然而，這種傳感器的響應(yīng)時間是約為每秒鐘一次溫度更新，這一點比現(xiàn)有的溫度傳感器要慢一點點?？墒茄芯咳藛T稱，這種響應(yīng)時間足以滿足人體、家居和其他環(huán)境設(shè)備的需求，這些設(shè)備測量的溫度不會迅速波動。

下一步，團隊將致力于提高溫度傳感器的精準度，也將優(yōu)化它的設(shè)計，使其可以成功集成到商用醫(yī)療設(shè)備中。