Cảm biến nhiệt tiết kiệm năng lượng

Thứ sáu - 07/07/2017 22:26
Các nhà nghiên cứu tại đại học California, San Diego (UCSD) đã vừa phát triển thành công một loại cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động với lượng điện năng rất nhỏ, chỉ 113 picowwatt (1 watt = 1 ngàn tỉ picowatt). Đây là một phần trong nỗ lực "phát triển các hệ thống dùng rất ít năng lượng để có thể hoạt động trong nhiều năm với chỉ một cục pin siêu nhỏ," nhóm nghiên cứu cho biết.
       Nhóm nghiên cứu đã giảm mức tiêu thụ điện năng của cảm biến theo 2 hướng. Đầu tiên họ khai thác một hiện tượng thường thấy trên các transitor đó là rò rỉ electron từ các cổng (gate). Transistor là một linh kiện có thể khuếch đại dòng điện hoặc có thể hoạt động như một công tắc đóng mở dòng điện. Nếu sử dụng làm công tắc thì thiết kế của transistor thường có 3 điện cực: đầu dòng điện vào gọi là nguồn (source), đầu ra gọi là máng (drain) và cổng điều tiết dòng điện (gate). Gate có thể chặn dòng electron di chuyển trong một mạch điện.

     Vấn đề là dù transistor ngày nay đã bị thu nhỏ đi rất nhiều lần so với thiết kế ban đầu nhưng cấu tạo của transistor vẫn không thay đổi, kích thước nhỏ khiến vật liệu chế tạo cổng phải mỏng theo và kết quả là electron bắt đầu rò rỉ qua cổng. Trong khi giới nghiên cứu vẫn đang tìm cách khắc phục tình trạng rò rỉ electron của transistor thì nhóm nghiên cứu tại UCSD lại khai thác chính những electron rò rỉ này để làm nguồn năng lượng cho cảm biến.
 
4081851 cam bien nhiet 0 an dien 1
          Tiếp theo, nhóm nghiên cứu giảm năng lượng tiêu thụ của cảm biến bằng cách thay đổi phương pháp chuyển đổi nhiệt thành dữ liệu số. Thông thường quy trình này sẽ cần đưa một dòng điện đi qua một điện trở, trở kháng thay đổi bởi nhiệt độ và tiến hành đo điện áp đầu ra. Từ điện áp này chuyển đổi thành nhiệt độ tương ứng bằng một bộ chuyển đổi năng lượng cao analog sang digital.

            Thay vì sử dụng quy trình nói trên, nhóm nghiên cứu phát triển ra một hệ thống số hóa dữ liệu nhiệt trực tiếp và từ đó tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. Hệ thống này bao gồm 2 nguồn cấp dòng điện siêu thấp: một nguồn nạp cho một tụ điện trong một khoảng thời gian cố định (nguồn cố định) và một nguồn nạp theo một tỉ lệ tương ứng với nhiệt độ - nạp chậm hơn ở nhiệt độ thấp và nhanh hơn ở nhiệt độ cao (nguồn biến thiên). Khi nhiệt độ thay đổi, hệ thống sẽ tự động tương thích để nguồn biến thiên nạp điện vào tụ điện trong cùng một khoảng thời gian với nguồn cố định. Một bộ lặp phản hồi kĩ thuật số sẽ giúp cân bằng thời gian sạc giữa 2 nguồn bằng cách tái kết nối nguồn biến thiên vào một trong số nhiều tụ điện có kích thước khác nhau. Độ lớn của tụ điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ thực tế. Chẳng hạn như khi nhiệt độ giảm, nguồn biến thiên sẽ sạc chậm hơn và hệ thống lặp phản hồi sẽ bù trừ bằng cách cho nguồn biến thiên kết nối với một tụ điện nhỏ, từ đây thông số nhiệt độ được số hóa và chúng ta có kết quả.
 
4081850 cam bien nhiet 0 an dien 7
 
       Với 2 phương pháp trên, cảm biến nhiệt độ này sử dụng ít năng lượng hơn 628 lần so với các loại cảm biến tốt nhất hiện tại.

          Loại cảm biến hầu như không ăn điện này có nhiệt độ hoạt động từ - 20 độ C đến 40 độ C và tiềm năng có thể sử dụng trong nhiều loại thiết bị đeo, các hệ thống giám sát môi trường hay trong nhà. Đánh đổi cho mức tiêu thụ điện gần như bằng 0 là tốc độ đo nhiệt và cho ra kết quả chậm hơn đôi chút so với các loại cảm biến nhiệt độ thông thường, tức là phải mất 1 giây cho mỗi 1 độ chênh lệch. Các nhà nghiên cứu cho biết đây không phải là vấn đề lớn nếu sử dụng cảm biến này để đo nhiệt độ cơ thể người vốn không thay đổi quá nhanh. Nhóm nghiên cứu hiện tại đang tinh chỉnh thiết kế và cải thiện độ chính xác của cảm biến. Hy vọng chúng ta sẽ thấy cảm biến này trên những thiết bị đeo thông minh trong tương lai gần.

Nguồn tin: tinhte

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây