重慶大學楊進Nano Energy:基于聲表面波諧振器（SAWR）的無源無線摩擦電子傳感器

【背景介紹】

物聯網架構體系的基礎是感知層。感知層分布式傳感器節點的感知信息通常通過無線傳感技術接入相鄰的通信節點，然后傳遞到網絡層，因此，無線傳感技術在物聯網中至關重要。隨著物聯網的發展，傳感器對物理參數無線監測需求的不斷增加，各種有源無線通信平臺（在傳感器系統中的應用越來越廣泛，如Wi-Fi、藍牙等）。這些有源無線通信平臺通常由有源電子元件和供電部分組成，供電部分通常是電池或能量采集器。然而，電池供電的傳感器除了電池還需要無線電路模塊，因此增加了設備的尺寸和成本；由采集器提供電源的傳感器是通過從周圍環境中收集能量來實現的，這樣它們就可以不用電池，但是，由于存在充電階段，因此其連續長期監測的可靠性不足。此外，能量采集器和電源電路也增加了體積。考慮到硬質硅電路和笨重的電池，有源無線傳感器在靈活性、小型化和生物相容性方面遇到了瓶頸。因此，為了拓寬傳感器的應用范圍，滿足物聯網中各式各樣應用的需求，無源無線傳輸技術成為了理想的選擇，因為它無需硬線連接和電源部件。無有源芯片和電池的無線傳感器最具吸引力的潛力在于其生物相容性、靈活性、小型化和結構簡單。

目前，傳感器常用的無源無線技術包括近場通信（NFC）、射頻識別（RFID）和聲表面波（SAW）傳感器。基于NFC的傳感器由一個閱讀器通過磁耦合供電，這導致了通信距離的限制，最多只有幾厘米。基于RFID的傳感器通過電磁耦合將通信距離增加到幾米之外，它們的感知能力通常由RFID標簽天線提供，因此，天線負責傳感和通信，從而需要在詢問距離、分辨率、尺寸、靈敏度等方面進行權衡，這使得它不適合作為無源無線傳感器的首選方案。聲表面波傳感器是無源無線傳感器的完美代表。

【成果簡介】

最近，重慶大學光電工程學院楊進教授團隊報道了一種結合柔性摩擦納米發電機（TENG）和聲表面波諧振器（SAWR）的無源無線傳感技術和策略。利用摩擦納米發電機（TENG）產生的傳感信號，通過調諧網絡對SAWR的響應信號進行調制，通過射頻鏈路詢問SAWR并接收其響應，然后對SAWR的響應進行解調以獲得傳感信號。利用所設計的PWTES，成功地演示了一種無電池和能量采集器的無線壓力柔性傳感器。PWTES顯示傳感信號在2m的距離上無線傳輸，在TENG 0-5V電壓范圍內的靈敏度為23.75kHz/V，測量更新率為12kHz。PWTES充分利用了TENG在傳感方面的優勢，以及SAWR在無線通信方面的特性，其在物聯網時代為無線傳感器的小型化、集成化和連續監測等方面應用提供了巨大的潛力。相關成果以“A passive wireless triboelectric sensor via a surface acoustic wave resonator (SAWR)”發表于Nano Energy期刊上。

【圖文導讀】

圖一、PWTES示意圖

（a）TENG的結構示意圖；

（b）一個基于TENG和聲表面波的器件（轉發器）的預制照片；

（c）用史密斯圓表示的PWTES在三種不同的測量條件下的反射系數S11：無TENG的PWTES（橙色曲線）；PWTES（黑色曲線）；PWTES與金屬棒(認為是被測對象)接觸或受到干擾（紅色曲線）；

