麻省理工團隊造出低成本光敏傳感器 用於傳輸數據 電池可用數年

2020-09-05 空天界

麻省理工學院（MIT）的研究人員近日設計出一款由光伏供電的傳感器，用這種傳感器來傳輸數據，使用數年才需要更換電池。

物聯網（IoT）的重要性隨著5G的發展愈發凸顯。它利用信息傳感設備和網絡，把所有人們生活生產中的東西連接起來，進行信息交互，從而實現智能識別和管理。專家預測，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。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）標籤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、靈活性和易製造而聞名，可以在明亮的陽光和較暗的室內條件下為傳感器供電。此外，研究人員還發現，太陽能實際上給傳感器提供了強大的動力，可以使數據傳輸的距離更遠，並能夠將多個傳感器集成到一個RFID標籤上。

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

集成兩種低成本技術隨著社會對環境保護等問題的愈發重視，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建自供電傳感器的研究中，已經有一些研究人員將太陽能電池用作物聯網設備的能源。但是，這些研究基本上都是把傳統的太陽能電池做成一個縮小的版本，而並非使用鈣鈦礦電池。

其中一篇論文的主要作者，麻省理工學院自動識別實驗室的博士生Sai Nithin R. Kantareddy對此表示：「傳統的單元組件在某些條件下可以得到更高效、持久且功能強大的表現，但是對於無處不在的物聯網傳感器來說，傳統的辦法其實是不可行的。」

例如，傳統的太陽能電池體積都很龐大，並且製造費用相對昂貴，即便縮小其尺寸也需要耗費相當高的成本。而且，它們並不靈活，也不能被製成透明的，而透明屬性對於放置在窗戶和汽車擋風玻璃等環境上的溫度監測傳感器是十分必要的。實際上，現階段的傳統太陽能電池還只能在較強的太陽光下，而不是室內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」製造技術進行印刷，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，並且能做成透明的。它還可以根據接收的光線做出調整，能從任何類型的室內或者室外的照明環境中收集能量。

當時研究團隊的想法就是，將低成本的電池與同樣低成本的RFID標籤相結合，後者是一種無電池的貼紙，可用來監控全球數十億種產品。這些貼紙中配有微型的超高頻天線，每一個製作成本大概也只有3~5美分（不足一元人民幣）。

RFID標籤要依靠一種叫作「反向散射」（backscatter）的通信技術，該技術通過將調製過的無線信號從標籤上反射回讀取器來傳輸數據。一種稱為「讀取器」（reader）的無線設備（基本上類似於Wi-Fi路由器）會對標籤發出ping信號，設備便會啟動並反向散射出一個獨特的信號，該信號包含了所粘貼產品的信息。

傳統上，標籤會收集讀取器發送的少量射頻能量，來為存儲數據的內部晶片供電，並使用剩餘的能量來調製返回的信號。但這僅僅相當於幾微瓦的功率，進而將它們的通信範圍限制在了一米之內。

而MIT研究人員的傳感器由一個塑料基板上的RFID標籤組成，鈣鈦礦太陽能電池陣列則直接連接到標籤上的集成電路中。與傳統系在電極、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，該數值對於仍處於實驗室狀態的鈣鈦礦電池來說是相當高的。

同時，這種分層結構還可以讓統一樣，讀取器會掃視整個房間，每個標籤都會做出響應。但是，它並沒有使用讀取器的能量，而是從鈣鈦礦電池中獲取了能量，以使電路通電並通過反向散射RF信號來發送數據。用環境光供電，可工作長達幾年對於這項發明，MIT的研究人員表示創新的關鍵在於定製單元。它們是分層製造的，鈣鈦礦材料夾研究人員能夠調整每個電池的最佳「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。然後，研究人員將這些獨立的個體合併為擁有四個單元的模塊。

發表在Advanced Functional Materials上的論文中，這些模塊在單次陽光照射下能產生4.3 V（伏特）的電量，這是衡量太陽能電池在陽光下產生多少電壓的標準。這足以給電路供電——大約1.5 V，每隔幾秒鐘就能發送約5米遠的數據。同時，這些模塊在室內的照明條件下也具有類似的性能。

在IEEE Sensors上的論文，主要展示了用於室內應用的寬帶隙鈣鈦礦電池。根據產生的電壓大小的不同，其在室內螢光燈下的效率可達到18.5%至21.4%之間。基本上任何光源照射45分鐘，都可以為室內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或室外放置數月或數年，直到它們降解並需要更換為止。具體使用時間取決於環境中的某些因素（如溼度和溫度等）。

對於需要在室內和室外進行長期工作的所有應用而言，這個發明都是有價值的，包括跟蹤供應鏈中的貨物、監測土壤，以及監測建築物和家庭中設備等。

「將來，我們周圍可能會有數十億個傳感器。那麼將需要大量的電池，而且這些電池還必須不斷地充電。但是，如果可以使用環境光為它們自供電，那麼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用構建增強的RFID標籤。」

