全球的傳感器市場(chǎng)在一波又一波的技術(shù)工藝革新，需求升級(jí)中呈現(xiàn)出了快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。尤其物聯(lián)網(wǎng)概念興起的今天，將傳感器在現(xiàn)有基礎(chǔ)上又推向了新的應(yīng)用方向。在目前的傳感器行業(yè)中，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入MEMS工藝，AI結(jié)合等關(guān)鍵領(lǐng)域，開(kāi)始向智能化，微型化，低功耗等方面發(fā)展。

拋開(kāi)智能化這個(gè)寬泛的概念，微型低耗其實(shí)是不僅存在于傳感器行業(yè)，對(duì)器件而言都較為普適的發(fā)展方向，而今天要聊的話(huà)題則是較新的傳感器無(wú)源化發(fā)展方向。

無(wú)源傳感器也稱(chēng)為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，最明顯的特征就是它不需要外部電源，即不需要使用外來(lái)接電源的傳感器且可以通過(guò)外部獲取到能源的感應(yīng)傳感器。對(duì)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電源就是動(dòng)力。尤其對(duì)于傳感器這類(lèi)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電源技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、壽命都有密切的關(guān)聯(lián)，傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。在傳感器集成度越來(lái)越高的情況下，無(wú)源化可以從根本上解決傳統(tǒng)解決方案的供電問(wèn)題。

傳統(tǒng)能量收集方式

傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)能量收集一般圍繞振動(dòng)，應(yīng)變，溫度和光來(lái)做文章。以高溫高壓環(huán)境為例，傳感器在此環(huán)境中一般有熱電式、壓電式和電磁式來(lái)實(shí)現(xiàn)能量收集。壓電式和電磁式都是收集振動(dòng)能量，熱電式收集的是溫差能量。

以HBM傳感器為例。作為行業(yè)內(nèi)力傳感器方面的專(zhuān)家，HBM在無(wú)源的應(yīng)用上一直都領(lǐng)先于同行。

　　（無(wú)源C2傳感系列，HBM）

C2是通過(guò)壓電式來(lái)收集能量的膜片傳感器，利用電氣元件和其他機(jī)械通過(guò)震動(dòng)式的韻律把待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成為電量，再進(jìn)行相關(guān)測(cè)量工作，一般應(yīng)用在動(dòng)態(tài)測(cè)量中。這一類(lèi)的無(wú)源傳感器首先在使用壽命上就明顯長(zhǎng)于有源類(lèi)傳感器。同時(shí)由于省去了節(jié)點(diǎn)內(nèi)部供電電流，在結(jié)構(gòu)上更為緊湊。

傳統(tǒng)的環(huán)境能量采集通常面臨電量微弱的特點(diǎn)，隨著模擬半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步越來(lái)越多的能量采集解決方案實(shí)現(xiàn)了高效率的電源管理。ADI針對(duì)傳感器無(wú)源化發(fā)展中電量微弱的需求，設(shè)計(jì)了多種面向能量收集應(yīng)用的超低功率 IC，對(duì)來(lái)自振動(dòng)能源 (壓電)、光伏能源 (太陽(yáng)能) 和熱能源 (TEC、TEG、熱電堆、熱電偶) 的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電源管理產(chǎn)品提供高效率轉(zhuǎn)換至穩(wěn)壓電壓。

　　（能量采集管理芯片，ADI）

ADP5091是一款智能集成式能量采集納米電源管理解決方案，可轉(zhuǎn)換來(lái)自熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。該芯片可以提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級(jí)別。 利用內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。 冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。

作為應(yīng)用特別便利、對(duì)環(huán)境條件要求低的溫差發(fā)電技術(shù)，ADI已有的能量采集IC能實(shí)現(xiàn)把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏，并還能繼續(xù)提高。ADI在能量采集上的持續(xù)突破也讓無(wú)源傳感器滿(mǎn)足了更多的用武之地。

NFC推進(jìn)傳感器無(wú)源化發(fā)展

在物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用上，還有一個(gè)區(qū)別于傳統(tǒng)能量采集的方式，那就是NFC（近場(chǎng)通信）技術(shù)。隨著5G的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)傳感器將會(huì)有有很多場(chǎng)景與NFC無(wú)源化技術(shù)匹配。

NFC近場(chǎng)通信技術(shù)能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。一個(gè)NFC功能的傳感器可以實(shí)現(xiàn)很多便利的功能。首先，它不需要外部電源，因?yàn)閭鞲衅鹘涌诠ぷ髟趶腘FC讀取器輸入的RF發(fā)射中獲得的能量上。其次，該傳感器能迅速對(duì)主機(jī)設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí)傳感器獲取的數(shù)據(jù)添加到標(biāo)簽上不會(huì)改變通信的基本方法，這樣可以從傳感器中讀取唯一的數(shù)據(jù)。

無(wú)源模式下，傳感器通過(guò)NFC從傳入的射頻輻射功率傳感器接口和射頻傳輸獲取能量，傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，在不供電時(shí)得以保留。

在國(guó)內(nèi)，不少NFC廠商開(kāi)始利用該技術(shù)結(jié)合傳感器應(yīng)用，讓傳感器的無(wú)源化又進(jìn)了一步。

比如啟緯智芯旗下的TurboNFC技術(shù)可以高效的采集NFC信號(hào)中包含的射頻能量，并將此能量轉(zhuǎn)換為可供物聯(lián)網(wǎng)傳感器的能量。

　?。═urboNFC，啟緯智芯）

TurboNFC無(wú)線(xiàn)取電即允許芯片從手機(jī)發(fā)射出的信號(hào)中高效率獲取電能。從官方的數(shù)據(jù)上看TurboNFC取電的能力最高在300mW，屬于較高的行業(yè)取電水平。取電能力的高低直接影響了與無(wú)源傳感器交互的距離與流暢度。配合具有NFC接口的智能手機(jī)作為主動(dòng)接口時(shí)以300mW電能理論上來(lái)說(shuō)已經(jīng)可以相對(duì)輕松地驅(qū)動(dòng)一些傳感器了。

當(dāng)然這只是理論，實(shí)際應(yīng)用要求肯定會(huì)更嚴(yán)苛，因此基于NFC的無(wú)源傳感器的應(yīng)用目前還沒(méi)有到普及階段。但從目前不少案例中已經(jīng)可以看到該方案在可行性上沒(méi)有問(wèn)題。

小結(jié)

隨著5G的發(fā)展以及NFC取電能力的提升，可以預(yù)見(jiàn)，在傳感器領(lǐng)域，尤其是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向的傳感器，基于NFC的取電技術(shù)將又一次推動(dòng)傳感器無(wú)源技術(shù)的應(yīng)用。