近期，程纲教授课题组与合作者的研究成果“A real-time, self-powered wireless pressure sensing system with efficient coupling energy harvester, sensing, and communication modules”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.8, JCR一区)上发表。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109533

物联网（IoT）等的新一代信息技术的发展需要自驱动无线传感系统。这些传感系统可以收集各种物理信息，且其中的传感器具有小型、高度集成、无线移动和功能智能等特点，为其提供稳定可靠的电能成为亟待解决的问题。开发可以从环境中收集能量并转化为电能的新技术是一种可行的解决方案。摩擦纳米发电机（TENG）可以从周围的环境中收集各种形式的机械能，如风能，水流，机械振动和人体运动等并高效地转化为电能。TENG具有结构简单、成本低、材料来源广泛、低频下能量转换效率高等优势。目前，TENG的最高瞬时功率密度已达10 MW/m²，电源管理策略不断优化，以及几种基于TENG的无线能量传输方案的提出，表明TENG有潜力驱动无线传感系统，实现自驱动无线传感。

研究人员发展了多种自驱动无线传感系统（SP-WSS）。首先，通过电源管理电路将TENG的输出能量存储在能量存储模块中，并为无线传感模块提供稳定的电源。这种SP-WSS包含能量收集、电源管理、电压转换、传感、数据处理和无线通信等模块，具有较高的传感精度和无线传输距离。但所有模块都由TENG供电，复杂的能量转化和信号处理过程导致能量效率很低，系统的休眠时间很长。

其次，将TENG的输出能量耦合到具有传感功能的谐振电路，通过LC谐振电路实现数据的无线发射和接受。这种全自驱动的无线传感系统具有简单高效、低成本和数据实时传输等优点。为了提高能量利用效率，必须解决TENG和LC谐振电路之间的阻抗失配问题。目前的方式是引入机械触发开关或电子开关。但是，在机械触发开关闭合过程中，开关的电极间不可避免的会发生空气击穿，导致TENG的输出不规则，在LC谐振信号中引入高频干扰信号，且导致TENG输出能量的浪费和较小的无线传输距离。电子开关可以实现类似的功能，但电子开关的引入导致了更复杂的电路。切换速度受响应或恢复速度最慢的器件的限制。此外，电子开关的寄生电容限制了传感信号的振荡频率。因此，信号只能在较低的频率范围内工作，进一步优化是非常困难和昂贵的。简而言之，有限的振荡频率和较差的信号质量限制了电磁波的辐射能力，导致无线传输范围受到限制。

图  高效耦合能量采集、传感和无线发射模块的实时自驱动无线压力传感系统

在本工作中，通过能量采集、传感和通信模块之间的高效耦合，简化了SP-WSS的结构，降低了实时传感的功耗。首先，通过电容式压力传感器和电感线圈组成的LC电路将传感和通信耦合，使传感-通信周期的能量降低到9 μJ，在1 Hz的工作频率下，SP-WSS可以每27 ms发送一次信号。然后，传感LC电路由TENG直接触发，使用摩擦电等离子体作为开关。由于摩擦电等离子体的超快开关特性(13.2 ns)，通信频率可达72.55 MHz，实现实时压力传感。通过摩擦电等离子体降低TENG的等效阻抗，实现与LC电路的阻抗匹配，使能量转换效率达到56%，在峰峰电压(Vp-p)为3 V的情况下，使信号传输距离达到40 m。这些结果是SP-WSS的新记录。最后，将光电探测器集成到电路中，展示了系统对光强和压力的协同传感能力。本文提出了一种可行的实时SP-WSS方案，将极大地促进SP-WSS的实际应用。

河南大学硕士研究生王庭豫和王聪为论文的共同第一作者，河南大学顾广钦副教授、重庆大学王雪教授和河南大学程纲教授为本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、重庆市自然科学基金、重庆市研究生科研创新基金和河南大学的经费支持。