能量採集(energy harvesting)是一個很重要的議題,因為該技術能催生一系列資料擷取與監測的新選項;我們現在有換能器(transducer)可以擷取並轉換振動、溫度、衝擊以及RF等環境能量,將之轉換為電能,也有IC能有效率地採集並管理這類能量,還有以超低功耗運作的處理器與無線連結。

大多數那些應用也需要一顆微小的電池來儲存採集到的電能,並釋出儲存的能量做為電子元件的運作電源;依據設計以及使用情境,這類能量採集裝置的尺寸可能會相當小──約只有幾公分大,或者更大一點。

筆者看過不少能量採集裝置的設計,很多都十分創新也很有趣;其中有一個我認為特別與眾不同的,是荷蘭恩荷芬理工大學(University of Eindhoven;通常簡稱為TU/e)所開發,利用無線電波供電、號稱「世界最小」的溫度感測器。這是無一款無線溫度感測器,完全藉由來自與其關聯的網路無線電波供電。

這種自供電IC尺寸只有2×2 mm、重量不到2毫克(milligram);如下圖所示。其RF有效距離為2.5公分,研究人員預計一年之內能將之擴展到1公尺,最終則希望達到約5公尺──這是一個遠大目標,因為這能讓RF除了扮演電源角色,也是資料傳輸介面。

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自供電的THz頻段溫度感測器不需要電池或超級電容,能傳輸幾公分之內的溫度讀數
(來源:University of Eindhoven, the Netherlands)

雖然這並不是全新概念,但有兩個有趣的部份;首先在Terahertz (THz)頻段運作,而且能透過變化載波頻率來傳遞溫度感測數值;該技術論文的作者有一份詳細的簡報,題為「利用毫米波傳輸資料與電力的小型溫度感測器」(Small Temperature Sensor Using mm-wave data and power transfer),內容相當豐富,有電路圖、照片以及性能圖表。

新聞稿指出,該感測器有一種專門打造的路由器,配備天線以傳送無線電波為感測器供電;這種感測器內含天線,能從路由器擷取能量。感測器會儲存能量,當能量足夠時感測器就會開啟,量測溫度並傳送一個訊號至路由器;該訊號擁有稍微特別的頻率,取決於所量測到的溫度。路由器則能由該特別的頻率推斷出溫度,如下圖所示。

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感測器內的THz頻率輸出變化與溫度的對比,利用載波位移與溫度的對比;這是大多數工程師會嘗試避免的參數變化
(來源:University of Eindhoven, the Netherlands)

利用這種溫度對頻率模式本身並非新概念,因為V/F (voltage-to-frequenc) A/D轉換器已經存在一段時間,甚至有專門設計以表現這種特定A/D轉換的IC。不過通常這種V/F轉換是在基頻或是非常低的頻率,能利用簡單的計時器(timer)而非THz載波調變,大幅簡化頻率量測。

這麼做似乎有點大膽,因為要量測甚至是基本參數都會是個挑戰;因為操作點(在這個案例中是載波頻率)的溫度偏移,這種方法也會與低溫度係數(temperature coefficient,tempo)的一般需求不符,通常會被認為是一種必須修剪、校正或是在某種程度上被補償的問題。而在這裏卻被用來做為傳遞資訊的一種方式。

這種方法會被廣泛接受嗎?我真的不知道,但我確實覺得這很聰明、值得玩味,也顯示這應該是個熟悉利用THz頻段的好點子,因為它本身同時提供了全新的解決方案途徑,也帶來嚴峻的技術挑戰。

THz頻段有時被稱為次毫米波,介於微波以及紅外線輻射之間,跨越0.3~3THz (0.3THz的較低頻段邊緣也被稱為300GHz,利用更為大眾熟悉的名詞);該頻段在感測情境方面具備龐大潛力,但在實際進展上仍有一些困難(參考IEEE期刊的一篇文章,解釋了這個頻段的一些基礎物理特性、創新潛力,以及在實際應用上的困難)。

你認為像這種THz頻段溫度感測器的自供電感測元件是可行方案嗎?THz頻段是否為下一個準備好成為RF探勘與開採的重要領域?歡迎討論!

編譯:Judith Cheng

(參考原文: A Different Approach to Energy-Harvesting Data Conversion,by Bill Schweber)