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同时实现能量采集+传感器数据传递的特殊方法

发布时间:2018-05-29 来源:Bill Schweber 责任编辑:wenwei

【导读】能量采集(energy harvesting)是一个很重要的议题,因为该技术能催生一系列数据撷取与监测的新选项;我们现在有换能器(transducer)可以撷取并转换振动、温度、冲击以及RF等环境能量,将之转换为电能,也有IC能有效率地采集并管理这类能量,还有以超低功耗运作的处理器与无线连结。
 
大多数那些应用也需要一颗微小的电池来储存采集到的电能,并释出储存的能量做为电子组件的运作电源;依据设计以及使用情境,这类能量采集设备的尺寸可能会相当小──约只有几公分大,或者更大一点。
 
笔者看过不少能量采集设备的设计,很多都十分创新也很有趣;其中有一个我认为特别与众不同的,是荷兰恩荷芬理工大学(University of Eindhoven;通常简称为TU/e)所开发,利用无线电波供电、号称“世界最小”的温度传感器。这是无一款无线温度传感器,完全藉由来自与其关联的网络无线电波供电。
 
这种自供电IC尺寸只有2×2 mm、重量不到2毫克(milligram);如下图所示。其RF有效距离为2.5公分,研究人员预计一年之内能将之扩展到1公尺,最终则希望达到约5公尺──这是一个远大目标,因为这能让RF除了扮演电源角色,也是数据传输接口。
 
同时实现能量采集+传感器数据传递的特殊方法
自供电的THz频段温度传感器不需要电池或超级电容,能传输几公分之内的温度读数 (来源:University of Eindhoven, the Netherlands)
 
虽然这并不是全新概念,但有两个有趣的部份;首先在Terahertz (THz)频段运作,而且能透过变化载波频率来传递温度感测数值;该技术论文的作者有一份详细的简报,题为“利用毫米波传输数据与电力的小型温度传感器”(Small Temperature Sensor Using mm-wave data and power transfer),内容相当丰富,有电路图、照片以及性能图表。
 
新闻稿指出,该传感器有一种专门打造的路由器,配备天线以传送无线电波为传感器供电;这种传感器内含天线,能从路由器撷取能量。传感器会储存能量,当能量足够时传感器就会开启,量测温度并传送一个信号至路由器;该信号拥有稍微特别的频率,取决于所量测到的温度。路由器则能由该特别的频率推断出温度,如下图所示。
 
同时实现能量采集+传感器数据传递的特殊方法
传感器内的THz频率输出变化与温度的对比,利用载波位移与温度的对比;这是大多数工程师会尝试避免的参数变化 (来源:University of Eindhoven, the Netherlands)
 
利用这种温度对频率模式本身并非新概念,因为V/F (voltage-to-frequenc) A/D转换器已经存在一段时间,甚至有专门设计以表现这种特定A/D转换的IC。不过通常这种V/F转换是在基频或是非常低的频率,能利用简单的定时器(timer)而非THz载波调变,大幅简化频率量测。
 
这么做似乎有点大胆,因为要量测甚至是基本参数都会是个挑战;因为操作点(在这个案例中是载波频率)的温度偏移,这种方法也会与低温度系数(temperature coefficient,tempo)的一般需求不符,通常会被认为是一种必须修剪、校正或是在某种程度上被补偿的问题。而在这里却被用来做为传递信息的一种方式。
 
这种方法会被广泛接受吗?我真的不知道,但我确实觉得这很聪明、值得玩味,也显示这应该是个熟悉利用THz频段的好点子,因为它本身同时提供了全新的解决方案途径,也带来严峻的技术挑战。
 
THz频段有时被称为次毫米波,介于微波以及红外线辐射之间,跨越0.3~3THz (0.3THz的较低频段边缘也被称为300GHz,利用更为大众熟悉的名词);该频段在感测情境方面具备庞大潜力,但在实际进展上仍有一些困难(参考IEEE期刊的一篇文章,解释了这个频段的一些基础物理特性、创新潜力,以及在实际应用上的困难)。
 
你认为像这种THz频段温度传感器的自供电感测组件是可行方案吗?THz频段是否为下一个准备好成为RF探勘与开采的重要领域?欢迎讨论!
 
本文转载自电子工程专辑。
 
 
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