MIT設計低成本光伏傳感器 延長物聯網設備供電時間

據專家估計，到2025年，全球物聯網設備的數量(包括收集有關基礎設施和環境實時數據的傳感器)可能會增加到750億。但是，這些傳感器需要經常更換電池，這對于長期監控來說可能會是一個問題。 

　　麻省理工學院(MIT)的研究人員設計了由光伏供電的傳感器，這些傳感器可以在更換電池之前傳輸數年的數據。研究人員將薄膜鈣鈦礦電池(以其潛在的低成本、靈活性和相對易制造性而聞名)作為能量收集器安裝在廉價的射頻識別(RFID)標簽上。 麻省理工學院的研究人員已經在RFID標簽上設計了低成本的光伏傳感器，這些傳感器可在日光和昏暗的室內照明下工作，并且可以傳輸多年的數據，而無需更換。
 
　　電池可以在明亮的陽光下和昏暗的室內條件下為傳感器供電。此外，研究小組發現太陽能能為傳感器提供巨大的功率提升，實現了更大的數據傳輸距離，并能夠將多個傳感器集成到單個RFID標簽上。
 
　　MIT自動識別實驗室的博士生Sai Nithin Kantareddy說，“將來，我們周圍可能會有數十億個傳感器。按照這種規模，將需要大量電池，這些電池必須不斷充電。但是，如果可以使用環境光為它們自供電，將會減輕大量的工作。而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?！?/span>
 
　　MIT自動識別實驗室和麻省理工學院光電研究實驗室的研究人員在《高級功能材料》和《IEEE傳感器》雜志上發表的兩篇論文中，描述了使用傳感器連續幾天監控室內和室外溫度的方法。傳感器連續傳輸數據的距離是傳統RFID標簽的五倍，而無需電池。更長的數據傳輸范圍意味著可以使用一個讀取器同時從多個傳感器收集數據。
 
　　取決于環境中的某些因素(例如濕度和熱量)，傳感器可以在內部或外部放置數月或潛在地數年，直到它們降解到足以需要更換為止。對于需要在室內和室外進行長期傳感的任何應用而言，這都是有價值的，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設備中使用的能源。
 
　　結合兩種低成本技術
 
　　在最近嘗試創建自供電傳感器的嘗試中，其他研究人員已將太陽能電池用作物聯網(IoT)設備的能源。但是這些基本上是傳統太陽能電池的縮小版本，而不是鈣鈦礦。Kantareddy說，傳統的單元在某些條件下可以高效、持久且功能強大，但是對于無處不在的物聯網傳感器來說卻是行不通的。
 
　　例如，傳統的太陽能電池體積龐大且制造昂貴，而且它們不靈活且不能制成透明的，這對于放置在窗戶和汽車擋風玻璃上的溫度監測傳感器會變得很困難。實際上，它們還只是設計為從強大的陽光而不是室內低照度有效地收集能量。
 
　　另一方面，鈣鈦礦電池可以使用簡單的卷對卷制造技術進行印刷，每套只需幾美分。薄、柔軟而且透明，并調整為從任何類型的室內和室外照明中收集能量。
 
　　當時的想法是將低成本電源與低成本RFID標簽相結合，后者是無電池標簽，用于監控全球數十億種產品。貼紙上裝有微小的超高頻天線，每個天線的成本約為3至5美分。
 
　　RFID標簽依靠一種稱為“反向散射”的通信技術，該技術通過將調制的無線信號反射離開標簽并傳回閱讀器來傳輸數據。一種稱為閱讀器的無線設備(基本上類似于Wi-Fi路由器)對標簽執行操作，標簽會加電并向后散射一個唯一信號，該信號包含有關所粘貼產品的信息。
 
　　傳統上，標簽會收集閱讀器發送的少量射頻能量，以為存儲數據的內部小芯片加電，并使用剩余的能量來調制返回信號。但這僅相當于幾微瓦的功率，這限制了它們的通信范圍不到一米。 　　研究人員的傳感器包括一個構建在塑料基板上的RFID標簽。鈣鈦礦太陽能電池陣列直接連接到標簽上的集成電路。與傳統系統一樣，閱讀器會掃蕩整個房間，每個標簽都會響應。但是，它沒有使用閱讀器的能量，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信號發送數據。
 
　　規模效率
 
　　關鍵創新在于定制單元。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。這樣可以達到約10%的效率，這對于仍處于實驗狀態的鈣鈦礦電池來說是相當高的。這種分層結構還使研究人員能夠調整每個電池的最佳“帶隙”，帶隙是一種電子移動特性，決定了在不同光照條件下電池的性能。然后，他們將單元合并為四個單元的模塊。
 
　　在《高級功能材料》論文中，這些模塊在一次陽光照射下產生了4.3伏的電，這是衡量太陽能電池在陽光下產生多少電壓的標準度量。這足以為電路供電(約1.5伏)，每幾秒鐘發送一次約5米的數據。這些模塊在室內照明中具有類似的性能。在《IEEE傳感器》論文中主要證明寬帶隙鈣鈦礦細胞，在室內熒光燈照明下，其效率在18.5%至21%之間?；旧?，任何光源的約45分鐘將為室內和室外的傳感器供電約3個小時。
 
　　RFID電路的原型僅用于監控溫度。接下來，研究人員旨在擴大規模，并在混合環境中添加更多的環境監測傳感器，例如濕度、壓力、振動和污染。這些傳感器被大規模部署，尤其可以幫助室內進行長期數據收集，以幫助構建算法，例如，幫助提高智能建筑的能源效率。
 
　　研究人員說，“我們使用的鈣鈦礦材料作為有效的室內光收集器具有巨大的潛力。我們的下一步是使用印刷電子方法集成這些相同的技術，從而有可能實現極低成本的無線傳感器制造?！?/span>
 
　　盡管過去已經提出了類似的解決方案，但是由于鈣鈦礦光伏電池的占位面積較小，生產成本低以及在柔性基板上卷對卷制造的潛力，使用鈣鈦礦光伏電池為RFID IC供電很有趣。不過，要利用這一思想并進一步影響物聯網，(制造商)在開發具有感應功能的RFID時還需要做更多的工作。
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