全球的傳感器市場(chǎng)在一波又一波的技術(shù)工藝革新，需求升級(jí)中呈現(xiàn)出了快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。尤其物聯(lián)網(wǎng)概念興起的今天，將傳感器在現(xiàn)有基礎(chǔ)上又推向了新的應(yīng)用方向。在目前的傳感器行業(yè)中，越來越多的企業(yè)開始進(jìn)入MEMS工藝，AI結(jié)合等關(guān)鍵領(lǐng)域，開始向智能化，微型化，低功耗等方面發(fā)展。

拋開智能化這個(gè)寬泛的概念，微型低耗其實(shí)是不僅存在于傳感器行業(yè)，對(duì)器件而言都較為普適的發(fā)展方向，而今天要聊的話題則是較新的傳感器無源化發(fā)展方向。

無源傳感器也稱為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，最明顯的特征就是它不需要外部電源，即不需要使用外來接電源的傳感器且可以通過外部獲取到能源的感應(yīng)傳感器。對(duì)電子產(chǎn)品來說，電源就是動(dòng)力。尤其對(duì)于傳感器這類產(chǎn)品來說，電源技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、壽命都有密切的關(guān)聯(lián)，傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。在傳感器集成度越來越高的情況下，無源化可以從根本上解決傳統(tǒng)解決方案的供電問題。

傳統(tǒng)能量收集方式

傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)能量收集一般圍繞振動(dòng)，應(yīng)變，溫度和光來做文章。以高溫高壓環(huán)境為例，傳感器在此環(huán)境中一般有熱電式、壓電式和電磁式來實(shí)現(xiàn)能量收集。壓電式和電磁式都是收集振動(dòng)能量，熱電式收集的是溫差能量。

以HBM傳感器為例。作為行業(yè)內(nèi)力傳感器方面的專家，HBM在無源的應(yīng)用上一直都領(lǐng)先于同行。

　　（無源C2傳感系列，HBM）

C2是通過壓電式來收集能量的膜片傳感器，利用電氣元件和其他機(jī)械通過震動(dòng)式的韻律把待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成為電量，再進(jìn)行相關(guān)測(cè)量工作，一般應(yīng)用在動(dòng)態(tài)測(cè)量中。這一類的無源傳感器首先在使用壽命上就明顯長(zhǎng)于有源類傳感器。同時(shí)由于省去了節(jié)點(diǎn)內(nèi)部供電電流，在結(jié)構(gòu)上更為緊湊。

傳統(tǒng)的環(huán)境能量采集通常面臨電量微弱的特點(diǎn)，隨著模擬半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步越來越多的能量采集解決方案實(shí)現(xiàn)了高效率的電源管理。ADI針對(duì)傳感器無源化發(fā)展中電量微弱的需求，設(shè)計(jì)了多種面向能量收集應(yīng)用的超低功率 IC，對(duì)來自振動(dòng)能源 (壓電)、光伏能源 (太陽能) 和熱能源 (TEC、TEG、熱電堆、熱電偶) 的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電源管理產(chǎn)品提供高效率轉(zhuǎn)換至穩(wěn)壓電壓。

　　（能量采集管理芯片，ADI）

ADP5091是一款智能集成式能量采集納米電源管理解決方案，可轉(zhuǎn)換來自熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。該芯片可以提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級(jí)別。 利用內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。 冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。

作為應(yīng)用特別便利、對(duì)環(huán)境條件要求低的溫差發(fā)電技術(shù)，ADI已有的能量采集IC能實(shí)現(xiàn)把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏，并還能繼續(xù)提高。ADI在能量采集上的持續(xù)突破也讓無源傳感器滿足了更多的用武之地。

NFC推進(jìn)傳感器無源化發(fā)展

在物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用上，還有一個(gè)區(qū)別于傳統(tǒng)能量采集的方式，那就是NFC（近場(chǎng)通信）技術(shù)。隨著5G的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)傳感器將會(huì)有有很多場(chǎng)景與NFC無源化技術(shù)匹配。

NFC近場(chǎng)通信技術(shù)能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。一個(gè)NFC功能的傳感器可以實(shí)現(xiàn)很多便利的功能。首先，它不需要外部電源，因?yàn)閭鞲衅鹘涌诠ぷ髟趶腘FC讀取器輸入的RF發(fā)射中獲得的能量上。其次，該傳感器能迅速對(duì)主機(jī)設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí)傳感器獲取的數(shù)據(jù)添加到標(biāo)簽上不會(huì)改變通信的基本方法，這樣可以從傳感器中讀取唯一的數(shù)據(jù)。

無源模式下，傳感器通過NFC從傳入的射頻輻射功率傳感器接口和射頻傳輸獲取能量，傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，在不供電時(shí)得以保留。

在國(guó)內(nèi)，不少NFC廠商開始利用該技術(shù)結(jié)合傳感器應(yīng)用，讓傳感器的無源化又進(jìn)了一步。

比如啟緯智芯旗下的TurboNFC技術(shù)可以高效的采集NFC信號(hào)中包含的射頻能量，并將此能量轉(zhuǎn)換為可供物聯(lián)網(wǎng)傳感器的能量。

　?。═urboNFC，啟緯智芯）

TurboNFC無線取電即允許芯片從手機(jī)發(fā)射出的信號(hào)中高效率獲取電能。從官方的數(shù)據(jù)上看TurboNFC取電的能力最高在300mW，屬于較高的行業(yè)取電水平。取電能力的高低直接影響了與無源傳感器交互的距離與流暢度。配合具有NFC接口的智能手機(jī)作為主動(dòng)接口時(shí)以300mW電能理論上來說已經(jīng)可以相對(duì)輕松地驅(qū)動(dòng)一些傳感器了。

當(dāng)然這只是理論，實(shí)際應(yīng)用要求肯定會(huì)更嚴(yán)苛，因此基于NFC的無源傳感器的應(yīng)用目前還沒有到普及階段。但從目前不少案例中已經(jīng)可以看到該方案在可行性上沒有問題。

小結(jié)

隨著5G的發(fā)展以及NFC取電能力的提升，可以預(yù)見，在傳感器領(lǐng)域，尤其是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向的傳感器，基于NFC的取電技術(shù)將又一次推動(dòng)傳感器無源技術(shù)的應(yīng)用。