溫度是一個最常被測量的物理參數,航空航太和軍事客戶長期以來一直在尋求能夠在極端輻射環境下工作的溫度感測器,最近發現,這種需求對於成功部署新的5G無線技術也至關重要。迄今為止,所有已知的溫度感測器方法都存在單粒子翻轉(SEU)問題,或會因暴露在中子和/或總電離劑量(TID)下而徹底失效。對耐輻射元件的需求變得意義深遠,軍事和政府機構已經資助了SBIR和DARPA這類研究計畫來解決這個問題。

現在,ICE透過緊湊的研發工作並與大學合作,生產出一款突破性的溫度感測器,能夠承受最極端的輻射照射。這項開創性的技術取決於雪樹蟋蟀(Oecanthus Fultoni)有機感測器,這種蟋蟀的唧唧聲隨溫度變化而變化,它與阿瑞尼斯(Arrhenius)方程式相關。然後採用先進同步檢測技術鎖定此唧唧聲,同時採用高階非線性濾波器完全遮罩掉脈衝雜訊(如在海洋應用中可能是受附近常見的「手槍蝦(clicking shrimp)」影響而產生)。此外,該蟋蟀的晝夜節律編碼成了唧唧聲中的相位分量,並可透過運用Park變換和Clark變換對其進行解碼,從中推斷出相對時間,進而形成5G應用所需的基本即時時脈(RTC)周邊功能。

這種蟋蟀可以抵抗強烈輻射而不損失精準度,甚至還可以採用多個蟋蟀來提供平均回應讀數和附加冗餘度。使用單個蟋蟀可以實現8位元精準度,而使用多個蟋蟀則可以實現高達20位元的精準度,因為雜訊源獨特非相關。然而,當將其用於5G無線基地台時,某些呼叫可能在寂靜期間經歷「唧唧聲」饋通效應。

這項技術的一個早期問題是蟋蟀的低溫響應有限——在大約+4℃時,該有機感測器會停止運作。但是,利用簡單的水和乙二醇(ethaline glycol)溶液處理,可以擴展該感測器在低溫下的工作(圖1),而且如專利申請中所述,由此產生的非線性問題也可以透過在混合物中添加2%的咖啡因而得到校正。這樣做可以將其工作範圍擴展到-55℃,因此可滿足軍用級溫度範圍,只是抖動略有增加。這種感測器補償方法可以在美國的49個州合法使用,僅在加州由於2%的咖啡因溶液可能致癌而受到禁止——然而,ICE也在積極遊說州立法者豁免有機、非基因改造認證、自由放養蟋蟀的使用。

20190506NT01P1 圖1 有機感測器擴展溫度試驗。

無論從顏色還是從歐盟RoHS/REACH法規將其認定為無鉛產品來說,這種有機感測器都是真正「綠色」的感測器。但是,國際武器貿易條例(ITAR)和貿易限制嚴格禁止美國出口這項技術。

最近有報導稱,有未經授權的經銷商偽造有機感測器。X光分析發現,一些假冒供應商出貨的是普通「野生蟋蟀」,其生產成本比「雪樹蟋蟀」便宜且準確率低很多。另有一些不擇手段的造假者甚至試圖用蚱蜢(Katydid)來冒充真感測器。因此,進貨檢驗和供應商的努力顯然非常重要。

(參考原文: Organic sensor breakthrough enables 5G wireless,by Arllie Stonestreet)