Advanced Science:基于仿生摩擦纳米发电机的超低静态功耗的自唤醒技术

随着信息时代的到来,微机电系统与微电子技术相结合的智能微系统已经成为全球研究的热点。它集成了传感器、执行器、信号采集器、数据处理器和控制电路,可用于无人区监测、基础设施监控和物联网等领域。为了提高传感器网络在电池无法更换场合的使用寿命,“N-Zero”的概念便被提出了,即,唤醒系统以超低静态功耗100%感知环境,并利用信号中的能量来激活系统内部的信息处理电路。然而,目前的相关研究仍然面临如下问题:首先,大多数常见的传感器都需要电源供电,使得能耗压力大;其次,目前唤醒系统中感知机械扰动的传感器通常需要在大幅度振动时才能产生足够大的电压来唤醒电路;再次,现有的用于唤醒系统的传感器的制造过程通常是复杂和昂贵的。为了进一步降低静态功耗,一种可能的解决方案是将低功耗传感器替换为无需系统供电即可工作的自供电传感器;同时提高唤醒系统的唤醒范围和对轻微机械动作的检测灵敏性。因此需要开发在轻微接触甚至不接触的情况下也能够产生足够大的电压进而触发唤醒电路的新型传感器。此外,从经济性和大规模生产的角度来看,具有简单制造工艺的传感器也有很大的吸引力。

清华大学精密仪器系智能微系统实验室王晓峰教授和中山大学材料科学与工程学院的衣芳教授及其合作者们通过将具有植物仿生结构的摩擦纳米发电机应用于唤醒系统中,研究出了一个具有超低功耗的入侵监测预警系统。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000254)上。

这项工作提供了一个具有低静态功耗和大唤醒范围的唤醒系统,能够克服在传感器网络中持续感知的功率限制。这种方法是通过在唤醒系统中加入作为自供电传感器的仿生植物摩擦纳米发电机(bTENG)来实现的。它可以捕捉微小的外部机械干扰,克服了传统的唤醒电路中只有在自供电传感器上施加相当大的压力时才能触发电路的这一缺点。增加了叶状触须结构的仿生植物bTENG与没有触须结构的TENG相比,其电压输出增加了4倍,使得在轻微接触甚至不接触的情况下都能触发唤醒系统。设计了与bTENG自供电传感器兼容的唤醒电路,该唤醒电路的应用可以将电池寿命延长12.4倍,从而大大延长了整个无线传感网络系统的使用寿命。这项工作中还利用上述低功耗自唤醒系统,建立了一个利用音频特征提取和机器学习的方法来判断场景类型的入侵检测系统。这项工作为自唤醒技术开辟了新的视野,并为持续感知提供了新的方法,它可以在环境监测、危险事件探测、边界监测和重点基础设施保护等领域有广泛的应用。