物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 無處不在，雖然它功能強(qiáng)大，但也帶來了一些挑戰(zhàn)。每個(gè)感測(cè)元件按定義都是個(gè)電子器件，而所有電子器件的共通之處就是需要電源才能工作。

無論是有線聯(lián)接乃至是時(shí)而更換的紐扣電池，為傳感器供電相對(duì)都比較容易。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器部署范圍遠(yuǎn)且廣，許多不能提供電源、需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、電池不易更換或者易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合的應(yīng)用,必須采用無源傳感器來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多和分布范圍大,電池更換問題也難以解決。 因此,能夠自供能的無源傳感器具有廣泛的應(yīng)用前景,也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

微型無源傳感器

無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。

其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。

有源(a)和無源(b)傳感器的信號(hào)流程

低功耗大規(guī)模集成電路(VLSI) 設(shè)計(jì)的進(jìn)步，先進(jìn)電源管理技術(shù)的應(yīng)用可以將微型傳感器及低功耗數(shù)字信號(hào)處理器的功耗控制在 1mW 以下。 如此低的功耗使收集周圍環(huán)境能量為微型傳感器及其他電子器件供電( 即自供能技術(shù)) 成為可能。

光能、電磁輻射、溫度變化(溫差)、人體運(yùn)動(dòng)能量、振動(dòng)源等都是潛在的能量源。

可將常用的自供電能源按類型分為三大類：動(dòng)能、輻射能、熱能。

1、動(dòng)能

動(dòng)能是廣泛存在且容易獲得的能源之一。 通常利用一個(gè)與周圍環(huán)境振動(dòng)主頻率發(fā)生諧振的質(zhì)量塊收集振動(dòng)能量。 研究人員將振動(dòng)模型簡(jiǎn)化,得出了各種振動(dòng)參數(shù)對(duì)輸出功率的影響。

（1）輸出功率與振動(dòng)源幅度平方及質(zhì)量塊質(zhì)量成正比；

（2）在給定激勵(lì)條件下,輸出功率與振動(dòng)頻率成反比。

機(jī)電能量轉(zhuǎn)換有3種典型的方法：電磁感應(yīng)方法、靜電(電容)轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換。電磁感應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置,當(dāng)線圈垂直于恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí),線圈產(chǎn)生電壓輸出；可變電容轉(zhuǎn)換有兩種不同方式：電壓約束方式和電荷約束方式。 由平板電容間電壓公式可知,當(dāng)電極板上電荷量Q或者電壓V保持不變時(shí),減小或者增加板間距離或極板長(zhǎng)寬都可以提高輸出電壓，獲得能量如下式：

由壓電材料本構(gòu)方程可知,當(dāng)受到外部簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí),可得到簡(jiǎn)諧的開路電壓。

現(xiàn)有技術(shù)條件下,線圈上的最大開路電壓在 15~30mV 左右, 需要一個(gè)轉(zhuǎn)換比量級(jí)在 102的變壓器才能用作電源。 靜電轉(zhuǎn)換可以直接產(chǎn)生 2V 至幾伏電壓, 可以方便地和微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合。 但靜電轉(zhuǎn)換需要一個(gè)獨(dú)立電壓源初始化轉(zhuǎn)換過程。 而壓電轉(zhuǎn)換不需要, 且發(fā)生電壓較高, 無需變壓器。 壓電轉(zhuǎn)換唯一缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)微型化及和微電子集成存在困難。

2、輻射能

輻射能(如太陽光和電磁波)無處不在。 中午地表太陽直射下太陽能電池能夠得到約100mWcm﹣3的能量密度，但是陰天和室內(nèi)的太陽能電池獲得的能量密度較低。太陽能是目前最為成熟的技術(shù),其電壓穩(wěn)定,可直接為微傳感器供電。

電磁波信號(hào)無處不在,收集空間電磁波供電使用范圍更大。 在VHF和UHF頻段,接收天線產(chǎn)生的功率密度近似于E2/ Z0,其中Z0是空間本征阻抗, E是局部電場(chǎng)強(qiáng)度( V/ m時(shí))。E為1V/ m時(shí),可收集能量密度僅0. 26LWcm- 2,而場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到伏特每米的情況很少,可獲得的電磁能極為有限。

