支持傳感器數(shù)據(jù)傳遞的能量采集的特殊方法

能量采集(energy harvesting)是一個(gè)很重要的議題，因?yàn)樵摷夹g(shù)能催生一系列數(shù)據(jù)擷取與監(jiān)測(cè)的新選項(xiàng)；我們現(xiàn)在有換能器(transducer)可以擷取并轉(zhuǎn)換振動(dòng)、溫度、沖擊以及RF等環(huán)境能量，將之轉(zhuǎn)換為電能，也有IC能有效率地采集并管理這類能量，還有以超低功耗運(yùn)作的處理器與無(wú)線連結(jié)。

大多數(shù)那些應(yīng)用也需要一顆微小的電池來(lái)儲(chǔ)存采集到的電能，并釋出儲(chǔ)存的能量做為電子組件的運(yùn)作電源；依據(jù)設(shè)計(jì)以及使用情境，這類能量采集設(shè)備的尺寸可能會(huì)相當(dāng)小──約只有幾公分大，或者更大一點(diǎn)。

筆者看過(guò)不少能量采集設(shè)備的設(shè)計(jì)，很多都十分創(chuàng)新也很有趣；其中有一個(gè)我認(rèn)為特別與眾不同的，是荷蘭恩荷芬理工大學(xué)(University of Eindhoven；通常簡(jiǎn)稱為T(mén)U/e)所開(kāi)發(fā)，利用無(wú)線電波供電、號(hào)稱“世界最小”的溫度傳感器。這是無(wú)一款無(wú)線溫度傳感器，完全藉由來(lái)自與其關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(yù)計(jì)一年之內(nèi)能將之?dāng)U展到1公尺，最終則希望達(dá)到約5公尺──這是一個(gè)遠(yuǎn)大目標(biāo)，因?yàn)檫@能讓RF除了扮演電源角色，也是數(shù)據(jù)傳輸接口。

自供電的THz頻段溫度傳感器不需要電池或超級(jí)電容，能傳輸幾公分之內(nèi)的溫度讀數(shù) （來(lái)源：University of Eindhoven, the Netherlands）

雖然這并不是全新概念，但有兩個(gè)有趣的部份；首先在Terahertz (THz)頻段運(yùn)作，而且能透過(guò)變化載波頻率來(lái)傳遞溫度感測(cè)數(shù)值；該技術(shù)論文的作者有一份詳細(xì)的簡(jiǎn)報(bào)，題為“利用毫米波傳輸數(shù)據(jù)與電力的小型溫度傳感器”(Small Temperature Sensor Using mm-wave data and power transfer)，內(nèi)容相當(dāng)豐富，有電路圖、照片以及性能圖表。

新聞稿指出，該傳感器有一種專門(mén)打造的路由器，配備天線以傳送無(wú)線電波為傳感器供電；這種傳感器內(nèi)含天線，能從路由器擷取能量。傳感器會(huì)儲(chǔ)存能量，當(dāng)能量足夠時(shí)傳感器就會(huì)開(kāi)啟，量測(cè)溫度并傳送一個(gè)信號(hào)至路由器；該信號(hào)擁有稍微特別的頻率，取決于所量測(cè)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。

傳感器內(nèi)的THz頻率輸出變化與溫度的對(duì)比，利用載波位移與溫度的對(duì)比；這是大多數(shù)工程師會(huì)嘗試避免的參數(shù)變化 （來(lái)源：University of Eindhoven, the Netherlands）

利用這種溫度對(duì)頻率模式本身并非新概念，因?yàn)閂/F (voltage-to-frequenc) A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在一段時(shí)間，甚至有專門(mén)設(shè)計(jì)以表現(xiàn)這種特定A/D轉(zhuǎn)換的IC。不過(guò)通常這種V/F轉(zhuǎn)換是在基頻或是非常低的頻率，能利用簡(jiǎn)單的定時(shí)器(timer)而非THz載波調(diào)變，大幅簡(jiǎn)化頻率量測(cè)。

這么做似乎有點(diǎn)大膽，因?yàn)橐繙y(cè)甚至是基本參數(shù)都會(huì)是個(gè)挑戰(zhàn)；因?yàn)椴僮鼽c(diǎn)(在這個(gè)案例中是載波頻率)的溫度偏移，這種方法也會(huì)與低溫度系數(shù)(temperature coefficient，tempo)的一般需求不符，通常會(huì)被認(rèn)為是一種必須修剪、校正或是在某種程度上被補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。而在這里卻被用來(lái)做為傳遞信息的一種方式。

這種方法會(huì)被廣泛接受嗎？我真的不知道，但我確實(shí)覺(jué)得這很聰明、值得玩味，也顯示這應(yīng)該是個(gè)熟悉利用THz頻段的好點(diǎn)子，因?yàn)樗旧硗瑫r(shí)提供了全新的解決方案途徑，也帶來(lái)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

THz頻段有時(shí)被稱為次毫米波，介于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(cè)情境方面具備龐大潛力，但在實(shí)際進(jìn)展上仍有一些困難。