DARPA研究出近零功率射频芯片和传感器

EE TIMES日前刊载Transworld Data公司总裁玛丽·夏克利特(Mary E. Shacklett)的文章称，以前一些战场传感器在部署几个月(如果不是几周的话)之后就没电了，而现在更换纽扣电池之前，它们可以持续四年提供有价值的情报。这是美国国防部高级研究计划局(DARPA)在2020年5月完成的近零功率射频和传感器操作(N-ZERO)项目中取得的引人注目的成果之一。

DARPA在2015年开始了这项计划，目的是寻找解决物联网电池寿命限制的方法，这样传感器就可以部署在战场上，探测震动、光、声音或其他战场信号，而不需要频繁更换。

DARPA表示，现在可以使用电池寿命得到延长的传感器，这些传感器只在被唤醒时才记录触发事件，比如声音，或者定期(而不是连续)监测战场或其他问题。

现在部队无需冒险进入潜在的战区就能收集情报。他们进入危险区域更换“电池失效”的传感器的频率将大大降低。

DARPA微系统技术办公室的项目经理本杰明·格里芬说:“N-ZERO计划为由特定物理或无线电频率(RF)签名触发的不插电无人值守系统建立了睡眠_持续警报感知能力。数年的传感器寿命将使传感技术在缺乏固定能源基础设施的地区实现成本效益和安全部署。”

传感器技术的改进正在进行中，传感器能力可能会扩大。格里芬认为，射频、声学和红外(IR)唤醒能力是N-ZERO项目开发的最成功的感应系统。这些近零功率的传感器发送无线电信号进行通信(RF)，测量声级(声学)，并检测红外(热)辐射。

格里芬解释说:“最让我们高兴的是表现最好的电池的耗电量，基于纽扣电池，电池寿命预计将从4周延长到4年。”

尽管取得了这些成功，在N-ZERO计划中测试的传感器的电池寿命仍然受到已确认事件的处理和通信以及电池本身的自放电的限制。

一个积极的方向是超低功耗Arm处理器的开发。Arm M0N0处理器实现了10-nW待机功率和20-60 μW/MHz有源功率水平，具体取决于应用。传感器电源关断允许用户在只读存储器(ROM)中存储信息，可访问而不遭受从芯片外的非易失性存储器恢复数据的功率损耗。

Arm芯片也有能力在一组电池上运行几十年，因为它们的耗电量非常低。相比之下，传统的纽扣电池在睡眠模式下可能有好几年的使用寿命，但在这个时间长度之外它就不能正常工作了。

格里芬说:“这很重要，因为军队需要了解战场上敌人的动向和变化。然而，过去由于传感器持续耗电，它们经常花时间处理无用的数据。这样的电能消耗会缩短传感器的电池寿命。”

DARPA表示，可以大幅延长电池寿命的低功耗处理能力，可以降低因电池电能耗尽而必须频繁更换传感器的成本。安全也得到了加强，因为军事人员不再需要亲自前往危险地区更换已经失效且需要更换的现场传感器。

格里芬说:“一个实现的例子是，一个神经网络作为关键字定位器，处理来自谷歌语音命令集的音频文件，其功率水平可以在LR44纽扣电池供电下连续运行200天。通过与DARPA的合作，Arm已经向美国政府和政府承包商提供了1000份许可证，以允许在电力受限的环境下立即进行处理。”

固态传感器

与此同时，固态传感器开始出现在国防市场上。这些传感器不是最初的N-ZERO计划的一部分，但它们正在国防部应用场景中进行测试。

Cymbet技术和客户解决方案副总裁杰夫·萨瑟(Jeff Sather)说:“我们已经与国防部和国防部分包商在低功耗传感器领域进行了合作。”Cymbet是一家小型的固态电池生产商。杰夫说:“他们想要最小化传感器组件，同时也能够使用太阳能等替代电池充电资源。我们所做的是将微型固态电池和传感器集成在一块芯片上。使用固态电池，你不会有电池泄漏和火花或火灾的风险，但这些集成的、固态电池、低功率传感器的成本并不便宜。每个传感器大约1美元，而使用传统液体锂电池的低功耗硬币电池传感器大约25美分。”

与固态电池技术集成的近零功率传感器的价格可能会下降，这可能使固态传感器成为下一个流行的低功率传感器选择，但目前DARPA的N-ZERO项目主要使用纽扣电池。

对存储器的挑战

美国国防部高级研究计划局的N-ZERO计划的结果正在扩大到更广泛的应用领域。

格里芬说:“预计N-ZERO最大的应用案例将在物联网中，其中传感器节点的功耗是该技术普及扩张的技术挑战之一。”

“在农业和结构健康监测领域，ARPA-E继续在生物能源和农业开放+传感器群组下资助开发用于植物监测的传感器，”他补充说，“N-ZERO技术的其他过渡集中在机械系统的不受约束的健康监测上。”

迄今为止，根据格里芬的说法，在N - ZERO范围内的大多数成功都是通过亚阈值电路设计实现的。成功的亚阈值方法将签名数据存储在ROM或易失性静态随机存取存储器(SRAM)中，因为这些技术对读取能量的要求较低。ROM的使用限制了应用程序，因为内存是在制造过程中设置的，不能被重新编程。由于SRAM易挥发，如果对IC的偏置电压下降，它就会丢失数据。

在格里芬的“愿望清单”中，最重要的是一种低读取能量、非易失性的内存，这种内存将使不插电系统能够重新编程，同时使它们能够强健地应对电力损耗。

这个愿望与Sather的观点相结合，即低功耗传感器技术的下一个焦点很可能是在内存领域。他说:“我们知道，这些设备的存储容量需要增加，需要持续改进。”