RFID電路的原型只是用來監測溫度的。接下來，研究人員的目標是擴大規模，並增加針對更多層面的環境監測傳感器，例如溼度、壓力、振動和汙染等。這些傳感器一旦被大規模部署，對於在室內進行長期數據收集的工作具有巨大的幫助，還能進一步助力構建算法，提高智能建築的能源效率等。

「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，從而有可能進一步降低該無線傳感器的製造成本。」MIT的博士後、論文作者之一 Ian Mathews說。

來源：中國航空新聞網

相關焦點

  • 麻省理工研發出半導體薄膜製作新方法
    麻省理工研發出半導體薄膜製作新方法 胡薇 發表於 2018-10-28 09:29:12 麻省理工的工程師們開發出一種新的技術，這種技術除了矽以外還可以使用其他一系列特殊材料製成超薄半導體薄膜
  • 名師出高徒!來看看崔屹團隊走出來的麻省理工科技青年英雄榜!
    2017年至今，《麻省理工科技評論》「35歲以下科技創新35人」（Innovators Under 35）榜單每年都會引起社會關注，至此已成功舉辦三屆。2020年12月10-11日，新一輪的中國區榜單在浙江紹興發布，評選了35位近年來中國最具創新力的青年科學家。
  • 麻省理工研發人體電池:手機不怕沒電
    據外媒報導，來自麻省理工（MIT）的科研人員正在研發一種，可以將人類在行走中產生的機械能轉變成電能的技術。也就是說，只要你在動，那麼你的電池就會一直有電。麻省理工研發人體電池（圖片來自cnBeta）    從技術層面上來看，只需要兩片鋰合金薄片作為電極，用多孔聚合物層將它們分開
  • 《麻省理工科技評論》年度中國科技青年英雄榜發布
    一起來看看是哪些浙大人入選吧~陸盈盈新型電池技術年齡：30 歲職位：浙江大學化學工程與生物工程學院獨立研究員獲獎類別：發明家獲獎理由：從事能量密度數倍於常規鋰離子電池的金屬鋰電池的科研、教學等工作，在金屬鋰負極保護機制及電池安全問題等方面做出了傑出的貢獻。
  • 重磅發布:《麻省理工科技評論》發布2017年全球十大突破性技術榜單
    [摘要]《麻省理工科技評論》在中國大陸地區的獨家運營方DeepTech深科技舉辦了2017年《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術榜單發布會2月21日下午，北京大雪紛飛，《麻省理工科技評論》在中國大陸地區的獨家運營方DeepTech深科技舉辦了
  • 麻省理工團隊研發新系統，用於定向操控夢境
    但到目前為止，人類只能推測夢裡場景出現的原因，而無法對夢裡出現的東西進行操控，但麻省理工學院一支科研團隊做到了。麻省理工團隊的研究人員結合以往的研究，發現人在清醒和睡眠兩種狀態之間存在一個睡眠臨界態。由於這種狀態下人的意識是游離和鬆散的，因此它是對夢境進行定向幹涉的最佳時機。 該系統是如何運作的？志願者在開始使用該系統時需要先躺下，然後研究人員為其佩戴上一套用以檢測是否進入睡眠狀態的裝置。
  • 以色列開發出低成本紅外傳感器 可用於雷射雷達
    以色列著名研究型學府本－古裡安大學（Ben－Gurion University of the Negev）的研究人員稱他們開發出了一款低成本紅外傳感器，能夠打造全球最薄的夜視眼鏡，並革新智慧型手機和自動駕駛汽車的紅外夜視應用。
  • 美國初創公司已開發出無電池工業傳感器
    美國初創公司Everactive已經開發出了一種工業傳感器，它可以晝夜不停地運行，只需要最少的維護，並且可以持續工作20年以上。該公司不是通過重新設計電池，而是通過完全取消電池來創建傳感器。        其中的關鍵是Everactive的超低功耗集成電路，它能從室內光線和振動等源頭收集能量以產生數據。
  • 麻省理工的科學家們已經在嘗試了
    現在，麻省理工的科學家們正努力讓這一科幻場景變成現實。 來自麻省理工學院的技術團隊開發了一套名為Conduct-A-Bot的實驗裝置，這套裝置通過讀取操作員的肌肉信號來控制無人機，以取代現有主要靠控制杆的操作方式。不過目前科學家們能夠嘗試的範圍還局限在小型無人機領域。
  • 在大腦裡植入微型傳感器,監控喜怒哀樂,你願意麼?
    ，五臟俱全，配有集成電路、太陽能電池和發光二極體，能夠利用光，進行發電和傳輸通信。Mceuen，Molnar 和 Cortese 已經成立了他們自己的公司 OWIC Technologies，並計劃將微傳感器項目商業化，目前已提交專利申請。這種OWIC微小，成本低，可以在更複雜的環境裡用較低能耗完成任務，也會在此基礎上衍生出各種新一代的微傳感器。
  • 幸運的少數:用葉綠素造太陽能電池
