Przełomowy czujnik odkryty przez inżynierów z San Diego

Uniwersytet Kalifornijski w San Diego

Inżynierowie na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego opracowali czujnik temperatury, który działa na 113 picowatach mocy – to około 10 miliardów razy mniej od wata. Czujnik, który może działać w temperaturze zbliżonej do zera stopni, ma szansę wydłużyć żywotność baterii urządzeń, którymi można monitorować temperaturę ciała, inteligentne systemy kontroli domów, urządzenia „Internet of Things" i aparaturę monitorowania środowiska.

Technologia mogłaby również sprawdzić się w nowej klasie urządzeń, które mogą być zasilane przez gromadzenie energii ze źródeł o niskiej mocy, takich jak ciało lub otoczenie. Prace zostały opublikowane w raportach naukowych 30 czerwca.

"Nasza wizja polega na tym, aby urządzenia noszone na ubraniach były tak dyskretne, że użytkownicy są praktycznie nieświadomi tego, że mają coś na sobie. Nowa technologia mogłaby pewnego dnia wyeliminować konieczność zmiany lub naładowania akumulatora ", powiedział Patrick Mercier, profesor inżynierii elektrycznej w UC San Diego Jacobs School of Engineering i współautor badań.

"Budujemy systemy o niskich wymaganiach energetycznych, które mogą potencjalnie działać przez kilka lat tylko na niewielkiej baterii" - powiedział Hui Wang, zaangażowany w projekt.

Budowa miniaturowych urządzeń elektronicznych jest przedmiotem badań laboratorium firmy Microsystems Mercier w UC San Diego. Mercier jest także współautorem Centrum Czujników Samochodowych w UC San Diego. Duża część pracy koncentruje się na zwiększeniu efektywności energetycznej poszczególnych części obwodu scalonego w celu zmniejszenia zapotrzebowania na moc całego systemu.

Jednym z przykładów jest czujnik temperatury znajdujący się w urządzeniach medycznych lub inteligentnych termostatach. Pomimo, że zapotrzebowanie na moc najnowocześniejszych czujników temperatury zostało zredukowane do kilkudziesięciu nanowatów, to opracowany przez grupę Merciera działa na zaledwie 113 picowatach, czyli około 628 razy niższej mocy.

Minimalizacja mocy

Nowe podejście polega na minimalizacji mocy w dwóch domenach: obecnym źródle i konwersji temperatury na cyfrowy odczyt.

Naukowcy zbudowali ultra-niskie źródło prądu z wykorzystaniem tzw. tranzystorów "bramowych", w których występują niewielkie przecieki prądowe przez elektroniczną barierę lub bramę. Tranzystory zazwyczaj mają bramę, która może włączać i wyłączać przepływ elektronów. Ponieważ rozmiar nowoczesnych tranzystorów nadal się kurczy, materiał bramy staje się tak cienki, że nie może blokować elektronów przed wyciekiem - zjawisko znane jako efekt kwantowego tunelowania.
Usterka bramy jest uważana za problem w systemach takich jak mikroprocesory lub precyzyjne obwody analogowe. Naukowcy używają tych niewielkich poziomów przepływu elektronów do zasilania obwodu.

"Wielu badaczy stara się pozbyć się prądu upływu, my wykorzystujemy go do budowy ultra-niskiego źródła prądu", powiedział Hui.

Naukowcy opracowali mniej energochłonną metodę, aby cyfryzować temperaturę. Proces ten wymaga zwykle przechodzenia prądu przez rezystor - jego oporność zmienia się wraz z temperaturą - następnie zmierzenie powstałego napięcia, później konwersja tego napięcia do odpowiedniej temperatury za pomocą przetwornika analogowego dużej mocy.

Zamiast tego konwencjonalnego procesu naukowcy opracowali innowacyjny system do digitalizacji temperatury bezpośrednio, co oszczędza energię. System składa się z dwóch ultra-niskich źródeł prądu: takich, które ładują kondensator w ustalonej ilości czasu bez względu na temperaturę, i który ładuje się w tempie, który zmienia się wraz z temperaturą - wolniej w niższych temperaturach, szybciej w wyższych temperaturach.

Czujnik temperatury jest zintegrowany z małym chipem o powierzchni 0,15 x 0,15 mm kwadratowych. Pracuje on w temperaturach od minus 20 ° C do 40 ° C. Jedną z zalet jest to, że czujnik ma czas odpowiedzi około jednej aktualizacji temperatury na sekundę, która jest nieco wolniejsza niż istniejące czujniki temperatury. Czas reakcji wystarcza na urządzenia działające w ludzkim ciele, domach i innych środowiskach, w których temperatura nie zmienia się szybko.

Zespół pracuje obecnie nad poprawą dokładności czujnika temperatury. Zespół optymalizuje również projekt, dzięki czemu może być z powodzeniem zintegrowany z urządzeniami komercyjnymi.

(KB)