Smart sensor met nulverbruik
Onderzoekers aan de University of California San Diego hebben een temperatuursensor ontwikkeld die zo weinig stroom verbruikt dat je bijna van nulverbruik kunt spreken: ongeveer een tien miljardste van een watt. Sommige van de huidige sensors zijn met enkele tientallen nanowatts ook al behoorlijk zuinig, maar de nieuw ontwikkelde sensor heeft zelfs maar 113 picowatt nodig. Daarmee wordt het mogelijk om wearables, Internet of Things-apparaten en andere hardware te ontwikkelen die minder stroom verbruiken en dus minder vaak opgeladen hoeven te worden.
De onderzoekers wilden het stroomverbruik op twee gebieden beperken: in de stroomkring en bij de conversie van temperatuur naar een digitale uitlezing. Interessant is hoe ze bij het bouwen van een stroombron met ultralaag vermogen omgingen met het kwantumeffect van elektronenlekkage, ofwel het tunneleffect Dit bijverschijnsel van steeds kleiner wordende transistors waarbij elektronen ongewenst door het gate-materiaal lekken, is een probleem voor chipontwerpers. Bij het ontwerp van de temperatuursensor werd de minuscule elektronenstroom van het tunneleffect juist gebruikt als stroombron met laag vermogen.
Verder bedachten de onderzoekers een andere manier om de temperatuur te digitaliseren. Normaliter wordt stroom door een temperatuurgevoelige weerstand geleid en wordt het resulterende voltage voor uitlezing van de temperatuur omgezet door een 'stroomvretende' analoog-digitaal converter. Het team uit Californië bedacht een oplossing met een gewone en een temperatuurgevoelige condensator en twee low-power stroombronnen. Via een digitale feedback-loop worden de laadtijden van de condensatoren vergeleken. Als de temperatuur verandert en de laadtijd bij de temperatuurgevoelige condensator wijzigt, wordt overgeschakeld op een andere gewone condensator om het verschil op te heffen. De betreffende condensator is direct gekoppeld aan een bepaalde temperatuurwaarde.
De nieuwe sensor past in een chip ter grootte van 0,15 mm2 en werkt tussen -20 en 40 ºC. Ondanks dat het stroomverbruik bijna nul is, werkt de sensor net zo goed als traditionele ontwerpen. Alleen de reactietijd van 1 seconde is trager, maar voldoende voor gangbare toepassingen in medische monitoring, IoT-apparatuur en wearables.