麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員近日設(shè)計出一款由光伏供電的傳感器，用這種傳感器來傳輸數(shù)據(jù)，可以使用數(shù)年才需要更換電池。

毫無疑問，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的重要性隨著 5G 的發(fā)展愈發(fā)凸顯。它利用信息傳感設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，把所有人們生活生產(chǎn)中的東西連接起來，進(jìn)行信息交互，從而實現(xiàn)智能識別和管理。專家預(yù)測，到 2025 年，全球物聯(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。然而，就目前的情況來看，這些傳感器需要頻繁地更換電池，這對長期監(jiān)測來說可能是個不小的問題。

MIT 的研究人員在普通的射頻識別(RFID)標(biāo)簽上安裝了薄膜鈣鈦礦電池來作為“能量收集器”。這種電池以其潛在的低成本、靈活性和易制造而聞名，可以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)，太陽能實際上給傳感器提供了強(qiáng)大的動力，可以使數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，并能夠?qū)⒍鄠€傳感器集成到一個 RFID 標(biāo)簽上。

針對這項發(fā)現(xiàn)，麻省理工學(xué)院的光伏實驗室(Photovoltaic Laboratory)和自動識別實驗室(Auto-ID Lab)的兩篇論文，分別發(fā)表在了 IEEE Sensors 和 Advanced Functional Materials 雜志上。來自麻省理工學(xué)院兩所實驗室的多名教授、博士后、研究員，還有學(xué)生參與了該研究。

圖 | 相關(guān)概念圖(來源：麻省理工學(xué)院)

集成兩種低成本技術(shù)

隨著社會對環(huán)境保護(hù)等問題的愈發(fā)重視，人們對清潔能源也隨之提出了更高的要求。在最近的許多嘗試創(chuàng)建自供電傳感器的研究中，已經(jīng)有一些研究人員將太陽能電池用作物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源。但是，這些研究基本上都是把傳統(tǒng)的太陽能電池做成一個縮小的版本，而并非使用鈣鈦礦。

其中一篇論文的主要作者，麻省理工學(xué)院自動識別實驗室的博士生 Sai Nithin R. Kantareddy 對此表示：“傳統(tǒng)的單元組件在某些條件下可以得到更高效、持久且功能強(qiáng)大的表現(xiàn)，但是對于無處不在的物聯(lián)網(wǎng)傳感器來說，傳統(tǒng)的辦法其實是不可行的?！?/p>

例如，傳統(tǒng)的太陽能電池體積都很龐大，并且制造費用相對昂貴，即便縮小其尺寸也需要耗費相當(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)測傳感器是十分必要的。實際上，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“卷對卷”制造技術(shù)進(jìn)行印刷，每套的成本只需要幾美分(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，并且能做成透明的。它還可以根據(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。

當(dāng)時研究團(tuán)隊的想法就是，將低成本的電池與同樣低成本的 RFID 標(biāo)簽相結(jié)合，后者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，每一個制作成本大概也只有 3~5 美分(均不足一元)。

圖 | 電磁反向散射耦合型的RFID讀寫器(來源：Wiki)

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)會對標(biāo)簽發(fā)出 ping 信號，設(shè)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(chǎn)品的信息。

傳統(tǒng)上，標(biāo)簽會收集讀取器發(fā)送的少量射頻能量，來為存儲數(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。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，讀取器會掃視整個房間，每個標(biāo)簽都會做出響應(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 信號來發(fā)送數(shù)據(jù)。

用環(huán)境光供電，可工作長達(dá)幾年

對于這項發(fā)明，MIT 的研究人員表示創(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。這樣可以達(dá)到約 10% 的效率，該數(shù)值對于仍處于實驗室狀態(tài)的鈣鈦礦電池來說是相當(dāng)高的。

同時，這種分層結(jié)構(gòu)還可以讓研究人員能夠調(diào)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。

發(fā)表在 Advanced Functional Materials 的論文中，這些模塊在單次陽光照射下能產(chǎn)生 4.3 V(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 1.5 V，每隔幾秒鐘就能發(fā)送約 5 米遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)。同時，這些模塊在室內(nèi)的照明條件下也具有類似的性能。

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?；旧?，任何光源照射 45 分鐘，都可以為室內(nèi)或室外的傳感器提供大約 3 個小時的電力。

這些傳感器可以在室內(nèi)或室外放置數(shù)月或數(shù)年，直到它們降解并需要更換為止。具體使用時間取決于環(huán)境中的某些因素(如濕度和溫度等)。

對于需要在室內(nèi)和室外進(jìn)行長期傳感的所有應(yīng)用而言，這個發(fā)明都是有價值的，包括跟蹤供應(yīng)鏈中的貨物、監(jiān)測土壤，以及監(jiān)測建筑物和家庭中設(shè)備等。

圖 | 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)圖(來源：云南省生態(tài)環(huán)境廳)

“將來，我們周圍可能會有數(shù)十億個傳感器。那么將需要大量的電池，而且這些電池還必須不斷地充電。但是，如果可以使用環(huán)境光為它們自供電，那么就可以很方便地去安置它們，即便你把它遺忘幾個月或幾年都沒有問題。”Kantareddy 說，“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。”

RFID 電路的原型只是用來監(jiān)測溫度的。接下來，研究人員的目標(biāo)是擴(kuò)大規(guī)模，并增加針對更多層面的環(huán)境監(jiān)測傳感器，例如濕度、壓力、振動和污染等。這些傳感器一旦被大規(guī)模部署，對于在室內(nèi)進(jìn)行長期數(shù)據(jù)收集的工作具有巨大的幫助，還能進(jìn)一步助力構(gòu)建算法，提高智能建筑的能源效率等。

“我們使用的鈣鈦礦材料具有不可思議的潛力，可以作為有效的室內(nèi)光收集器。我們的下一步工作是要利用印刷電子工藝集成這些相同的技術(shù)，從而有可能進(jìn)一步降低該無線傳感器的制造成本。”MIT 的博士后、論文作者之一 Ian Mathews 說。