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感測器/MEMS  

能量採集技術瞄準可穿戴應用

上網時間: 2015年04月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:能量採集  感測器  可穿戴式  生物電子  供電 

美國北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)的研究人員正利用奈米技術,為超低功耗感測器打造能量採集與儲存裝置,這項獲得美國聯邦政府資金贊助的研究案,目標是實現不需電池、以人體發電的可穿戴式健康監測裝置。

北卡羅來納州立大學旗下的整合式感測器技術先進自供電系統中心(The Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors Technologies,ASSIST)正在開發兩種感測器:一是用於生物電子、生物化學以及聲學監測的非侵入式健康感測器,另外一種則是量測氣體、顆粒物質以及溫度的環境感測器;研究的目標是針對環境如何導致生理訊號的改變收集更精確的資料,以及開發多模式能量採集裝置。

ASSIST的產業聯絡窗口Tom Snyder曾在今年初的國際消費性電子展(CES)上,展示了一款氣喘監測器(點此連結看YouTube視訊),是透過使用者的呼吸來啟動與供電:「如果我們知道暴露在臭氧中,監測心電圖(EKG)以及知道身體的運動──氣喘的是可以在發生的24小時以前被預測到的;」他表示,目前這些原則正在進行研究。

那些可穿戴感測器必須要是小型化、低功耗,而且定期進行資料傳輸;為此ASSIST與其研發夥伴正在開發多模能量裝置,結合例如熱電(thermoelectric)以及動能(kinetic energy)等元素。而ASSIST將在下個月舉行的年度成果檢閱上,展示一款臂帶式EKG監測裝置,能利用熱電能量無線傳輸資料到一個收集器。

「如果我們要做縱向的長期研究,我們不會希望資料收集中斷;因此如果你能找到一種自供電的方式,就能收集到更多、更完整且持續的資料;」Snyder指出,當可穿戴式裝置變得常見,電力會是一個很大的問題:「購買那類裝置的人們會使用一段時間,然後它們在六個月之內有大部分最後會被丟在抽屜裡或是被拋棄,就是因為與電池相關的麻煩。」

熱電材料是導電的,但能隔熱;如臂帶式裝置的案例是將體溫轉成電力;如果材料的某一面溫度比貼著皮膚的那一面低,溫度差就能驅動電壓用以收集能量。ASSIST的團隊也在針對軟性、奈米級材料研究新的熱同步(heat syncing)技術,例如具備可拉伸電極,能更貼合於皮膚或從人體汲取更多的熱。

 ASSIST 開發以熱能轉成電能的健康感測器
ASSIST 開發以熱能轉成電能的健康感測器

此外ASSIST採用壓電材料採集動能,目標是在非常低的電壓下運作;Snyder指出,Seiko的動能手錶是在內部有一個重量,能轉動馬達來產生電流與電力──ASSIST希望能利用此原則,在壓電元件加上一個重量,來採集旋轉或運動產生的能量。

Snyder表示,以上兩種能量採集方法都有實際應用、也能降低能源成本;舉例來說,醫療專業人員可用能量採集器來監測EKG或血糖值,而以動能採集為主的裝置則能利用在資產追蹤或是運輸等對於監測產品震動有幫助的地方。

ASSIST打算開發一個完整的系統,需求的電力低於1mW (milliwatt);Snyder表示:「最好是只有幾微瓦(microwatts),然後我們就能採集足夠的能量,讓外觀非常小型化的系統能持續運作。」他有信心假以時日,能量採集技術甚至能收集到比需求量更多的電能,例如賓州大學正在進行研發的超級電容,是傳統電容與鋰離子電池的混合體:「那些超級電容具備創世界紀錄的能量密度以及低洩漏電流。」

另外 ASSIST 也正在與密西根大學(University of Michigan)合作開發一種客製化射頻裝置,目標是讓其耗電量比藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)技術低一千倍;目前研究人員正在測試各種可能的低功耗技術,包括射頻、感測器與其他硬體。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Energy Harvesters Power Wearables,by Jessica Lipsky)





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