某些特殊應(yīng)用中,通過發(fā)射電磁能,接收端以特定方法耦合后使用,如正廣泛使用的射頻識(shí)別( RF ID)系統(tǒng)。 其次,可通過設(shè)計(jì)新?lián)Q能器或者應(yīng)用新材料提高磁電轉(zhuǎn)換的電壓和功率,如超磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合能得到較高磁電轉(zhuǎn)換系數(shù),有可能用于電磁能收集。

3、熱 能

自然界存在各種不同的熱源,通常利用熱源存在或者發(fā)生的溫度差實(shí)現(xiàn)熱能收集。 由卡諾循環(huán)原理可知溫差⊿-------T限制了卡諾效率,即溫差電最大轉(zhuǎn)換效率。---有報(bào)道一種微型熱電偶設(shè)備,可從20°C溫差產(chǎn)生20μW的功率。 但是在微小范圍內(nèi),一個(gè)較大溫差是罕見的。

無源傳感器的類型

無源傳感器主要有光纖無源傳感器、聲表面波無源傳感器和基于能源材料的無源傳感器等幾類。

1、光纖無源傳感器

光纖傳感器的工作原理是：光源發(fā)出的光經(jīng)過光導(dǎo)纖維傳入光傳感元件；在光傳感元件中經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將測(cè)量檢測(cè)的參數(shù)調(diào)制成幅度、相伴、偏振等信息；最后利用微處理器，如頻譜儀等進(jìn)行信號(hào)處理。光纖傳感器具有數(shù)據(jù)傳輸速度快和測(cè)試溫度高的特點(diǎn)，因信息傳播載體是光波而不受電磁輻射的影響。關(guān)于光纖無源傳感器的研究和應(yīng)用已比較成熟，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究和關(guān)注的是聲表面波無源傳感器和基于能源材料的無源傳感器。

2、聲表面波無源傳感器

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)是一種在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。由于聲表面波的傳播速度比電磁波?00 000倍，且在它的傳播路徑上容易取樣和進(jìn)行處理。

1965年，美國(guó)懷特和沃爾特默首次采用叉指換能器激發(fā)AW，加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展。圖1為基于聲表面波的典型無源傳感器的實(shí)物照片。

根據(jù)工作模式的不同，可以把現(xiàn)有的無源SAW傳感器分為諧振型和延遲線型兩類。其中諧振型傳感器主要用于來制作化學(xué)傳感器，延遲線型傳感器則主要用于溫度、壓力、應(yīng)力等物理量的檢測(cè)。

SAW傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它由SAW振蕩器、敏感的界面膜材料和振蕩電路組成。SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器，由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，其本質(zhì)是利用叉指換能器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。SAW傳感器無需額外提供能量，系統(tǒng)會(huì)利用自身收集的能量進(jìn)行工作，這就大大擴(kuò)展了SAW的應(yīng)用領(lǐng)域。

聲表面波技術(shù)自60年代末發(fā)展至今，目前應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如設(shè)備系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、地震學(xué)、雷達(dá)通信、航空航天及石油勘探等，特別是近年來智能電網(wǎng)建設(shè)的日益推進(jìn)，聲表面波傳感器等無源傳感器在智能變電站等電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用越來越受到重視。

基于SAW的溫度傳感系統(tǒng)采用射頻識(shí)別(RFID)與SAW芯片混合集成且支持多點(diǎn)探測(cè)，為變電站中電力設(shè)備及關(guān)鍵部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了一種有效的解決方案。

3、基于能源材料的無源傳感器

基于能源材料的傳感器可以將自然界中的光能、熱能、機(jī)械能等轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)為傳感器系統(tǒng)供電。當(dāng)前，基于能源材料傳感器的國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在光電、熱電、壓電無源傳感技術(shù)領(lǐng)域。

