MIT开发出有光即可供电的新型低成本传感器

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RFID标签上,安装薄膜钙钛矿电池,来作为能量收集器,是实现该新型传感器的技术关键。

  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,全球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。

MIT开发出有光即可供电的新型低成本传感器

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。

MIT开发出有光即可供电的新型低成本传感器

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,可用来监控全球数十亿种产品。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。

MIT开发出有光即可供电的新型低成本传感器

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最佳“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。

MIT开发出有光即可供电的新型低成本传感器

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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