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零功耗感測器前進戰地


  • 2016年11月8日
  • R. Colin Johnson

ARPA預計在2018年可佈署的戰場用感測器網路需要近乎零的待機功耗,而且MEMS技術是不可或缺。
美國國防部高等研究計畫署(DARPA)正在開發啟動戰場用感測器的新技術,一路保護在外出任務的美軍──DARPA的專案經理Troy Olsson日前在美國舉行的IEEE年度感測器技術大會(IEEE Sensor 2016)上介紹了這種接近零功耗之RF與感測器技術「N-Zero」的細節。
DARPA預計在2018年可佈署的戰場用感測器網路需要近乎零的待機功耗,而且MEMS技術是不可或缺;該團隊還發現了以往不曾想像過的MEMS技術優勢──不只能提供近乎零的待機功耗,還能利用被偵測的訊號本身的電力來啟動發送器,實現真正的零待機功耗。
在某些情況下,發送器也能不用電池供電,而是由來自太陽能、震動能量採集器等再生能源,儲存於超級電容器的能量供電。「我們試圖降低我們的感測器功耗,因此能將之佈署於很長一段時間不需更換電池的戰略裝備;」Olsson表示:「現在我們還希望訊號本身能在喚醒更強大的訊號處理器與發送器之前,能實際啟動處理程序。」
目前有許多美軍在戰場上失去寶貴生命,有部分原因就是因為軍方無法依據想要的方式佈署各種感測器;舉例來說,如果能在美軍海外作戰區域的所有道路上佈署感測器,就能偵測到是否有敵軍在某地埋了爆裂物,但往往因為戰場缺乏電力供應而無法實現。
美軍也可以利用自有電力,每隔幾碼的距離佈署感測器以偵測行軍路線的爆裂物,但目前這種感測器得用電池供電,而且如果在戰場佈署大規模的感測器網路,有可能反而讓更多士兵的生命安全受到威脅,因為在需要替換感測器電池時,可能讓他們暴露於受伏擊的危險;Olsson表示:「在戰鬥狀態下,我們不能只為了替換電池而讓士兵受到危害。」
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圖中大規模佈署的感測器網路只會在為了發送有車輛出現的訊息時被喚醒──其零待機功耗的MEMS麥克風能偵測到車輛接近時的噪音
(來源:DARPA)
「N-Zero」開發專案將實現混合MEMS與微電子的超小型感測器;依據其複雜度以及最接近的高功率RF中繼器(repeater)距離,有些較簡易的感測器還能利用無人機撒在戰場上,利用能量採集技術支援連續的即時狀況偵察。
其他較複雜的感測器陣列則是可以採用鈕扣型電池或3號、4號電池,將完整的視覺、音訊甚至雷達訊號等內容發送回基地,而且至少10年不需要更換電池。
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零待機功耗的無人看守感測器、通訊節點與物聯網(IoT)裝置應用,能支援周邊監控、關鍵設施保護以及監視戰場即時情況
(來源:DARPA)
DARPA的「N-Zero」開發團隊研究人員發現,MEMS感測器能利用其內部的微型移動機械零件,從訊號產生功率來運作;從其MEMS子系統的層級結構(hierarchy),能激勵次1伏特的電子進行訊號處理,甚至能在開啟N-Zero RF發送器之前判斷是否為假警報。而發送器只需要傳送一個低功率的「鳥鳴(chirp)」訊號以識別其發現,不需要發送耗電量大的原始資料。
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零待機功耗MEMS喚醒感測器以5層光罩在絕緣上覆矽(SOI)晶圓片上製作
(來源:DARPA)
利用「N-Zero」專案開發的感測器技術,美國國防部除了期望能拯救士兵的生命,也期望能大量降低無辜民眾在戰地遭遇地雷等爆裂物而受傷甚至喪命的機率。

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