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MIT開發出有光即可供電的新型低成本傳感器

儀表研發 2019年10月11日 14:23:01 來源:傳感器專家網人氣:12116
  【儀表網 儀表研發】隨著5G技術的發展,物聯網的重要性愈發凸顯。預測稱,到2025年,全球物聯網設備的數量可能會增加到750億,這其中便包括收集有關基礎設施和環境實時數據的傳感器。然而,就目前情況來看,這些傳感器需要頻繁地更換電池,這對長期監測來說可能是個不小的問題。
 
相關概念圖,圖自麻省理工學院
 
  對此,近日,麻省理工學院(MIT)的研究人員設計出一款由光伏供電的傳感器,或許可解決上述問題。據介紹,用這種傳感器來傳輸數據,使用數年才需要更換電池。研究人員在普通射頻識別(RFID)標簽上,安裝薄膜鈣鈦礦電池,來作為能量收集器,是這一新型光伏供電傳感器的關鍵技術。
 
  據了解,這種電池具備低成本、靈活性和易制造等潛在優勢,可在明亮的陽光和較暗的室內條件下為傳感器供電。此外,研究人員還發現,太陽能給傳感器提供了強大的動力,可使數據傳輸的距離更遠,并可將多個傳感器集成到一個RFID標簽上。
 
  研究人員介紹,傳統太陽能電池體積龐大,且制造費用相對昂貴,即便縮小其尺寸也需要耗費相當高的成本。而且,它們并不靈活,也不能被制成透明的,而透明屬性,對于放置在窗戶和汽車擋風玻璃等環境上的溫度監測傳感器來說,是十分必要的。
 
  實際上,現階段的傳統太陽能電池還只能在較強的太陽光下,而不是室內低亮度的條件下有效地收集能量。
 
  反觀鈣鈦礦電池,它可以使用簡單的“卷對卷”制造技術進行印刷,每套的成本只需幾美分,也就是不足一元人民幣。同時,用鈣鈦礦做的電池可以變得更薄、更加柔軟,且能做成透明的。它還能根據接收的光線做出調整,能從任何類型的室內或者室外的照明環境中收集能量。
 
電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器
 
  研究團隊的想法就是,將低成本的電池與同樣低成本的RFID標簽相結合,RFID是一種無電池的貼紙,可用來監控全球數十億種產品。這些貼紙中配有微型的超高頻天線,每一個制作成本大概也只有3到5美分,也是均不足一元人民幣。
 
  RFID標簽要依靠一種叫做“反向散射”(backscatter)的通信技術,該技術通過將調制過的無線信號從標簽上反射回讀取器來傳輸數據。一種稱為“讀取器”(reader)的無線設備(基本上類似于Wi-Fi路由器)會對標簽發出ping信號,設備便會啟動并反向散射出一個獨特的信號,該信號包含了所粘貼產品的信息。
 
  傳統上,標簽會收集讀取器發送的少量射頻能量,來為存儲數據的內部芯片供電,并使用剩余的能量來調制返回的信號。但這僅僅相當于幾微瓦的功率,進而將它們的通信范圍限制在了一米之內。
 
  而MIT研究人員的傳感器由一個塑料基板上的RFID標簽組成,鈣鈦礦太陽能電池陣列則直接連接到標簽上的集成電路中。與傳統系統一樣,讀取器會掃視整個房間,每個標簽都會做出響應。但是,它并沒有使用讀取器的能量,而是從鈣鈦礦電池中獲取了能量,以使電路通電并通過反向散射RF信號來發送數據。
 
RFID標簽,資料圖
 
  這項創新的關鍵在于定制單元。它們是分層制造的,鈣鈦礦材料夾在電極、陰極和特殊的電子傳輸層材料之間。這樣可達到約10%的效率,該數值對于仍處于實驗室狀態的鈣鈦礦電池來說是相當高的。
 
  同時,這種分層結構還可讓研究人員能夠調整每個電池的最佳“帶隙”,這是一種電子運動特性,決定了在不同光照條件下電池的性能。然后,研究人員將這些獨立的個體合并為擁有四個單元的模塊。
 
  在相關論文中,這些模塊在單次陽光照射下能產生4.3V伏特的電量,這是衡量太陽能電池在陽光下產生多少電壓的標準。這足以給電路供電——大約1.5V,每隔幾秒就能發送約5米遠的數據。同時,這些模塊在室內的照明條件下也具有類似性能。
 
  在IEEE Sensors上的論文,主要展示了用于室內應用的寬帶隙鈣鈦礦電池。根據產生的電壓大小的不同,其在室內熒光燈下的效率可達到 18.5%至21.4%之間。基本上,任何光源照射45分鐘,都可為室內或室外的傳感器提供大約3個小時的電力。
 
RFID技術用于貨物跟蹤中,資料圖
 
  這些傳感器可在室內或室外放置數月或數年,直到它們降解并需要更換為止。具體使用時間取決于環境中的某些因素,如濕度和溫度等。對于需要在室內和室外進行長期監測的所有傳感應用而言,這一發明都是有價值的,包括跟蹤供應鏈中的貨物、監測土壤,以及監測建筑物和家庭中設備等。
 
  可以說,這項工作基本上是使用能量收集器為各種應用構建增強的RFID標簽。在此項工作中,RFID電路的原型只是用來監測溫度的。接下來,研究人員的目標是擴大規模,并增加針對更多層面的環境監測傳感器,例如濕度、壓力、振動傳感器等。這些傳感器一旦被大規模部署,對于在室內進行長期數據收集的工作具有巨大的幫助,還能進一步助力構建算法,提高智能建筑的能源效率等。下一步,科研人員的工作是,利用印刷電子工藝集成這些相同的技術,進一步降低該無線傳感器的制造成本。
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