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MIT設(shè)計低成本光伏傳感器 延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電時間

2019-12-02 10:00:26傳感器專家網(wǎng)閱讀量：15332 我要評論


導(dǎo)讀：據(jù)專家估計，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量(包括收集有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境實時數(shù)據(jù)的傳感器)可能會增加到750億。

　　【包裝印刷產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 產(chǎn)品新聞】據(jù)專家估計，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量(包括收集有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境實時數(shù)據(jù)的傳感器)可能會增加到750億。但是，這些傳感器需要經(jīng)常更換電池，這對于*監(jiān)控來說可能會是一個問題。
 
　　麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員設(shè)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(shù)年的數(shù)據(jù)。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(biāo)簽上。 麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)在RFID標(biāo)簽上設(shè)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(nèi)照明下工作，并且可以傳輸多年的數(shù)據(jù)，而無需更換。
 
　　電池可以在明亮的陽光下和昏暗的室內(nèi)條件下為傳感器供電。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)太陽能能為傳感器提供巨大的功率提升，實現(xiàn)了更大的數(shù)據(jù)傳輸距離，并能夠?qū)⒍鄠€傳感器集成到單個RFID標(biāo)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(shù)十億個傳感器。按照這種規(guī)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(huán)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(yīng)用構(gòu)建增強(qiáng)的RFID標(biāo)簽。”
 
　　MIT自動識別實驗室和麻省理工學(xué)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(fā)表的兩篇論文中，描述了使用傳感器連續(xù)幾天監(jiān)控室內(nèi)和室外溫度的方法。傳感器連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的距離是傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽的五倍，而無需電池。更長的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。
 
　　取決于環(huán)境中的某些因素(例如濕度和熱量)，傳感器可以在內(nèi)部或外部放置數(shù)月或潛在地數(shù)年，直到它們降解到足以需要更換為止。對于需要在室內(nèi)和室外進(jìn)行*傳感的任何應(yīng)用而言，這都是有價值的，包括跟蹤供應(yīng)鏈中的貨物、監(jiān)測土壤以及監(jiān)測建筑物和家庭設(shè)備中使用的能源。
 
　　結(jié)合兩種低成本技術(shù)
 
　　在近嘗試創(chuàng)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(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的能源。但是這些基本上是傳統(tǒng)太陽能電池的縮小版本，而不是鈣鈦礦。Kantareddy說，傳統(tǒng)的單元在某些條件下可以高效、持久且功能強(qiáng)大，但是對于無處不在的物聯(lián)網(wǎng)傳感器來說卻是行不通的。
 
　　例如，傳統(tǒng)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(fēng)玻璃上的溫度監(jiān)測傳感器會變得很困難。實際上，它們還只是設(shè)計為從強(qiáng)大的陽光而不是室內(nèi)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(shù)進(jìn)行印刷，每套只需幾美分。薄、柔軟而且透明，并調(diào)整為從任何類型的室內(nèi)和室外照明中收集能量。
 
　　當(dāng)時的想法是將低成本電源與低成本RFID標(biāo)簽相結(jié)合，后者是無電池標(biāo)簽，用于監(jiān)控數(shù)十億種產(chǎn)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(biāo)簽依靠一種稱為“反向散射”的通信技術(shù)，該技術(shù)通過將調(diào)制的無線信號反射離開標(biāo)簽并傳回閱讀器來傳輸數(shù)據(jù)。一種稱為閱讀器的無線設(shè)備(基本上類似于Wi-Fi路由器)對標(biāo)簽執(zhí)行操作，標(biāo)簽會加電并向后散射一個信號，該信號包含有關(guān)所粘貼產(chǎn)品的信息。
 
　　傳統(tǒng)上，標(biāo)簽會收集閱讀器發(fā)送的少量射頻能量，以為存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)部小芯片加電，并使用剩余的能量來調(diào)制返回信號。但這僅相當(dāng)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(gòu)建在塑料基板上的RFID標(biāo)簽。鈣鈦礦太陽能電池陣列直接連接到標(biāo)簽上的集成電路。與傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣，閱讀器會掃蕩整個房間，每個標(biāo)簽都會響應(yīng)。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(fā)送數(shù)據(jù)。
 
　　規(guī)模效率
 
　　關(guān)鍵創(chuàng)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(dá)到約10%的效率，這對于仍處于實驗狀態(tài)的鈣鈦礦電池來說是相當(dāng)高的。這種分層結(jié)構(gòu)還使研究人員能夠調(diào)整每個電池的“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(chǎn)生了4.3伏的電，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)度量。這足以為電路供電(約1.5伏)，每幾秒鐘發(fā)送一次約5米的數(shù)據(jù)。這些模塊在室內(nèi)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(xì)胞，在室內(nèi)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(nèi)和室外的傳感器供電約3個小時。
 
　　RFID電路的原型僅用于監(jiān)控溫度。接下來，研究人員旨在擴(kuò)大規(guī)模，并在混合環(huán)境中添加更多的環(huán)境監(jiān)測傳感器，例如濕度、壓力、振動和污染。這些傳感器被大規(guī)模部署，尤其可以幫助室內(nèi)進(jìn)行*數(shù)據(jù)收集，以幫助構(gòu)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(nèi)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(shù)，從而有可能實現(xiàn)極低成本的無線傳感器制造。”
 
　　盡管過去已經(jīng)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(chǎn)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(jìn)一步影響物聯(lián)網(wǎng)，(制造商)在開發(fā)具有感應(yīng)功能的RFID時還需要做更多的工作。
 
　　原標(biāo)題：MIT設(shè)計低成本光伏傳感器 延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電時間
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