重庆大学杨进Nano Energy:基于声表面波谐振器（SAWR）的无源无线摩擦电子传感器

【背景介绍】

物联网架构体系的基础是感知层。感知层分布式传感器节点的感知信息通常通过无线传感技术接入相邻的通信节点，然后传递到网络层，因此，无线传感技术在物联网中至关重要。随着物联网的发展，传感器对物理参数无线监测需求的不断增加，各种有源无线通信平台（在传感器系统中的应用越来越广泛，如Wi-Fi、蓝牙等）。这些有源无线通信平台通常由有源电子元件和供电部分组成，供电部分通常是电池或能量采集器。然而，电池供电的传感器除了电池还需要无线电路模块，因此增加了设备的尺寸和成本；由采集器提供电源的传感器是通过从周围环境中收集能量来实现的，这样它们就可以不用电池，但是，由于存在充电阶段，因此其连续长期监测的可靠性不足。此外，能量采集器和电源电路也增加了体积。考虑到硬质硅电路和笨重的电池，有源无线传感器在灵活性、小型化和生物相容性方面遇到了瓶颈。因此，为了拓宽传感器的应用范围，满足物联网中各式各样应用的需求，无源无线传输技术成为了理想的选择，因为它无需硬线连接和电源部件。无有源芯片和电池的无线传感器最具吸引力的潜力在于其生物相容性、灵活性、小型化和结构简单。

目前，传感器常用的无源无线技术包括近场通信（NFC）、射频识别（RFID）和声表面波（SAW）传感器。基于NFC的传感器由一个阅读器通过磁耦合供电，这导致了通信距离的限制，最多只有几厘米。基于RFID的传感器通过电磁耦合将通信距离增加到几米之外，它们的感知能力通常由RFID标签天线提供，因此，天线负责传感和通信，从而需要在询问距离、分辨率、尺寸、灵敏度等方面进行权衡，这使得它不适合作为无源无线传感器的首选方案。声表面波传感器是无源无线传感器的完美代表。

【成果简介】

最近，重庆大学光电工程学院杨进教授团队报道了一种结合柔性摩擦纳米发电机（TENG）和声表面波谐振器（SAWR）的无源无线传感技术和策略。利用摩擦纳米发电机（TENG）产生的传感信号，通过调谐网络对SAWR的响应信号进行调制，通过射频链路询问SAWR并接收其响应，然后对SAWR的响应进行解调以获得传感信号。利用所设计的PWTES，成功地演示了一种无电池和能量采集器的无线压力柔性传感器。PWTES显示传感信号在2m的距离上无线传输，在TENG 0-5V电压范围内的灵敏度为23.75kHz/V，测量更新率为12kHz。PWTES充分利用了TENG在传感方面的优势，以及SAWR在无线通信方面的特性，其在物联网时代为无线传感器的小型化、集成化和连续监测等方面应用提供了巨大的潜力。相关成果以“A passive wireless triboelectric sensor via a surface acoustic wave resonator (SAWR)”发表于Nano Energy期刊上。

【图文导读】

图一、PWTES示意图

（a）TENG的结构示意图；

（b）一个基于TENG和声表面波的器件（转发器）的预制照片；

（c）用史密斯圆表示的PWTES在三种不同的测量条件下的反射系数S11：无TENG的PWTES（橙色曲线）；PWTES（黑色曲线）；PWTES与金属棒(认为是被测对象)接触或受到干扰（红色曲线）；

（d）PWTES无源无线传感示意图。

图二、TENG的性能测试

（a）TENG的测试平台；

（b）TENG连接到外部VAC负载时的典型电气输出；

（c）TENG的输入电压与输出电压的关系；

（d）加速老化试验。

图三、应答器原理及性能测试

（a）SAWR结构示意图；

（b）SAWR的等效电路；

（c）VAC的电压-电容曲线；

（d）应答器的反射系数随频率变化曲线；

（e）施加在VAC上的电压与应答器谐振频率的曲线；

（f）施加到VAC上的电压与应答器反射系数最小值的曲线。

图四、PWTES的无线读出和评估

（a）质询器原理框图；

（b）质询器接收到的询问信号和响应信号；

（c）询问距离与响应信号频率之间的关系；

（d）询问距离与响应信号功率的关系；

（e）PWTES力-谐振频率曲线的实验测量；

（f）在1.55N，1.9N，2.25N动态压力下响应信号功率的实验测量。

图五、PWTES的无源无线传感实际演示

（a）PWTES无线探测压力演示装置；

（b）三个小钢球产生的振幅信号；

（c）接收到的Fibonacci序列；

（d）2×2无线矩阵键盘演示装置；

（e）2×2无线矩阵键盘演示。

【小结】

综上所述，研究团队提出了一种新颖的无源无线传感技术和策略——利用一个纯无源的SAWR和一个精心优化的调谐网络来实现TENG的无源无线传感。利用调谐网络作为调制器，将传感信号调制到声表面波的射频响应信号上。其具有调谐网络的SAWR实际上是一个无线应答器，避免了固体电源和有源电子元件。TENG独特的凹凸结构使TENG能够以2.63V/N的灵敏度响应外部动力，并利用凹凸硅橡胶外壳的弹性帮助实现有效的电荷分离和接触作用。此外，作者精心设计了射频质询器和调谐网络，使测量更新率达到12 kHz，通信距离可达2 m，在TENG的0-5V电压范围内，灵敏度为23.75kHz/V。作者还证明了该调谐网络与TENG之间的空间分离可以有效地保护调谐网络不受干扰，从而使传感器的实际应用成为可能。此外，作者还使用压力触发器、信息编码器和2×2无线矩阵键盘演示了PWTES的无线传感。由于测量信号包含在SAWR的反射响应信号中，与以往的无线摩擦电压力传感器不同，作者所报道的传感器不需要外部电源和有源电子元件。因此，作者认为这种PWTES代表了物联网时代无线监测应用的理想无线无源传感器，为物联网时代的小型化、集成化和连续监测无线传感器提供巨大的应用潜力。

文献链接：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）

【团队简介】

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，随着现代工业生产的自动化程度升级和新技术信息时代的变迁，其已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、甚至文物保护等等极其之泛的领域，重庆大学光电工程学院杨进教授团队围绕“高效换能机理和特性”这一核心科学问题，在环境机械能量采集、自供电传感等方面开展了系统的研究工作；团队先后承担了国家自然科学基金重点项目“自供电智能传感器基础及关键技术研究(No.50830202)”、863 计划项目“高端仪器仪表共性关键技术研究(No. 2012AA040602)” 、863 计划项目“ 高精度微小型无源磁场探测装置(No.2007AA12Z132)”、国家重点研发技术项目“基于声光一体化的储存设施监测技术(2016YFC0801202)”等的研究工作；同时还获教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学2等奖1项，重庆市科技进步2等奖1项，重庆市自然科学2/3等奖各1项；共发表SCI检索论文60余篇，其中1区论文20篇（IF均大于10），包括Nature Electronics、Science Advances、Matter、Advanced Materials等，论文他引2000余次。

本文由我亦是行人编译。

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