传感器网络的替代能量收集元件技术应运而生

元件

无线传感器网络需要能量收集元件来替代电池电量。研究人员正在想出一些创新的方法来从替代能源中获取能量，甚至从人类的汗液中获取能量很明显，无线传感器网络和移动传感器系统正在到处扩散。一方面，传感器网络是由大量的传感器节点组成的，这些传感器节点被用于广阔的无法进入的地区。在另一个极端情况下，有些应用程序需要使用紧凑的移动传感器系统和无线通信系统。
无论是大型系统还是小型系统，这些实现都面临着为设备的正常长期运行提供足够能源的挑战。这种传感器系统在许多领域都有着重要的应用，包括生物医学工程、环境监测、工业过程控制、有机材料质量评估等等。

可穿戴传感器和能量收集元件之间有一种自然的协同作用。图表显示了各种类型的自供电智能可穿戴传感器。图片由容等人提供
一般来说，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，传感器网络部署在难以接近的地区，或作为植入人体的生物医学设备。在这种情况下，更换或充电耗尽的电池实际上是不可能的。
在本文中，我们将汇总三所大学在可穿戴能量收集元件技术方面取得的进展。
以人体汗液为燃料的电池解决这一挑战的一个办法是设计一个电源，以确保足够的能源提供给设备的整个生命周期。问题是这种方法需要更大容量的笨重电池，这反过来又增加了设备的尺寸。为了解决这个问题，研究人员现在把重点放在灵活的能量储存设备上，例如灵活的电容器和电池，这些设备重量轻、安全、可伸缩，而且容易集成。
正因为如此，南洋理工大学的研究人员开发出了一种由人类汗液提供动力的柔软而可伸缩的电池。据研究人员介绍，人类的汗液由乳酸、葡萄糖和离子组成，这使得它适合于实现可穿戴燃料电池、电容器和电池。电池连接到可以连接到可穿戴设备的吸汗纺织品上。它的尺寸为2厘米 x2厘米，厚度相当于一条纸绷带。

这个可伸缩的电池连接到一个吸汗的纺织品上。该纺织品可以附着在可穿戴设备上。图片由南洋理工大学提供
可穿戴设备得益于可拉伸导线制造方面的进步。然而，导体会受到汗液的腐蚀。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片和弹性粘合剂。在汗液的存在下，氯离子增加了银的导电性。
在试验测试中，研究小组报告说，个人手腕上戴着可穿戴电池，骑车30分钟产生的输出功率为3.9 mW (4.2 V)。
用于低功耗印刷电子器件的能量收集器避免笨重电池的另一个方法是降低系统本身的功耗。超低功耗电路的最新发展大大降低了移动设备的功耗。在待机模式下，电力消耗降低到只有皮瓦，而活动模式下的电力消耗降低到只有纳瓦。
这些突破使设备能够使用能量收集器自我维持。能源收集器从自然来源(例如阳光、热差或环境振动、射频、静电现象等)收集供电所需的能源。
有些棘手的问题。不同来源产生的能量有不同的能级。与此同时，一些来源，如太阳能是不连续的，这意味着功率水平不同，整个一天。对于这样的电源，储能解决方案是必要的。
考虑到所有这些因素，在为设备选择能量收集元件系统时，需要考虑很多选择。这包括:

环境中能源的可利用性

制造的可行性

储能解决方案

使用压电效应的自供电传感器坦佩雷大学的研究人员围绕传感器环境中的能源这一主题，提出了一种利用人类皮肤特性的技术。他们的提议是一个制作方法的自供电，生物兼容，超薄，透明印刷压力传感器适用于生物信号监测。
人类皮肤能够传递和产生生化信号，这些信号能够提供有关呼吸频率、心率和身体运动的有用信息。基于压电效应的压力传感器可以在没有任何外部供应的情况下检测到这些信号。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带有压电元件的制作方法，这种元件能够自动操作
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，科学家提出了一个两步印刷过程，使用生物相容性聚合物基材料的基板，电活性层和交叉电极。研究人员使用该传感器监测动脉血脉搏动波，这可以提供各种健康状况的重要信息，如血压。

能量收集元件在玻璃基板上来自瑞典 RISE 研究院的另一个研究小组(RISE AB)报告了在玻璃基板上印刷的无电池电子电路的发展。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。随着温度和湿度的波动，有机材料会降解。因此，他们在玻璃上添加了电子元件的拾取和位置组装。

设备打印层示意图(a)。图示系统透过流动电话(b)的近场通讯接口启动时的连续电压输出电平。图片(修改后)由瑞典 RISE 研究院提供
该小组开发的系统由以下几个要素组成:

一种能够探测水的传感器

电致变色显示器

指挥家

电源管理芯片通过电磁辐射能量收集元件管理电源

负责监控传感器状态的单片机

重要的是，电源管理芯片通过电磁辐射能量收集元件来管理电源。
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。这些新技术将使自供电、环保的系统不再依赖电池。
纪客老白微信号：LB5443

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