Ingeniører opfinder en smart mikrochip, der kan starte selv og fungere, når batteriet løber tør

The Internet of Things (IoT), mens den stadig var i sin vorden, former fremtiden for mange industrier og vil også påvirke dagligdagen på væsentlige måder. En af de vigtigste udfordringer ved at flytte IoT-enheder fra koncept til virkelighed er at have langvarig drift med stramt begrænsede energikilder, og dermed ekstrem energieffektivitet. IoT-enheder som f.eks. sensorer anvendes ofte i massiv skala og på steder, der normalt er fjerntliggende og vanskelige at servicere regelmæssigt, hvilket gør deres selvforsyning afgørende.

I øjeblikket, batterier i IoT-enheder er meget større og op til tre gange dyrere end den enkelte chip, de driver. Deres størrelse bestemmes af sensornodens levetid, som direkte påvirker, hvor ofte de skal skiftes. Dette har en vigtig betydning for vedligeholdelsesomkostninger og påvirkning af miljøet, når batterier bortskaffes. For at forlænge den samlede levetid, batteriet genoplades normalt langsomt ved at høste en vis begrænset strøm fra miljøet, såsom at bruge en solcelle. Imidlertid, eksisterende IoT-enheder kan ikke fungere uden batteri, og små batterier aflades oftere helt. Derfor, batteriminiaturisering resulterer ofte i meget diskontinuerlig drift af IoT-enheder, da de holder op med at fungere, hver gang batteriet løber tør for energi.

For at løse dette teknologiskløft, et team af ingeniører fra National University of Singapore (NUS) har udviklet en innovativ mikrochip, ved navn BATLESS, som kan fortsætte med at fungere, selv når batteriet løber tør for energi. BATLESS er designet med en ny strømstyringsteknik, der gør det muligt for den selv at starte og fortsætte med at fungere under svagt lys uden batteriassistance, ved hjælp af en meget lille on-chip solcelle. Dette forskningsgennembrud reducerer væsentligt størrelsen af ​​batterier, der kræves til at drive IoT-sensorknudepunkter, gør dem 10 gange mindre og billigere at producere. Gennembruddet er blevet præsenteret på International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018-konferencen i San Francisco, det førende globale forum til at præsentere fremskridt inden for solid-state kredsløb og systemer-på-en-chip.

Lederen af ​​NUS forskningsteam, Lektor Massimo Alioto ved NUS Det Tekniske Fakultet, sagde, "Vi har vist, at batterier, der bruges til IoT-enheder, kan krympes væsentligt, da de ikke altid behøver at være tilgængelige for at opretholde kontinuerlig drift. At tackle dette grundlæggende problem er et stort fremskridt hen imod den ultimative vision af IoT-sensorknuder uden brug af batterier, og vil bane vejen for en verden med en billion IoT-enheder."

Batteriets ligegyldighed er IoT-enheders evne til at fortsætte driften, selv når batteriet er opbrugt. Det opnås ved at arbejde i to tilstande - minimum energi og minimum effekt. Når batterienergien er tilgængelig, chippen kører i minimumsenergitilstand for at maksimere batteriets levetid. Imidlertid, når batteriet er opbrugt, chippen skifter til minimum-strømtilstand og fungerer med et meget lavt strømforbrug på omkring en halv nano-Watt – det er omkring en milliard gange lavere end strømforbruget på en smartphone under et telefonopkald. Strøm kan leveres af en meget lille on-chip solcelle, der er omkring en halv kvadratmillimeter i areal, eller andre former for energi tilgængelig fra miljøet, såsom vibrationer eller varme.

Chippens evne til at skifte mellem minimumsenergi- og minimumseffekttilstand udmønter sig i aggressiv miniaturisering af batterier fra centimeter ned til et par millimeter. Den BATLESSE mikrochip gør det muligt for den usædvanlige evne til uafbrudt at føle, behandle, fange og tidsstemple begivenheder af interesse, og at sådanne værdifulde data overføres trådløst til skyen, når batteriet bliver tilgængeligt igen. På trods af at den er i minimal strømtilstand, når batteriet ikke er tilgængeligt, den reducerede hastighed af mikrochippen er stadig tilstrækkelig til adskillige IoT-applikationer, der skal registrere parametre, der varierer langsomt i tid, inklusive temperatur, fugtighed, lys, og tryk. Blandt mange andre applikationer, BATLESS er meget velegnet til smarte bygninger, miljøovervågning, energistyring, og tilpasning af opholdsrum til beboernes behov.

Assoc Prof Alioto tilføjede, "BATLESS er det første eksempel på en ny klasse af chips, der er ligeglade med tilgængeligheden af ​​batteriopladning. I minimal-strømtilstand, den bruger 1, 000 til 100, 000 gange mindre strøm, sammenlignet med de bedste eksisterende mikrocontrollere designet til fast minimumsenergidrift. På samme tid, vores 16-bit mikrocontroller kan også betjene 100, 000 gange hurtigere end andre, der for nylig er designet til fast minimumseffektdrift. Kort sagt, den BATLESSE mikrochip dækker en meget bred vifte af mulig energi, strøm, og hastighedsafvejninger, som tilladt af den fleksibilitet, der tilbydes gennem de to forskellige tilstande."

BATLESS er også udstyret med en ny strømstyringsteknik, der muliggør selvstartende drift, mens den drives direkte af den lille on-chip solcelle, uden batterihjælp. Holdet demonstrerede dette ved 50-lux indendørs lysintensitet, hvilket svarer til det svage lys, der er tilgængeligt ved tusmørke, og svarer til nano-watt effekt. Dette gør BATLESS ligeglad med batteritilgængelighed, løse en tidligere uløst udfordring i batterifrie chips.

NUS Engineering-teamet udforsker nu nye løsninger til at bygge komplette batteri-ligeglade systemer, der dækker hele signalkæden fra sensor til trådløs kommunikation, dermed udvide det nuværende arbejde med mikrocontrollere og strømstyring. Forskerholdet har til formål at demonstrere en løsning, der krymper batteriet til millimeterskala, med det langsigtede mål helt at eliminere behovet for det. Dette vil være et stort skridt mod realiseringen af ​​IoT-visionen på verdensplan, og også gøre planeten grønnere og smartere.