無需插頭與電池的自我供電感測器
在智慧家電與物聯網快速發展的時代，感測器成為無數設備的必備元件，為我們的生活提供智能化支持。然而，在偏遠地區或無法頻繁維護的情況下，傳統感測器的能源需求限制了其應用範圍，像是難以配備電力設備，就算安裝電池也需時常更換。自供能感測器的出現為這一難題帶來解決之道，它透過從光、振動和溫差等環境能量中汲取電力，這種感測器無需依賴電池或外部電源，最新研究更引入「冷啟動」和能量管理技術，滿足高效能與環保的雙重需求，為智慧家居和物聯網設備開啟了更可持續的未來。
撰文｜黃鼎鈞
無需電池的未來：自供能感測器的突破性設計
從智慧城市到醫療健康，感測器負責捕捉環境數據並傳送至運算平台，以供分析和決策，成為了科技進步的核心，然而，感測器需要高敏感度來偵測數據，同時也需穩定的能源供應，否則將無法完整捕捉數據，便可能導致系統評估失準甚至決策錯誤，因此，科學家們開始追求一種能「自我充電」的感測器，期望達成一種不需使用電池的感測系統，除了能保持感測器的持續開啟外，也避免了更換電池的繁複步驟，更是減少了對環境的污染，這種感測器被稱為「自我供電感測器」(self-powered sensor)，這種感測器就像是一種「自給自足的小農場」，能從周圍的環境獲取能量，並持續不間斷地運行。
為什麼自供能感測器重要？
想像一下，將感測器放置在偏遠的山區、海底或者高架橋上，這些地方更換電池既耗時、費力又昂貴，甚至可能危及維護人員的安全，自我供電感測器的出現，讓這些感測器可以從周圍環境中獲取能量，像是將光、振動、溫差或磁場等環境能量轉化為電能，例如，太陽能電池板將光能轉為電能，壓電材料捕捉振動的機械能量，進而轉換成電能，而熱電元件則利用溫差產生電流，這些方式不僅減少了對一次性電池的依賴，還讓感測器能在沒有人工干預的情況下長期穩定運行。這種設計猶如設置一座自動汲取環境水分並澆灌作物的農場，農夫不再需要每天挑水澆地，農場便能持續供應作物所需的水分。因此，自我供電感測器成為現代智慧系統不可或缺的一部分。
沒有電池如何啟動感測器？
對於自供能感測器來說，如何在無預存能量的情況下啟動是一大挑戰，這種能力被稱為「冷啟動」（Cold Start），這就像一輛完全沒有油的車子，僅靠周圍環境中的微量能量啟動引擎一樣。在2024年，美國麻省理工學院電機與電腦計算學系提出了一套能源設計管理指南，解決了這一問題，他們的研究主要包含三個關鍵要素，首先是超低功耗比較器，這是一個用於監控電容電壓的元件，只有當電容電壓達到預設的啟動閾值時，系統才會啟動，接著是被動整流電路，透過肖特基二極體將從環境中收集的不穩定交流能量轉換為直流能量，並儲存在電容中，最後是動態邏輯控制，在系統啟動之前，所有高耗能元件都會被禁用，確保有限的能量不會被過早消耗，只有當電壓達到標準後，主動整流器和轉換器才會啟動，為感測器提供穩定的供電，舉例來說，超低功耗比較器就像汽車的油箱表，負責監控目前的油量並決定是否啟動引擎；被動整流電路則像汽油的過濾器，將外部吸取的油一點一滴穩定地注入油箱，直至達到最低啟動油量；動態邏輯控制則確保在油量足夠前，車內的其他零件如電燈不會被開啟以避免浪費能源。
能量增強技術：最大化利用每一份能量
就算啟動了系統，如何有效利用周圍環境中的微弱能量也是一大難題，該團隊提出了一種稱為「最大功率點追蹤」（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的技術，這項技術搭載「傳輸窗口對齊」（Transmission Window Alignment，TWA）的方法，能動態調整感測器的操作條件，使能量收集的過程與環境條件達到最佳匹配的狀態，從而大幅提高能量轉換的效率。想像一下，如果有一個自環境蒐集水份的系統，它能選擇在環境最潮濕的時後才開始進行轉換，以致於能達到最高的轉換效率。
另一方面，一個良好的感測器也需要考量過高的能量輸入，因為過高的能量可能會導致儲能元件的損壞，因此，此研究也設計了一個保護的機制，當電容高過安全的閥值時，系統會暫停能量收集並釋放多餘的電能，直到電壓回到安全的範圍內，這種保護機制相當於在灌溉系統中加入了溢水閥，當水流量過大時，自動暫停供水以防止農田淹水。除了能提高吸取環境能量的效能，並且能保護感測器裝置外，這一個研究還採用了一種「遲滯控制」（hysteretic control）的方法，當感測器中的電容電壓低於某一個數值時，就暫停供電電路，避免系統持續耗能，以確保感測器在關鍵時刻能仍持續運作，透過以上的方法，能使感測器達到一種「智慧管理」，能高自我供電感測器的實際應用潛力。
雖然這項研究已經實現了多項突破，但自我供電感測器的發展仍面臨一些挑戰，目前從環境取得能量的來源，如光、震動或磁場，其能量密度仍較低，難以支持高功耗的感測器應用，且該團隊提出的高效能量管理策略固然有相當的效果，但要設計這樣的電路並且能符合科技設備微縮的發展，仍需要相當昂貴的成本，故此，要使自我供電感測器被廣泛的使用，仍有賴持續研究，以發展出更多不同能量來源的高效率擷取。
相信隨著技術不斷的進步，自我供電感測器將為我們的科技生活發展帶來更多的可能性，而且因為無電池的使用，還能減少對環境的污染與破壞，以達到環境友善的永續目標。
參考文獻
- Monagle, D., Ponce, E. A., & Leeb, S. B. (2023). Rule the joule: An energy management design guide for self-powered sensors. IEEE Sensors Journal.
- Grattieri, M., & Minteer, S. D. (2018). Self-powered biosensors. ACS sensors, 3(1), 44-53.