中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

【独家】“功率近零”的温度传感器能让可穿戴医疗设备消耗更少的电源

2018-05-21

这种传感器以仅 113 皮瓦的功率运行。

加州大学圣地亚哥分校的电气工程师开发出了一种温度传感器,其功率只有 113 皮瓦,比目前最先进的温度传感器低 628 倍,比1瓦特小 100 亿倍。这种“功率近零”的温度传感器可延长监测体温的穿戴式或植入式设备以及物联网设备等产品的电池寿命。


这种功率近零的温度传感器可延长穿戴式或植入式设备的电池寿命(照片来源:加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程研究院)

研究人员称,该技术还可用于一类新型设备,此类设备可通过吸收人体或周围环境等低功率源的能量来维持运行。该成果已发表于Scientific Reports。

“我们的愿景是,制造出如此不引人注目、如此不可见的可穿戴设备,用户几乎察觉不到他们在穿戴着这种设备。”我们的功率近零新技术有朝一日将使得不再需要更换电池或给电池充电,”该研究的资深作者加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程研究院的电气工程教授 Patrick Mercier 说道。

“我们正在建造多种系统,这些系统的功率需求如此之低,以致于它们只靠一颗微小的电池就有可能能运行多年 ,” 该研究的第一作者,Mercier 实验室里的一名电气工程博士生 Hui Wang 表示。

Mercier 是加州大学圣迭戈分校穿戴式传感器实验室的联合主任。他的节能微系统实验室位于加州大学圣迭戈分校,其主题就是构建这种超低功耗、小型化的电子设备。他的研究小组的工作重点主要是提高整个集成电路中单个部分的能源效率,从而降低整个系统的功耗。

其中一个例子就是这种用于医疗器械的温度传感器。目前最先进的温度传感器的功耗需求已经降低至几十纳瓦,但 Mercier 团队开发的这种传感器功率仅为 113 皮瓦。

最小化功率

他们的新方案最小化了两个域中的功耗:电流源以及温度转换为数字读出。

研究人员采用栅漏晶体管来构建这种超低功率的电流源。这种晶体管中的微弱电流泄漏后通过电子势垒,或者栅极。晶体管通常会有一个栅级,能够开关电子流。但是随着现在晶体管的尺寸不断变小,栅极材料越来越薄,所以它不能阻止电子泄漏——这种现象被称为 “量子隧道效应”。

栅漏在微处理器和精密模拟电路中被认为是有问题的。但是在这里,研究人员却利用了它,他们用这些微弱的电流为电路供电。

Hui 表示:“许多研究人员尝试消除泄漏的电流,但是我们利用了它来构建超低功耗电流源。”

研究人员利用这些电流源,开发出了一种耗电更低的方法,对于温度进行数字化。这个过程一般需要让电流通过电阻,电阻的阻值随温度发生变化,然后测量产生的电路,再使用高功率模数转换器,将这个电压转化成相应的温度。

研究人员采用一种新工艺取代了传统工艺,他们开发出了一种创新系统直接数字化温度并且节省功耗。他们的系统由两个超低功耗的电流源组成:一个在固定时间内为电容充电,而不考虑温度;另外一个随着温度变化进行充电,温度越慢则速度越慢,温度越高则速度越快。

随着温度变化,系统也在调整,让依赖于温度的电流源和固定电流源的充电时间相同。内置的数字反馈回路,通过将依赖温度的电流源重新连接于不同尺寸的电容(电容的尺寸和实际的温度直接成正比。),均衡充电时间。例如,当温度下降时,依赖温度的电流源充电变慢,反馈回路通过切换至更小的电容进行补偿,这个电容决定了特殊的数字读出。

温度传感器集成到一个小型芯片中,其面积只有 0.15 × 0.15 mm2。它的工作温度范围为 –20°到 40 °C。 研究人员表示,即使在近零的功率下,其性能也完全可以与目前最先进的技术相比。然而,这种传感器的响应时间是约为每秒钟一次温度更新,这一点比现有的温度传感器要慢一点点。可是研究人员称,这种响应时间足以满足人体、家居和其他环境设备的需求,这些设备测量的温度不会迅速波动。

下一步,团队将致力于提高温度传感器的精准度,也将优化它的设计,使其可以成功集成到商用医疗设备中。

来源:MDDI