基于晶體的電光效應(yīng)原理，利用電光晶體或光波導(dǎo)調(diào)制器制成電光式傳感器，配以光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膫鞲袦y(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)復(fù)雜環(huán)境中或小空間內(nèi)的電磁脈沖場(chǎng)進(jìn)行高保真的測(cè)量。與傳統(tǒng)的電測(cè)有源探頭、同軸電纜傳輸?shù)膫鞲衅飨啾?，基于電光效?yīng)原理研制的各類無源傳感器具有寬頻帶、探頭部分無源化、 抗干擾能力強(qiáng)、 對(duì)被測(cè)對(duì)象擾動(dòng)極小、靈敏度高等突出優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高電壓、強(qiáng)電磁脈沖、雷電、強(qiáng)輻射區(qū)場(chǎng)強(qiáng)、高功率微波等電磁測(cè)量領(lǐng)域。

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，如圖2所示。

由于具有壓電性的晶體對(duì)稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，因此，壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷而產(chǎn)生電壓，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能， 實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、 加速度等的測(cè)量傳感。

熱電型傳感器是基于熱電材料的熱電效應(yīng)，利用器件內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)器件兩端存在溫差時(shí)，熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器件內(nèi)的載流子定向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生溫差電流。由于溫差電流與熱場(chǎng)存在一定的相關(guān)性，因此溫差電流不僅可用于熱電型傳感器系統(tǒng)的供電，同時(shí)還是靈敏有效的傳感信號(hào)。

圖3給出了熱電型無源溫度傳感器的基本工作原理圖，可以看出：外界溫度變化觸發(fā)內(nèi)部熱電器件，由熱電器件為各個(gè)模塊供電。內(nèi)置的數(shù)字型溫度傳感器測(cè)量外界溫度值，并將溫度信號(hào)傳給信號(hào)處理模塊，再將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送。

基于熱電效應(yīng)的無源溫度傳感器概念，研制出相應(yīng)的無源傳感器系統(tǒng)。利用低溫區(qū)熱電材料碲化鉍(Bi2Te3)對(duì)溫度的敏感性及發(fā)電特性， 實(shí)現(xiàn)了將溫度傳感信號(hào)和供電電源的合二為一。系統(tǒng)利用自身被觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)作為電源， 為后端的數(shù)據(jù)處理電路和無線通信電路提供電能， 實(shí)現(xiàn)了傳感信號(hào)從采集、處理到無線發(fā)送的完全自供電運(yùn)行。

無源傳感器的技術(shù)發(fā)展

無源傳感器可以有效解決因使用電池及電源帶來的各種問題，但也面臨著一些急需改進(jìn)優(yōu)化的技術(shù)問題。

表1比較了目前國(guó)內(nèi)外幾種典型的無源傳感器的性能參數(shù)，可以看出：基于聲表面波的無源傳感器探測(cè)范圍廣、靈敏度高，但其無線信號(hào)傳輸距離有限，一般僅為20 m以內(nèi)；壓電材料能夠產(chǎn)生較大的輸出電壓，但由于材料內(nèi)阻較大，因此輸出電流極小，僅能驅(qū)動(dòng)一些微功率的傳感器模塊；基于熱電材料的無源傳感器的輸出功率可以滿足絕大部分傳感器系統(tǒng)的供電需求，且由于使用了射頻芯片，無線信號(hào)最大傳輸距離在100 m左右，但由于熱電材料對(duì)溫差要求嚴(yán)格，一般只適用于有熱源存在的場(chǎng)合。

關(guān)于未來無源傳感器的研究，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)多功能、長(zhǎng)壽命、靈敏度高、監(jiān)控距離遠(yuǎn)無源傳感器的核心元件設(shè)計(jì)、加工制作及其組網(wǎng)技術(shù)的研究，突破無源傳感器件用新型高性能智能傳感材料的開發(fā)及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多功能集成、高精度、高靈敏度、長(zhǎng)壽命無源傳感器的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用推廣。

隨著自供能技術(shù)的進(jìn)一步研究和深入發(fā)展,自供能技術(shù)將在如下方向取得進(jìn)展：（1）低功耗集成電子技術(shù)及先進(jìn)電源管理的發(fā)展將極大地降低微型傳感器的功耗。（2）通過新的換能器設(shè)計(jì)或者新材料的應(yīng)用將進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率和功率。（3）幾種收集方式結(jié)合將提高不同條件下收集能量的能力。 可以預(yù)見,各種功能的無源傳感器在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手。