Датчик температуры, потребляющий 113 пВт мощности

Датчик температуры, разработанный инженерами Калифорнийского университета в Сан-Диего, потребляет лишь 113 пВт мощности (что примерно в 10 млрд. раз меньше 1 Вт). Новый компонент сможет продлить время работы от одной батареи в таких устройствах как датчики температуры тела, системы мониторинга умного дома, IoT-системы и т.п.

Помимо этого, разработанная технология может дать рождение новому классу устройств, получающих питание от маломощных источников, например, от тела человека или из окружающей среды. Исследователи собрали схему со сверхнизким потреблением на базе так называемых транзисторов с утечкой затвора. В таких ключах очень слабый ток утекает через электронный барьер или затвор.

Затвор в транзисторах может пропускать или блокировать поток электронов. По мере уменьшения размеров современных транзисторов материал затвора становится таким тонким, что он не способен остановить утечку электронов. Данный феномен известен как квантовый туннельный эффект.

Утечка через затвор является проблемой в микропроцессорах или прецизионных аналоговых цепях. Однако инженеры решили воспользоваться данной особенностью – они задействовали небольшие потоки электронов для питания цепи. Был разработан способ оцифровывать данные температуры при значительно меньшей потребляемой мощности.

Обычно в датчиках ток проходит через резистор, сопротивление которого изменяется в соответствии с температурой. Далее измеренное напряжение цифруется при помощи мощных АЦП. Новый подход состоит в прямой оцифровке показаний температуры со значительной экономией мощности.

Система состоит из двух источников тока со сверхнизким потреблением. Одна заряжает конденсатор за фиксированное время вне зависимости от температуры, вторая заряжает конденсатор в зависимости от температуры: медленно при низкой температуре и быстрее – при высокой.

По мере изменения температуры система адаптируется так, что температурно-зависимый источник тока заряжает конденсатор за то же время, что и фиксированный источник. Встроенная цифровая цепь обратной связи уравнивает время заряда за счёт переподключения температурно-зависимого источника к конденсаторам различной ёмкости, которая напрямую пропорциональна актуальному значению температуры.

Температурный датчик интегрирован в компактный чип с размерами 0,15 х 0,15 мм. Рабочий диапазон температуры: от -20 до +40 °C. Одним недостатком датчика является скорость считывания: 1 измерение в секунду, что несколько медленнее существующих решений.