    葉綠素太陽能電池示意圖 李娜製圖地球上的自然光合成生物體通過10億年以上的進化，逐漸形成了完善的從光能到化學能的轉化體系，可以實現從光能捕獲到能量傳遞、最終到電荷分離的全過程。由此，人們不禁展開想像，能否仿照大自然的造物，用葉綠素造一塊太陽能電池？
  • 浙大一位專家上榜麻省理工「世界傑出青年創新家」
    美國東部時間6月19日，美國麻省理工學院主辦的《麻省理工技術評論》雜誌（MIT Technology Review）公布了2019年度TR35榜單，即全球35名35歲以下世界傑出青年創新家名單。狄大衛與劍橋大學卡文迪許實驗室的Richard Friend院士共同帶領團隊突破了鈣鈦礦LED效率的世界紀錄，並深入研究了其發光機理。另外，他還推動了矽基層疊太陽能電池的發展，並成功研製了納米矽/晶體矽發光二極體。從智慧型手機、電視屏幕到交通燈，發光二極體（LED)被廣泛應用於各種產品中，但它們的製造成本普遍較高。此外，發光效率與發光亮度之間往往存在權衡，而且很難達到最佳狀態。
  • 康奈爾大學研發「草履蟲」傳感器可植入人體
    ，五臟俱全，配有集成電路、太陽能電池和發光二極體(LED) ，能夠利用光，進行發電和傳輸通信。 Mceuen，Molnar 和 Cortese 已經成立了他們自己的公司 OWIC Technologies，並計劃將微傳感器項目商業化，目前已提交專利申請。 這種OWIC微小，成本低，可以在更複雜的環境裡用較低能耗完成任務，也會在此基礎上衍生出各種新一代的微傳感器。
  • 光敏傳感器型號有哪些_光敏傳感器分類
    打開APP 光敏傳感器型號有哪些_光敏傳感器分類 網絡整理 發表於 2019-11-26 10:38:36 　　光敏傳感器型號有哪些 　　光敏傳感器型號有：可見光傳感器貼片式LXD⁄GB5-A1DPZ（封裝SMD1206），可見光傳感器貼片LXD⁄GB5-A1DPZ（封裝SMD1206），可見光傳感器-GVGR-T10GD，可見光傳感器GVBL-S12SD。
  • 基於射頻無線電力傳輸供電的無電池資產跟蹤模塊的先進監控系統
    為了滿足市場對先進無電池傳感器標籤解決方案日益增長的需求，本文提出一個在無線傳感器網絡中識別資產和監測資產移動速度的跟蹤系統，無電池的資產標籤通過射頻無線電力傳輸(WPT)架構接收數據通信所需電能，並採用一個獨有的測速方法生成時域速度讀數。
  • 光敏傳感器的工作原理及其應用
    在科研究中，傳感器更具有突出的地位，許多領域人的感官還有簡易的傳感器根本無法得到精確的數據，必須藉助高精密的傳感器來實現分析測量，而光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，因其具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，故而在自動控制和非電量電子技術中佔有非常重要的地位。
  • 三問麻省理工團隊：「智能衣物」何時到來？
    近日，麻省理工學院的 Fibers 團隊在材料學領域的旗艦期刊——《Matter》上發表了一篇文章，詳細闡述了發展迅速的先進纖維、先進面料將會如何改變我們的生活他描繪了 Fibers 團隊為 「智能衣服」 所勾勒出的宏大願景。封面圖中發著綠光的條紋，就是智能面料裡的功能纖維。洛克表示：「人人都穿衣服。對於直接近距離獲取人類生理數據而言，沒什麼東西能比衣服來的更方便。如果衣服的面料可以學會感知、儲存、分析、提取這些潛在的有用信息並實現通訊，這難道不是一件很棒的事情嗎？」問：什麼是 「面料計算機」 ？
  • 一個簡單的傳感器測量技術 淺談CMOS和CCD傳感器的區別
    從傳感器輸出的角度來看，CMOS和CCD傳感器的主要區別在於，CMOS傳感器中的每個像素在光敏區旁邊都有自己的讀出電路。在CCD中，在施加於柵極結構的電壓影響下，以單個像素收集的電荷隨後沿著傳輸通道移動以讀出。
  • 鮑哲南:更高能量的鈉離子電池,成本比鋰電池至少低20%
    （《麻省理工科技評論》中英文版APP現已上線，年度訂閱用戶每周直播科技英語講堂，還有科技英語學習社區哦~）2017 年 10 月 9 日，一項具有重大突破意義的研究成果發表在了《自然·能源》期刊上。一支由著名華裔材料科學家鮑哲南和崔屹領銜的材料科學研究團隊，成功研發出了一種新型鈉離子電池陰極材料。
  • 權威發布:《麻省理工科技評論》2019年「全球十大突破性技術」
    自 2001 年起，《麻省理工科技評論》每年都會評選出當年的「十大突破性技術」，這份在全球科技領域舉足輕重的榜單曾精準預測了腦機接口、智能手錶、癌症基因療法、深度學習等諸多熱門技術的崛起。當然，與其說是「預測」，不如說是《麻省理工科技評論》站在全球科技最前沿，目睹了科技創新的百年變遷後的一種沉澱，是對科研邁向產業的可行性分析，是對技術商業化及影響力的研判。