“零損耗”溫度傳感器逆天了！幾乎不需用電

UCSD的研究人員開發出了一種幾近零功率損耗的溫度傳感器。

隨著物聯網概念的普及和應用，其中為實現物物相連這一概念，應用最為廣泛的技術就是無線傳感器技術，通過傳感器，我們能夠實時采集溫度、濕度、壓力等物理數據，從而實現對物體狀態的掌控。

在眾多傳感器中，應用最為廣泛的就是溫度傳感器，即利用物質的性質隨溫度變化的規律，將溫度轉化為電量的傳感器。其中材料、測量方式等因素的不同亦可將溫度傳感器分為許多種類，目前主要的四大類型為：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器。

但無論是哪一類，在架設好的網絡結構中，傳感器節點因儲電能力弱、使用壽命短而對網絡帶來的影響都是不可避免的。

革新

針對續航這一問題，近日，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的電氣工程師們開發出了一種溫度傳感器，其運行功率為113皮秒，功率比現有技術低628倍，比1w小約100億倍。也就是，這種損耗近“零功率”的傳感器可以僅憑少量的電能而維持許多年。

改進一|電流源的高效利用

研究人員使用的是傳統的“柵極泄露”晶體管，利用晶體管的這一特性，他們構造了一種超低功耗電流源晶體管。

“柵極泄露”的現象主要是因為現代晶體管的尺寸不斷縮小，柵極材料變薄，使得當晶體管關閉柵極時，依然無法完全阻止電流穿過，導致微弱的電流泄露。

在精密的模擬電路系統中或微處理器中，泄露會影響系統的穩定性，通常人們也認為這是一大需要解決和避免的問題。但在UCSD的工程師們的眼里，這一泄露恰好可以被利用，作為電路供電的低功耗電流源。

改進二|溫度轉化為數字時的低損耗

對于模擬量轉化為數字溫度顯示的過程，研究人員也開發了一種低耗電量的轉化方式。通常模/數轉化過程是：電流通過電阻，可變電阻隨溫度變化，然后測電阻電壓，最后將電壓轉換為相應的溫度。

而在此系統中，研究人員利用電容充放電過程的變化來測量電壓變化，最終將其轉化為溫度的變化。此處選用的電容器的尺寸與實際溫度成正比，如當溫度下降時，依賴于溫度的電流源充電速度將減慢，反饋使電容器大小降低。

總結

該溫度傳感器集成在面積為0.15×0.15平方毫米的小芯片中，工作溫度范圍為零下20攝氏度到40攝氏度，但為了綜合性能考慮，傳感器的響應速率只能選擇約為每秒一次溫度更新，這比現有的溫度傳感器稍慢。不過對于可穿戴設備、智能家居等對變化速度要求不高的應用場合，該響應時間是足夠的。

正如UCSD工學院電氣工程教授帕特里克·梅西爾（Patrick Mercier）所表示，我們的愿景是使可穿戴設備變得不引人注意，并致力于建設低功耗系統，使其可以運行多年而無需更換。低功耗是未來技術研究中一項重要的研究領域，甚至決定了許多研究成果在實際應用上的未來。

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