物聯網方興未艾，無源傳感器大行其道

傳感器技術編輯整理

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

無論是有線聯接乃至是時而更換的紐扣電池，為傳感器供電相對都比較容易。但是，由于物聯網的傳感器部署范圍遠且廣，許多不能提供電源、需長期監測、電池不易更換或者易燃易爆等危險場合的應用, 必須采用無源傳感器來實現測量。

在無線傳感器網絡應用中, 由于節點數量多和分布范圍大, 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用前景, 也是目前國內外研究的熱點。

微型無源傳感器

無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。

其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統加以評測或標示。

有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程

低功耗大規模集成電路(VLSI) 設計的進步，先進電源管理技術的應用可以將微型傳感器及低功耗數字信號處理器的功耗控制在 1mW 以下 。 如此低的功耗使收集周圍環境能量為微型傳感器及其他電子器件供電( 即自供能技術) 成為可能。

光能、電磁輻射、溫度變化( 溫差) 、人體運動能量、振動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：動能、輻射能、熱能。  

1、動能

動能是廣泛存在且容易獲得的能源之一。 通常利用一個與周圍環境振動主頻率發生諧振的質量塊收集振動能量。 研究人員將振動模型簡化, 得出了各種振動參數對輸出功率的影響。 

（1）輸出功率與振動源幅度平方及質量塊質量成正比；

（2）在給定激勵條件下, 輸出功率與振動頻率成反比。

機電能量轉換有 3 種典型的方法：電磁感應方法、靜電( 電容) 轉換、壓電轉換。 電磁感應機電轉換裝置, 當線圈垂直于恒定磁場運動時, 線圈產生電壓輸出；可變電容轉換有兩種不同方式：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, 當電極板上電荷量 Q 或者電壓 V 保持不變時, 減小或者增加板間距離或極板長寬都可以提高輸出電壓，獲得能量如下式：

由壓電材料本構方程可知, 當受到外部簡諧激勵時, 可得到簡諧的開路電壓。 

現有技術條件下,線圈上的最大開路電壓在 15~30mV 左右, 需要一個轉換比量級在 102的變壓器才能用作電源。 靜電轉換可以直接產生 2V 至幾伏電壓, 可以方便地和微機電系統結合。 但靜電轉換需要一個獨立電壓源初始化轉換過程。 而壓電轉換不需要, 且發生電壓較高, 無需變壓器。 壓電轉換唯一缺點是實現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, 其電壓穩定, 可直接為微傳感器供電。

電磁波信號無處不在, 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 是局部電場強度( V/ m 時) 。 E 為 1V/ m 時, 可收集能量密度僅 0. 26LWcm- 2 , 而場強達到伏特每米的情況很少,可獲得的電磁能極為有限。 

某些特殊應用中, 通過發射電磁能, 接收端以特定方法耦合后使用, 如正廣泛使用的射頻識別( RF ID) 系統。 其次, 可通過設計新換能器或者應用新材料提高磁電轉換的電壓和功率, 如超磁致伸縮材料與壓電材料復合能得到較高磁電轉換系
數, 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生的溫度差實現熱能收集。 由卡諾循環原理可知溫差 ⊿-------T 限制了卡諾效率, 即溫差電最大轉換效率。---有報道一種微型熱電偶設備, 可從20°C溫差產生 20μW 的功率。 但是在微小范圍內, 一個較大溫差是罕見的。

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：光源發出的光經過光導纖維傳入光傳感元件；在光傳感元件中經光電轉換將測量檢測的參數調制成幅度、相伴、偏振等信息；最后利用微處理器，如頻譜儀等進行信號處理。光纖傳感器具有數據傳輸速度快和測試溫度高的特點，因信息傳播載體是光波而不受電磁輻射的影響。關于光纖無源傳感器的研究和應用已比較成熟，目前國內外學者主要研究和關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傳播的彈性波。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢 100 000 倍，且在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理。 

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

根據工作模式的不同，可以把現有的無源 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傳感器，延遲線型傳感器則主要用于溫度、壓力、應力等物理量的檢測。 

SAW 傳感器是電子技術與材料科學相結合的產物，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，其本質是利用叉指換能器將機械能轉化為電能。 SAW 傳感器無需額外提供能量，系統會利用自身收集的能量進行工作，這就大大擴展了 SAW 的應用領域。

聲表面波技術自 60 年代末發展至今，目前應用已涉及到許多學科領域，如設備系統監測、地震學、雷達通信、航空航天及石油勘探等，特別是近年來智能電網建設的日益推進，聲表面波傳感器等無源傳感器在智能變電站等電氣設備狀態監測預警中的應用越來越受到重視。

基于 SAW 的溫度傳感系統采用射頻識別(RFID)與 SAW 芯片混合集成且支持多點探測，為變電站中電力設備及關鍵部件狀態的實時監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、機械能等轉化為電能，從而實現為傳感器系統供電。當前，基于能源材料傳感器的國內外研究熱點主要集中在光電、熱電、壓電無源傳感技術領域。

基于晶體的電光效應原理，利用電光晶體或光波導調制器制成電光式傳感器，配以光纖進行信號傳輸的傳感測量系統，可以對復雜環境中或小空間內的電磁脈沖場進行高保真的測量。與傳統的電測有源探頭、同軸電纜傳輸的傳感器相比，基于電光效應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、 對被測對象擾動極小、靈敏度高等突出優點，可廣泛應用于高電壓、強電磁脈沖、雷電、強輻射區場強、高功率微波等電磁測量領域。

壓電效應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稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，因此，壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷而產生電壓，從而將機械能轉化為電能， 實現對壓力、 加速度等的測量傳感。

熱電型傳感器是基于熱電材料的熱電效應，利用器件內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換。當器件兩端存在溫差時，熱場驅動器件內的載流子定向運動，從而產生溫差電流。由于溫差電流與熱場存在一定的相關性，因此溫差電流不僅可用于熱電型傳感器系統的供電，同時還是靈敏有效的傳感信號。

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：外界溫度變化觸發內部熱電器件，由熱電器件為各個模塊供電。內置的數字型溫度傳感器測量外界溫度值，并將溫度信號傳給信號處理模塊，再將溫度數據發送。

基于熱電效應的無源溫度傳感器概念，研制出相應的無源傳感器系統。利用低溫區熱電材料碲化鉍(Bi2Te3)對溫度的敏感性及發電特性， 實現了將溫度傳感信號和供電電源的合二為一。系統利用自身被觸發時產生的電信號作為電源， 為后端的數據處理電路和無線通信電路提供電能， 實現了傳感信號從采集、處理到無線發送的完全自供電運行。

無源傳感器的技術發展

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優化的技術問題。

表 1 比較了目前國內外幾種典型的無源傳感器的性能參數，可以看出：基于聲表面波的無源傳感器探測范圍廣、靈敏度高，但其無線信號傳輸距離有限，一般僅為 20 m 以內；壓電材料能夠產生較大的輸出電壓，但由于材料內阻較大，因此輸出電流極小，僅能驅動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的供電需求，且由于使用了射頻芯片，無線信號最大傳輸距離在 100 m 左右，但由于熱電材料對溫差要求嚴格，一般只適用于有熱源存在的場合。

關于未來無源傳感器的研究，應加強對多功能、長壽命、靈敏度高、監控距離遠無源傳感器的核心元件設計、加工制作及其組網技術的研究，突破無源傳感器件用新型高性能智能傳感材料的開發及其應用關鍵技術，實現多功能集成、高精度、高靈敏度、長壽命無源傳感器的自主研發與國產化應用推廣。