传感器网络中出现的替代能量采集技术

很明显，无线传感器网络和移动传感器系统正在各地激增。一方面，存在由大量传感器节点组成的传感器网络，这些传感器节点用于巨大的不可访问区域。在另一个极端，在一些应用中，紧凑的移动传感器系统与无线通信系统是必要的。

无论是大型还是小型系统，这些实现都面临着为设备的正常长期运行提供足够能量的挑战。这种传感器系统在广泛的应用中至关重要，包括生物医学工程、环境监测、工业过程控制、有机材料的质量评估等。

 

可穿戴传感器和能量采集之间有着天然的协同作用。该图表显示了自供电智能可穿戴传感器的类型。图片由Rong等人提供

 

通常，这些基于传感器的系统是由电池供电的。然而，在许多应用中，传感器网络被部署在无法访问的区域，或者作为植入人体的生物医学设备。在这些情况下，更换或重新充电耗尽的电池实际上是不可能实现的。

在这篇文章中，我们将总结三所大学在可穿戴能源收集技术方面取得进展的研究。

 

人体汗液为电池充电

解决这一挑战的一个方案是设计电源，以确保为设备的整个生命周期提供足够的能量。问题是，这种方法需要更高容量的笨重电池，这反过来又增加了设备的尺寸。为了解决这个问题，研究人员现在正专注于柔性储能设备，如重量轻、安全、可拉伸且易于集成的柔性电容器和电池。

正是沿着这些路线，南大的研究人员开发了一种由人体汗液驱动的柔软可拉伸电池。根据研究人员的说法，人体汗液由乳酸、葡萄糖和离子组成，适合于实现可穿戴燃料电池、电容器和电池。电池连接在一个吸湿织物上，该织物可以连接在可穿戴设备上。它的尺寸为2厘米x 2厘米，厚度相当于一条纸绷带。

 

这个可伸缩的电池连接在一个吸湿织物上。纺织品可以连接到可穿戴设备上。图片由南洋理工大学提供

 

可穿戴设备受益于可拉伸导线制造的进步。然而，导体会因汗液的作用而腐蚀。在他们的设备中，南大的研究人员直接在纺织品上制造了导电银薄片和弹性粘合剂。在汗液存在的情况下，氯离子会增加银的导电性。

根据试验测试，该团队报告称，个人手腕上戴着可穿戴电池骑行30分钟，产生的输出功率为3.9毫瓦（4.2伏）。

 

用于低功率印刷电子设备的能量采集器

避免笨重电池的另一个途径是降低系统本身的功耗。超低功率电路的最新发展显著降低了移动设备的功耗。在待机模式下，功耗降至仅微微瓦，而活动模式下的功耗已降至仅毫瓦。

这些突破使设备能够使用能量采集器自我维持。能量采集器从自然源（如阳光和温差或环境振动、射频、静电等）获取为系统供电所需的能量。

有一些棘手的问题。不同来源产生的能量具有不同的功率水平。同时，太阳能等一些能源是不连续的，这意味着一天中的功率水平不同。对于这样的电源，储能解决方案是必要的。

考虑到所有这些，在为设备选择能量收集系统时必须考虑许多选择。这包括：

• 环境中能源的可用性
• 制造的可行性
• 储能解决方案

 

使用压电的自供电传感器

围绕传感器环境中的能源这一主题，坦佩雷大学的研究人员提出了一种利用人类皮肤特性的技术。他们的提议是一种适用于生物信号监测的自供电、生物兼容、超薄和透明印刷压力传感器的制造工艺。

人类皮肤可以传输和生成生物化学信号，这些信号可以提供有关呼吸速率、心率和身体运动的有用信息。基于压电的压力传感器可以检测这些信号，也可以在没有任何外部电源的情况下检测这些信号。压电元件允许自供电操作。

 

坦佩雷大学的研究人员开发了一种利用压电元件实现自供电操作的制造工艺。图片由坦佩雷大学提供

 

一个障碍是，在超薄生物相容性设备上制造压电传感器非常困难，因为它由铅组成。在他们的研究中，科学家们提出了一种两步印刷工艺，该工艺使用生物相容性聚合物基材料作为基底、电活性层和叉指电极。研究人员使用该传感器监测动脉血液脉搏波，可以提供血压等健康状况的各种重要信息。

 

玻璃基板上的能量采集

瑞典RISE研究院的另一个研究小组报告了一种印刷在玻璃基板上的无电池电子电路的开发。有机基材料在3D打印电子产品中非常受欢迎，因为它们可以很容易地在柔性表面上制造。

然而，这些材料对周围环境很敏感。有机材料会随着温度和湿度的波动而降解。因此，他们通过拾取和放置组件将电子元件添加到玻璃上。

 

设备印刷层的示意图（A）。这里显示的是通过移动电话的NFC接口激活系统时的连续电压输出电平（b）。图片（修改）由瑞典RISE研究院提供

 

团队开发的系统由几个元素组成：

• 一种能够检测水的传感器
• 电致变色显示器
• 导线
• 一种电源管理芯片，通过电磁辐射的能量采集来管理电源
• 负责监测传感器状态的微控制器

重要的是，电源管理芯片通过电磁辐射的能量收集来管理电源。

 

移动传感器系统的无电池未来？

这里讨论的发展表明，超低功耗设备和3D打印可能有助于为下一代移动传感器系统铺平道路。这些新技术将实现不依赖电池的自供电、环保系统。