Este chip contém uma matriz dos minúsculos sensores de temperatura que praticamente não consomem energia.[Imagem: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering]
Universo dos sensores
Nossa sociedade não poderia viver sem os sensores, e eles prometem se tornar ainda mais cotidianos com a Internet das Coisas, que pretende espalhar esses pequenos aparelhinhos medidores de virtualmente qualquer coisa para todos os cantos do globo – do interior do nosso corpo, para monitorar nossa saúde, até as florestas, para monitorar o meio ambiente e a reciclagem de gases atmosféricos.
Por menores que sejam, contudo, são aparelhos que precisam de eletricidade para funcionar. Para não depender de baterias, que precisam ser recarregadas ou trocadas, a ideia é que cada sensor capte energia do próprio ambiente, através de nanogeradores ou alguma outra forma de colheita de energia.
Essa possibilidade agora ficou ainda mais viável graças ao trabalho de Hui Wang e Patrick Mercier, da Universidade da Califórnia em San Diego, nos EUA.
Eles criaram um sensor de temperatura que consome apenas 113 picowatts de energia, o que representa cerca de 10 bilhões de vezes menos do que 1 watt, e 628 vezes menos do que o termômetro mais eficiente disponível até agora.
Esse sensor de quase zero-energia deverá aumentar a vida útil das baterias dos aparelhos médicos implantáveis, dos sistemas de monitoramento residenciais e ambientais e de uma infinidade de outros usos.
Vazamento que vira fonte
A dupla conseguiu a minimização da energia necessária para fazer o sensor funcionar atacando o consumo em duas frentes: a fonte de energia de alimentação e a conversão da temperatura em leitura digital.
No primeiro caso, eles construíram uma fonte de corrente de energia ultrabaixa usando os chamados “vazamentos de porta” dos transistores. Os transistores normalmente possuem uma porta que permite ligar e desligar o fluxo de elétrons entre seus dois outros eletrodos. Mas, à medida que o tamanho dos transistores diminui, o material da porta torna-se tão fino que não consegue mais bloquear todos os elétrons, deixando alguns deles vazarem devido ao fenômeno quântico conhecido como tunelamento.
Esse vazamento é considerado um problema nos processadores e nos circuitos analógicos de precisão, mas a dupla tirou proveito dele – os minúsculos níveis de fluxo de elétrons são usados para alimentar o circuito do sensor. “Muitos pesquisadores estão tentando se livrar do vazamento de corrente, mas estamos usando ele para construir uma fonte de corrente de energia ultrabaixa,” disse Hui.
Nova forma de medir a temperatura
A conversão da temperatura em leitura digital normalmente exige passar a corrente através de um resistor – sua resistência muda com a temperatura -, medir a tensão resultante e então usar um conversor analógico-digital para mostrar o resultado.
Em vez disso, para economizar energia, o sistema usa um capacitor, que é carregado durante um tempo fixo independentemente da temperatura, e outro que é carregado a uma taxa que varia com a temperatura.
À medida que a temperatura muda, o sistema adapta-se de modo que a fonte de corrente dependente da temperatura se carrega no mesmo tempo que a fonte de corrente fixa. Um circuito fechado digital de retorno equaliza os tempos de carregamento reconectando a fonte de corrente dependente da temperatura a um capacitor de tamanho diferente – o tamanho desse capacitor é diretamente proporcional à temperatura real. Por exemplo, quando a temperatura cai, a fonte de corrente dependente da temperatura irá carregar mais devagar, e o loop de retorno compensa alternando para um capacitor menor, que determina uma leitura digital específica.
Bibliografia:
Near-Zero-Power Temperature Sensing via Tunneling Currents Through Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistors
Hui Wang, Patrick P. Mercier
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 4427
DOI: 10.1038/s41598-017-04705-6
Autor: Inovação Tecnológica
