【導(dǎo)讀】能量采集(energy harvesting)是一個很重要的議題,因為該技術(shù)能催生一系列數(shù)據(jù)擷取與監(jiān)測的新選項;我們現(xiàn)在有換能器(transducer)可以擷取并轉(zhuǎn)換振動、溫度、沖擊以及RF等環(huán)境能量,將之轉(zhuǎn)換為電能,也有IC能有效率地采集并管理這類能量,還有以超低功耗運作的處理器與無線連結(jié)。
大多數(shù)那些應(yīng)用也需要一顆微小的電池來儲存采集到的電能,并釋出儲存的能量做為電子組件的運作電源;依據(jù)設(shè)計以及使用情境,這類能量采集設(shè)備的尺寸可能會相當(dāng)小──約只有幾公分大,或者更大一點。
筆者看過不少能量采集設(shè)備的設(shè)計,很多都十分創(chuàng)新也很有趣;其中有一個我認為特別與眾不同的,是荷蘭恩荷芬理工大學(xué)(University of Eindhoven;通常簡稱為TU/e)所開發(fā),利用無線電波供電、號稱“世界最小”的溫度傳感器。這是無一款無線溫度傳感器,完全藉由來自與其關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)無線電波供電。
這種自供電IC尺寸只有2×2 mm、重量不到2毫克(milligram);如下圖所示。其RF有效距離為2.5公分,研究人員預(yù)計一年之內(nèi)能將之?dāng)U展到1公尺,最終則希望達到約5公尺──這是一個遠大目標(biāo),因為這能讓RF除了扮演電源角色,也是數(shù)據(jù)傳輸接口。
自供電的THz頻段溫度傳感器不需要電池或超級電容,能傳輸幾公分之內(nèi)的溫度讀數(shù) (來源:University of Eindhoven, the Netherlands)
雖然這并不是全新概念,但有兩個有趣的部份;首先在Terahertz (THz)頻段運作,而且能透過變化載波頻率來傳遞溫度感測數(shù)值;該技術(shù)論文的作者有一份詳細的簡報,題為“利用毫米波傳輸數(shù)據(jù)與電力的小型溫度傳感器”(Small Temperature Sensor Using mm-wave data and power transfer),內(nèi)容相當(dāng)豐富,有電路圖、照片以及性能圖表。
新聞稿指出,該傳感器有一種專門打造的路由器,配備天線以傳送無線電波為傳感器供電;這種傳感器內(nèi)含天線,能從路由器擷取能量。傳感器會儲存能量,當(dāng)能量足夠時傳感器就會開啟,量測溫度并傳送一個信號至路由器;該信號擁有稍微特別的頻率,取決于所量測到的溫度。路由器則能由該特別的頻率推斷出溫度,如下圖所示。
傳感器內(nèi)的THz頻率輸出變化與溫度的對比,利用載波位移與溫度的對比;這是大多數(shù)工程師會嘗試避免的參數(shù)變化 (來源:University of Eindhoven, the Netherlands)
利用這種溫度對頻率模式本身并非新概念,因為V/F (voltage-to-frequenc) A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在一段時間,甚至有專門設(shè)計以表現(xiàn)這種特定A/D轉(zhuǎn)換的IC。不過通常這種V/F轉(zhuǎn)換是在基頻或是非常低的頻率,能利用簡單的定時器(timer)而非THz載波調(diào)變,大幅簡化頻率量測。
這么做似乎有點大膽,因為要量測甚至是基本參數(shù)都會是個挑戰(zhàn);因為操作點(在這個案例中是載波頻率)的溫度偏移,這種方法也會與低溫度系數(shù)(temperature coefficient,tempo)的一般需求不符,通常會被認為是一種必須修剪、校正或是在某種程度上被補償?shù)膯栴}。而在這里卻被用來做為傳遞信息的一種方式。
這種方法會被廣泛接受嗎?我真的不知道,但我確實覺得這很聰明、值得玩味,也顯示這應(yīng)該是個熟悉利用THz頻段的好點子,因為它本身同時提供了全新的解決方案途徑,也帶來嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。
THz頻段有時被稱為次毫米波,介于微波以及紅外線輻射之間,跨越0.3~3THz (0.3THz的較低頻段邊緣也被稱為300GHz,利用更為大眾熟悉的名詞);該頻段在感測情境方面具備龐大潛力,但在實際進展上仍有一些困難(參考IEEE期刊的一篇文章,解釋了這個頻段的一些基礎(chǔ)物理特性、創(chuàng)新潛力,以及在實際應(yīng)用上的困難)。
你認為像這種THz頻段溫度傳感器的自供電感測組件是可行方案嗎?THz頻段是否為下一個準備好成為RF探勘與開采的重要領(lǐng)域?歡迎討論!
本文轉(zhuǎn)載自電子工程專輯。
推薦閱讀: