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不止于微型化与低功耗,传感器向无源化继续发展

2021-10-27

电子发烧友网报道(文/李宁远)全球的传感器市场在一波又一波的技术工艺革新,需求升级中呈现出了快速增长的趋势。尤其物联网概念兴起的今天,将传感器在现有基础上又推向了新的应用方向。在目前的传感器行业中,越来越多的企业开始进入MEMS工艺,AI结合等关键领域,开始向智能化,微型化,低功耗等方面发展。

抛开智能化这个宽泛的概念,微型低耗其实是不仅存在于传感器行业,对器件而言都较为普适的发展方向,而今天要聊的话题则是较新的传感器无源化发展方向。

无源传感器也称为能量转换型传感器,最明显的特征就是它不需要外部电源,即不需要使用外来接电源的传感器且可以通过外部获取到能源的感应传感器。对电子产品来说,电源就是动力。尤其对于传感器这类产品来说,电源技术对产品的稳定性、可靠性、寿命都有密切的关联,传感器节点的供电问题一直是系统设计中的重点。在传感器集成度越来越高的情况下,无源化可以从根本上解决传统解决方案的供电问题。

传统能量收集方式

传统的节点能量收集一般围绕振动,应变,温度和光来做文章。以高温高压环境为例,传感器在此环境中一般有热电式、压电式和电磁式来实现能量收集。压电式和电磁式都是收集振动能量,热电式收集的是温差能量。

以HBM传感器为例。作为行业内力传感器方面的专家,HBM在无源的应用上一直都领先于同行。


(无源C2传感系列,HBM)

C2是通过压电式来收集能量的膜片传感器,利用电气元件和其他机械通过震动式的韵律把待测的压力转换成为电量,再进行相关测量工作,一般应用在动态测量中。这一类的无源传感器首先在使用寿命上就明显长于有源类传感器。同时由于省去了节点内部供电电流,在结构上更为紧凑。

传统的环境能量采集通常面临电量微弱的特点,随着模拟半导体技术的进步越来越多的能量采集解决方案实现了高效率的电源管理。ADI针对传感器无源化发展中电量微弱的需求,设计了多种面向能量收集应用的超低功率 IC,对来自振动能源 (压电)、光伏能源 (太阳能) 和热能源 (TEC、TEG、热电堆、热电偶) 的能量进行转换的电源管理产品提供高效率转换至稳压电压。


(能量采集管理芯片,ADI)

ADP5091是一款智能集成式能量采集纳米电源管理解决方案,可转换来自热电发生器(TEG)的直流电源。该芯片可以提供有限采集能量(从16 μW到600 mW范围)的高效转换,工作损耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路,调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后,调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。

作为应用特别便利、对环境条件要求低的温差发电技术,ADI已有的能量采集IC能实现把20毫伏的微弱电压升到3.3伏,并还能继续提高。ADI在能量采集上的持续突破也让无源传感器满足了更多的用武之地。

NFC推进传感器无源化发展

在物联网传感器应用上,还有一个区别于传统能量采集的方式,那就是NFC(近场通信)技术。随着5G的发展,物联网传感器将会有有很多场景与NFC无源化技术匹配。

NFC近场通信技术能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。一个NFC功能的传感器可以实现很多便利的功能。首先,它不需要外部电源,因为传感器接口工作在从NFC读取器输入的RF发射中获得的能量上。其次,该传感器能迅速对主机设备进行响应。同时传感器获取的数据添加到标签上不会改变通信的基本方法,这样可以从传感器中读取唯一的数据。

无源模式下,传感器通过NFC从传入的射频辐射功率传感器接口和射频传输获取能量,传感器数据存储在非易失性存储器中,在不供电时得以保留。

在国内,不少NFC厂商开始利用该技术结合传感器应用,让传感器的无源化又进了一步。

比如启纬智芯旗下的TurboNFC技术可以高效的采集NFC信号中包含的射频能量,并将此能量转换为可供物联网传感器的能量。


(TurboNFC,启纬智芯)

TurboNFC无线取电即允许芯片从手机发射出的信号中高效率获取电能。从官方的数据上看TurboNFC取电的能力最高在300mW,属于较高的行业取电水平。取电能力的高低直接影响了与无源传感器交互的距离与流畅度。配合具有NFC接口的智能手机作为主动接口时以300mW电能理论上来说已经可以相对轻松地驱动一些传感器了。

当然这只是理论,实际应用要求肯定会更严苛,因此基于NFC的无源传感器的应用目前还没有到普及阶段。但从目前不少案例中已经可以看到该方案在可行性上没有问题。

小结

随着5G的发展以及NFC取电能力的提升,可以预见,在传感器领域,尤其是物联网应用向的传感器,基于NFC的取电技术将又一次推动传感器无源技术的应用。

来源:电子发烧友网