麻省理工团队造出低成本传感器有光即可工作能连续使用数年

原标题：麻省理工团队造出低本钱传感器，有光即可作业，能接连运用数年

麻省理工学院（MIT）的研讨人员近来规划出一款由光伏供电的传感器，用这种传感器来传输数据，能够运用数年才需求替换电池。

毫无疑问，物联网（IoT）的重要性跟着 5G 的开展益发凸显。它运用信息传感设备和网络，把一切人们日子生产中的东西连接起来，进行信息交互，然后完成智能辨认和办理。专家猜测，到 2025 年，全球物联网设备的数量（包含搜集有关基础设施和环境实时数据的传感器）或许会添加到 750 亿。可是，就现在的状况来看，这些传感器需求频频地替换电池，这对长时间监测来说或许是个不小的问题。

MIT 的研讨人员在一般的射频辨认（RFID）标签上安装了薄膜钙钛矿电池来作为“能量搜集器”。这种电池以其潜在的低本钱、灵敏性和易制作而出名，能够在亮堂的阳光和较暗的室内条件下为传感器供电。此外，研讨人员还发现，太阳能实际上给传感器供给了强壮的动力，能够使数据传输的间隔更远，并能够将多个传感器集成到一个 RFID 标签上。

针对这项发现，麻省理工学院的光伏实验室（Photovoltaic Laboratory）和自动辨认实验室（Auto-ID Lab）的两篇论文，别离宣布在了 IEEE Sensors 和 Advanced Functional Materials 杂志上。来自麻省理工学院两所实验室的多名教授、博士后、研讨员，还有学生参加了该研讨。

图 | 相关概念图（来历：麻省理工学院）

集成两种低本钱技能

跟着社会对环境保护等问题的益发注重，人们对清洁动力也随之提出了更高的要求。在最近的许多测验创立自供电传感器的研讨中，已经有一些研讨人员将太阳能电池用作物联网设备的动力。可是，这些研讨基本上都是把传统的太阳能电池做成一个缩小的版别，而并非运用钙钛矿。

其间一篇论文的首要作者，麻省理工学院自动辨认实验室的博士生 Sai Nithin R. Kantareddy 对此表明：“传统的单元组件在某些条件下能够得到更高效、耐久且功能强壮的体现，可是关于无处不在的物联网传感器来说，传统的方法其实是不可行的。”

例如，传统的太阳能电池体积都很巨大，并且制作费用相对贵重，即使缩小其尺度也需求消耗适当高的本钱。并且，它们并不灵敏，也不能被制成通明的，而通明特点关于放置在窗户和轿车挡风玻璃等环境上的温度监测传感器是十分必要的。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用地搜集能量。

反观钙钛矿电池，它能够运用简略的“卷对卷”制作技能进行印刷，每套的本钱只需求几美分（缺乏一元人民币）。一起，用钙钛矿做的电池能够变得更薄、愈加柔软，并且能做成通明的。它还能够依据接纳的光线做出调整，能从任何类型的室内或许室外的照明环境中搜集能量。

其时研讨团队的主意便是，将低本钱的电池与相同低本钱的 RFID 标签相结合，后者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，每一个制作本钱大约也只要 3~5 美分（均缺乏一元）。

图 | 电磁反向散射耦合型的RFID读写器（来历：Wiki）

RFID 标签要依托一种叫做“反向散射”（backscatter）的通讯技能，该技能经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（基本上相似于 Wi-Fi 路由器）会对标签宣布 ping 信号，设备便会发动并反向散射出一个共同的信号，该信号包含了所张贴产品的信息。

传统上，标签会搜集读取器发送的少数射频能量，来为存储数据的内部芯片供电，并运用剩下的能量来调制回来的信号。但这仅仅适当于几微瓦的功率，然后将它们的通讯规划约束在了一米之内。

而 MIT 研讨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。与传统体系相同，读取器会环视整个房间，每个标签都会做出呼应。可是，它并没有运用读取器的能量，而是从钙钛矿电池中获取了能量，以使电路通电并经过反向散射 RF 信号来发送数据。

用环境光供电，可作业长达几年

关于这项创造，MIT 的研讨人员表明立异的关键在于定制单元。它们是分层制作的，钙钛矿资料夹在电极、阴极和特别的电子传输层资料之间。这样能够到达约 10％ 的功率，该数值关于仍处于实验室状况的钙钛矿电池来说是适当高的。

一起，这种分层结构还能够让研讨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，决议了在不同光照条件下电池的功能。然后，研讨人员将这些独立的个别合并为具有四个单元的模块。

宣布在 Advanced Functional Materials 的论文中，这些模块在单次阳光照耀下能发生 4.3 V（伏特）的电量，这是衡量太阳能电池在阳光下发生多少电压的规范。这足以给电路供电——大约 1.5 V，每隔几秒钟就能发送约 5 米远的数据。一起，这些模块在室内的照明条件下也具有相似的功能。

在 IEEE Sensors 上的论文，首要展现了用于室内运用的宽带隙钙钛矿电池。依据发生的电压巨细的不同，其在室内荧光灯下的功率可到达 18.5% 至 21.4% 之间。基本上，任何光源照耀 45 分钟，都可认为室内或室外的传感器供给大约 3 个小时的电力。

这些传感器能够在室内或室外放置数月或数年，直到它们降解并需求替换停止。详细运用时间取决于环境中的某些要素（如湿度和温度等）。

关于需求在室内和室外进行长时间传感的一切运用而言，这个创造都是有价值百科的，包含盯梢供应链中的货品、监测土壤，以及监测建筑物和家庭中设备等。

图 | 生态环境监测网络建造图（来历：云南省生态环境厅）

“将来，咱们周围或许会稀有十亿个传感器。那么将需求很多的电池，并且这些电池还必须不断地充电。可是，假如能够运用环境光为它们自供电，那么就能够很方便地去安顿它们，即使你把它忘记几个月或几年都没有问题。”Kantareddy 说，“这项作业基本上是运用能量搜集器为各种运用构建增强的 RFID 标签。”

RFID 电路的原型仅仅用来监测温度的。接下来，研讨人员的方针是扩展规划，并添加针对更多层面的环境监测传感器，例如湿度、压力、振荡和污染等。这些传感器一旦被大规划布置，关于在室内进行长时间数据搜集的作业具有巨大的协助，还能进一步助力构建算法，进步智能建筑的动力功率等。

“咱们运用的钙钛矿资料具有难以想象的潜力，能够作为有用的室内光搜集器。咱们的下一步作业是要运用印刷电子工艺集成这些相同的技能，然后有或许进一步下降该无线传感器的制作本钱。”MIT 的博士后、论文作者之一 Ian Mathews 说。

http://news.mit.edu/2019/photovoltaic-rfid-sensors-iot-0927

Perovskite PV-powered RFID: enabling lowcost self-powered IoT sensors，IEEE Sensors

Self‐Powered Sensors Enabled by Wide‐Bandgap Perovskite Indoor Photovoltaic Cells, Advanced Functional Materials

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