（d）PWTES無源無線傳感示意圖。

圖二、TENG的性能測試

（a）TENG的測試平臺；

（b）TENG連接到外部VAC負載時的典型電氣輸出；

（c）TENG的輸入電壓與輸出電壓的關系；

（d）加速老化試驗。

圖三、應答器原理及性能測試

（a）SAWR結構示意圖；

（b）SAWR的等效電路；

（c）VAC的電壓-電容曲線；

（d）應答器的反射系數隨頻率變化曲線；

（e）施加在VAC上的電壓與應答器諧振頻率的曲線；

（f）施加到VAC上的電壓與應答器反射系數最小值的曲線。

圖四、PWTES的無線讀出和評估

（a）質詢器原理框圖；

（b）質詢器接收到的詢問信號和響應信號；

（c）詢問距離與響應信號頻率之間的關系；

（d）詢問距離與響應信號功率的關系；

（e）PWTES力-諧振頻率曲線的實驗測量；

（f）在1.55N，1.9N，2.25N動態壓力下響應信號功率的實驗測量。

圖五、PWTES的無源無線傳感實際演示

（a）PWTES無線探測壓力演示裝置；

（b）三個小鋼球產生的振幅信號；

（c）接收到的Fibonacci序列；

（d）2×2無線矩陣鍵盤演示裝置；

（e）2×2無線矩陣鍵盤演示。

【小結】

綜上所述，研究團隊提出了一種新穎的無源無線傳感技術和策略——利用一個純無源的SAWR和一個精心優化的調諧網絡來實現TENG的無源無線傳感。利用調諧網絡作為調制器，將傳感信號調制到聲表面波的射頻響應信號上。其具有調諧網絡的SAWR實際上是一個無線應答器，避免了固體電源和有源電子元件。TENG獨特的凹凸結構使TENG能夠以2.63V/N的靈敏度響應外部動力，并利用凹凸硅橡膠外殼的彈性幫助實現有效的電荷分離和接觸作用。此外，作者精心設計了射頻質詢器和調諧網絡，使測量更新率達到12 kHz，通信距離可達2 m，在TENG的0-5V電壓范圍內，靈敏度為23.75kHz/V。作者還證明了該調諧網絡與TENG之間的空間分離可以有效地保護調諧網絡不受干擾，從而使傳感器的實際應用成為可能。此外，作者還使用壓力觸發器、信息編碼器和2×2無線矩陣鍵盤演示了PWTES的無線傳感。由于測量信號包含在SAWR的反射響應信號中，與以往的無線摩擦電壓力傳感器不同，作者所報道的傳感器不需要外部電源和有源電子元件。因此，作者認為這種PWTES代表了物聯網時代無線監測應用的理想無線無源傳感器，為物聯網時代的小型化、集成化和連續監測無線傳感器提供巨大的應用潛力。

文獻鏈接：A passive wireless triboelectric sensor via a surface acoustic wave resonator (SAWR)（Nano Energy. 2020, DOI:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105307）

【團隊簡介】

傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，隨著現代工業生產的自動化程度升級和新技術信息時代的變遷，其已滲透到諸如工業生產、海洋探測、環境保護、醫學診斷、甚至文物保護等等極其之泛的領域，重慶大學光電工程學院楊進教授團隊圍繞“高效換能機理和特性”這一核心科學問題，在環境機械能量采集、自供電傳感等方面開展了系統的研究工作；團隊先后承擔了國家自然科學基金重點項目“自供電智能傳感器基礎及關鍵技術研究(No.50830202)”、863?計劃項目“高端儀器儀表共性關鍵技術研究(No. 2012AA040602)”?、863?計劃項目“?高精度微小型無源磁場探測裝置(No.2007AA12Z132)”、國家重點研發技術項目“基于聲光一體化的儲存設施監測技術(2016YFC0801202)”等的研究工作；同時還獲教育部高等學校科學研究優秀成果自然科學2等獎1項，重慶市科技進步2等獎1項，重慶市自然科學2/3等獎各1項；共發表SCI檢索論文60余篇，其中1區論文20篇（IF均大于10），包括Nature Electronics、Science Advances、Matter、Advanced Materials等，論文他引2000余次。

本文由我亦是行人編譯。

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