MIT开发出有光即可供电的新型低成本传感器
- 2019/10/11 14:23:01 13494
- 来源：传感器专家网
【仪表网 仪表研发】随着5G技术的发展，物联网的重要性愈发凸显。预测称，到2025年，物联网设备的数量可能会增加到750亿，这其中便包括收集有关基础设施和环境实时数据的传感器。然而，就目前情况来看，这些传感器需要频繁地更换电池，这对长期监测来说可能是个不小的问题。
相关概念图，图自麻省理工学院
对此，近日，麻省理工学院(MIT)的研究人员设计出一款由光伏供电的传感器，或许可解决上述问题。据介绍，用这种传感器来传输数据，使用数年才需要更换电池。研究人员在普通射频识别(RFID)标签上，安装薄膜钙钛矿电池，来作为能量收集器，是这一新型光伏供电传感器的关键技术。
据了解，这种电池具备低成本、灵活性和易制造等潜在优势，可在明亮的阳光和较暗的室内条件下为传感器供电。此外，研究人员还发现，太阳能给传感器提供了强大的动力，可使数据传输的距离更远，并可将多个传感器集成到一个RFID标签上。
研究人员介绍，传统太阳能电池体积庞大，且制造费用相对昂贵，即便缩小其尺寸也需要耗费相当高的成本。而且，它们并不灵活，也不能被制成透明的，而透明属性，对于放置在窗户和汽车挡风玻璃等环境上的温度监测传感器来说，是十分必要的。
实际上，现阶段的传统太阳能电池还只能在较强的太阳光下，而不是室内低亮度的条件下有效地收集能量。
反观钙钛矿电池，它可以使用简单的“卷对卷”制造技术进行印刷，每套的成本只需几美分，也就是不足一元人民币。同时，用钙钛矿做的电池可以变得更薄、更加柔软，且能做成透明的。它还能根据接收的光线做出调整，能从任何类型的室内或者室外的照明环境中收集能量。
电磁反向散射耦合型的RFID读写器
研究团队的想法就是，将低成本的电池与同样低成本的RFID标签相结合，RFID是一种无电池的贴纸，可用来监控数十亿种产品。这些贴纸中配有微型的超高频天线，每一个制作成本大概也只有3到5美分，也是均不足一元人民币。
RFID标签要依靠一种叫做“反向散射”(backscatter)的通信技术，该技术通过将调制过的无线信号从标签上反射回读取器来传输数据。一种称为“读取器”(reader)的无线设备(基本上类似于Wi-Fi路由器)会对标签发出ping信号，设备便会启动并反向散射出一个独特的信号，该信号包含了所粘贴产品的信息。
传统上，标签会收集读取器发送的少量射频能量，来为存储数据的内部芯片供电，并使用剩余的能量来调制返回的信号。但这仅仅相当于几微瓦的功率，进而将它们的通信范围限制在了一米之内。
而MIT研究人员的传感器由一个塑料基板上的RFID标签组成，钙钛矿太阳能电池阵列则直接连接到标签上的集成电路中。与传统系统一样，读取器会扫视整个房间，每个标签都会做出响应。但是，它并没有使用读取器的能量，而是从钙钛矿电池中获取了能量，以使电路通电并通过反向散射RF信号来发送数据。
RFID标签，资料图
这项创新的关键在于定制单元。它们是分层制造的，钙钛矿材料夹在电极、阴极和特殊的电子传输层材料之间。这样可达到约10%的效率，该数值对于仍处于实验室状态的钙钛矿电池来说是相当高的。
同时，这种分层结构还可让研究人员能够调整每个电池的佳“带隙”，这是一种电子运动特性，决定了在不同光照条件下电池的性能。然后，研究人员将这些独立的个体合并为拥有四个单元的模块。
在相关论文中，这些模块在单次阳光照射下能产生4.3V伏特的电量，这是衡量太阳能电池在阳光下产生多少电压的标准。这足以给电路供电——大约1.5V，每隔几秒就能发送约5米远的数据。同时，这些模块在室内的照明条件下也具有类似性能。
在IEEE Sensors上的论文，主要展示了用于室内应用的宽带隙钙钛矿电池。根据产生的电压大小的不同，其在室内荧光灯下的效率可达到 18.5%至21.4%之间。基本上，任何光源照射45分钟，都可为室内或室外的传感器提供大约3个小时的电力。
RFID技术用于货物跟踪中，资料图
这些传感器可在室内或室外放置数月或数年，直到它们降解并需要更换为止。具体使用时间取决于环境中的某些因素，如湿度和温度等。对于需要在室内和室外进行长期监测的所有传感应用而言，这一发明都是有价值的，包括跟踪供应链中的货物、监测土壤，以及监测建筑物和家庭中设备等。
可以说，这项工作基本上是使用能量收集器为各种应用构建增强的RFID标签。在此项工作中，RFID电路的原型只是用来监测温度的。接下来，研究人员的目标是扩大规模，并增加针对更多层面的环境监测传感器，例如湿度、压力、振动传感器等。这些传感器一旦被大规模部署，对于在室内进行长期数据收集的工作具有巨大的帮助，还能进一步助力构建算法，提高智能建筑的能源效率等。下一步，科研人员的工作是，利用印刷电子工艺集成这些相同的技术，进一步降低该无线传感器的制造成本。
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