温度是一个最常被测量的物理参数。航空航天和军事客户长期以来一直在寻求能够在极端辐射环境下工作的温度传感器。最近发现，这种需求对于成功部署新的5G无线技术也至关重要。迄今为止，所有已知的温度传感器方法都存在单粒子翻转（SEU）问题，或会因暴露在中子和/或总电离剂量（TID）下而彻底失效。对耐辐射器件的需求变得意义深远，军事和政府机构已经资助了SBIR和DARPA这类研究计划来解决这个问题。
现在，ICE公司通过紧张的研发工作并与大学合作，生产出一款突破性的温度传感器，能够承受最极端的辐射暴露。这项开创性的技术取决于雪树蟋蟀有机传感器。这种蟋蟀的唧唧声随温度变化而变化，它与阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程相关。然后采用先进同步检测技术锁定此唧唧声，同时采用高级非线性滤波器完全屏蔽掉脉冲噪声（例如在海洋应用中可能是受附近常见的“手枪虾”影响而产生）。此外，该蟋蟀的昼夜节律编码成了唧唧声中的相位分量；可通过运用Park变换和Clark变换对其进行解码，从中推断出相对时间，进而形成5G应用所需的基本实时时钟（RTC）外设功能。
这种蟋蟀可以抵抗强烈辐射而不损失精度。甚至还可以采用多个蟋蟀，来提供平均响应读数和附加冗余度。使用单个蟋蟀可以实现8位精度，而使用多个蟋蟀则可以实现高达20位的精度，因为噪声源独特非相关。然而，当将其用于5G无线基站时，某些呼叫可能在寂静期间经历“唧唧声”馈通效应。
这项技术的一个早期问题是蟋蟀的低温响应有限——在大约+4℃时，该有机传感器会停止运行。但是，通过简单的水和乙二醇溶液处理，可以扩展该传感器在低温下的工作（图1），而且如专利申请中所述，由此产生的非线性问题也可以通过向混合物中添加2%的咖啡因而得到校正。这样做可以将其工作范围扩展到-55℃，因此可满足军用级温度范围，只是抖动略有增加。这种传感器补偿方法可以在美国的49个州合法使用，仅在加利福尼亚州由于2%的咖啡因溶液可能致癌而受到禁止——然而，ICE也在积极游说州立法者豁免有机、非转基因认证、自由放养的蟋蟀使用。
图1：有机传感器扩展温度试验。
无论从颜色还是从欧盟RoHS/REACH法规将其认定为无铅产品来说，这种有机传感器都是真正“绿色”的传感器。但是，国际武器贸易条例（ITAR）和贸易限制严格禁止美国出口这项技术。
最近有报道称有未经授权的分销商伪造有机传感器。X射线分析发现，一些假冒供应商出货的是普通“野生蟋蟀”，其生产成本比“雪树蟋蟀”便宜且准确率低很多。另有一些不择手段的造假者甚至试图用蝈蝈来冒充真传感器。因此，来料检验和供应商勤勉就显得非常重要。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Organic sensor breakthrough enables 5G wireless。）
本文为《电子技术设计》2019年6月刊杂志文章。
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