MIT開發(fā)出有光即可供電的新型低成本傳感器
2019-10-17來源：儀表網(wǎng)作者：儀表君標(biāo)簽：傳感器
隨著5G技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的重要性愈發(fā)凸顯。預(yù)測稱，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量可能會(huì)增加到750億，這其中便包括收集有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(duì)長期監(jiān)測來說可能是個(gè)不小的問題。
對(duì)此，近日，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員設(shè)計(jì)出一款由光伏供電的傳感器，或許可解決上述問題。據(jù)介紹，用這種傳感器來傳輸數(shù)據(jù)，使用數(shù)年才需要更換電池。研究人員在普通射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)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(guān)鍵技術(shù)。
據(jù)了解，這種電池具備低成本、靈活性和易制造等潛在優(yōu)勢，可在明亮的陽光和較暗的室內(nèi)條件下為傳感器供電。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，太陽能給傳感器提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，可使數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，并可將多個(gè)傳感器集成到一個(gè)RFID標(biāo)簽上。
研究人員介紹，傳統(tǒng)太陽能電池體積龐大，且制造費(fèi)用相對(duì)昂貴，即便縮小其尺寸也需要耗費(fèi)相當(dāng)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(duì)于放置在窗戶和汽車擋風(fēng)玻璃等環(huán)境上的溫度監(jiān)測傳感器來說，是十分必要的。
實(shí)際上，現(xiàn)階段的傳統(tǒng)太陽能電池還只能在較強(qiáng)的太陽光下，而不是室內(nèi)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(duì)卷”制造技術(shù)進(jìn)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(shí)，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(jù)接收的光線做出調(diào)整，能從任何類型的室內(nèi)或者室外的照明環(huán)境中收集能量
研究團(tuán)隊(duì)的想法就是，將低成本的電池與同樣低成本的RFID標(biāo)簽相結(jié)合，RFID是一種無電池的貼紙，可用來監(jiān)控全球數(shù)十億種產(chǎn)品。這些貼紙中配有微型的超高頻天線，每一個(gè)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(biāo)簽要依靠一種叫做“反向散射”(backscatter)的通信技術(shù)，該技術(shù)通過將調(diào)制過的無線信號(hào)從標(biāo)簽上反射回讀取器來傳輸數(shù)據(jù)。一種稱為“讀取器”(reader)的無線設(shè)備(基本上類似于Wi-Fi路由器)會(huì)對(duì)標(biāo)簽發(fā)出ping信號(hào)，設(shè)備便會(huì)啟動(dòng)并反向散射出一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)，該信號(hào)包含了所粘貼產(chǎn)品的信息。
傳統(tǒng)上，標(biāo)簽會(huì)收集讀取器發(fā)送的少量射頻能量，來為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)部芯片供電，并使用剩余的能量來調(diào)制返回的信號(hào)。但這僅僅相當(dāng)于幾微瓦的功率，進(jìn)而將它們的通信范圍限制在了一米之內(nèi)。
而MIT研究人員的傳感器由一個(gè)塑料基板上的RFID標(biāo)簽組成，鈣鈦礦太陽能電池陣列則直接連接到標(biāo)簽上的集成電路中。與傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣，讀取器會(huì)掃視整個(gè)房間，每個(gè)標(biāo)簽都會(huì)做出響應(yīng)。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(hào)來發(fā)送數(shù)據(jù)。這項(xiàng)創(chuàng)新的關(guān)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(dá)到約10%的效率，該數(shù)值對(duì)于仍處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)的鈣鈦礦電池來說是相當(dāng)高的。
同時(shí)，這種分層結(jié)構(gòu)還可讓研究人員能夠調(diào)整每個(gè)電池的最佳“帶隙”，這是一種電子運(yùn)動(dòng)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(dú)立的個(gè)體合并為擁有四個(gè)單元的模塊。
在相關(guān)論文中，這些模塊在單次陽光照射下能產(chǎn)生4.3V伏特的電量，這是衡量太陽能電池在陽光下產(chǎn)生多少電壓的標(biāo)準(zhǔn)。這足以給電路供電——大約1.5V，每隔幾秒就能發(fā)送約5米遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，這些模塊在室內(nèi)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(nèi)應(yīng)用的寬帶隙鈣鈦礦電池。根據(jù)產(chǎn)生的電壓大小的不同，其在室內(nèi)熒光燈下的效率可達(dá)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(nèi)或室外的傳感器提供大約3個(gè)小時(shí)的電力。
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