美阿两校团队用环境辐射驱动石墨烯无电池温度传感器

阿肯色大学和密歇根大学的研究人员报告称，他们创造了一种基于石墨烯的能量收集器，可利用环境辐射来运行超低功耗温度传感器。这是该团队创造的第二个传感器，其总体目标是开发从环境中的多种来源（太阳能、热能、声能、动能、非线性能量和环境辐射）获取能量的自主传感器系统。

该团队此前曾报告成功开发出可用于为温度传感器供电的基于石墨烯的太阳能电池。

该团队对这些传感器有三项要求：它们必须使用本地收集的能量，必须具有较长的无人值守使用寿命（可能长达数十年），并且必须能够在纳瓦级功率下运行。在最新利用环境辐射的传感器中，这三项要求均已满足。

阿肯色大学材料科学与工程项目的博士生MD Rezaul Kabir是这篇论文的第一作者，但石墨烯能量收集器是阿肯色大学物理学教授Paul Thibado的发明，他十多年前就开始研究石墨烯的独特性质，并且是通讯作者。

Thibado指出，环境辐射在现代生活中无处不在，尤其是来自我们家中电线的辐射（不过穿行于墙壁中的电线可以更好地布置，以利用这种废弃辐射）。Thibado团队创建的温度传感器系统聚焦于美国常用的标准60赫兹电频率。该传感器使用石墨烯电感器从这些电力线产生的磁场中收集能量。电感器的信号馈入一个定制电路，该电路将交流信号转换为直流电，为传感器中的电容器充电。

“电感器以缓慢的速率向这些电容器添加电荷，”Thibado解释说，“但这比传感器消耗电容器电荷的速率要快。因此，即使停电了，它仍然可以从电容器中提取电荷。按照我们的设置方式，它可以轻松持续24小时——甚至可能一周。”

虽然Thibado的研究团队正在将温度传感器作为概念验证，但Thibado设想了一系列长寿命、低功耗传感器的广泛用途，例如产品追踪、大气监测、物流车队管理、土壤和可穿戴健身监测以及医疗追踪，这只是他看到商业机会的少数细分领域。

由于这些传感器不需要电池，你可以“设置后就不用管了”，正如Thibado所解释的那样，这降低了更换旧电池相关的成本、工作量和浪费。

最终目标是开发多模态（利用上述一种以上电源）传感器，利用石墨烯的能量收集能力，这种传感器可以持续数十年，并帮助实现物联网，即智能技术真正融入日常生活的方方面面。因此，一个传感器可以从环境辐射和运动中收集能量，在其中一个来源中断时（例如停电）提供备用电源。

该论文发表在《Journal of Vacuum Science and Technology B》上。来自阿肯色大学的合著者包括Ashadsuzzaman、Tamzeed Bani Amin、Jim Magnum和S.M. Rahman，均为博士生。来自密歇根大学的合著者包括Hung Do、Gordon Carichner和David Blaauw，后者是电气工程与计算机科学教授，专攻低功耗无线传感器和嵌入式系统。

专注于纳米技术的NTS Innovations公司拥有将石墨烯能量收集器开发为商业产品的独家许可。该公司为专利申请、制定商业计划、寻找商业伙伴和客户发掘提供了资金。

NTS Innovations在资助期间的作用是与客户就验收标准进行接触，例如产品中所需的最低功率水平。目前，已有60多家机构表示有兴趣测试该技术，并与Thibado及其同事合作将其集成到他们的应用中。

Paul Thibado，物理学教授 物理系 479-575-7932, thibado@uark.edu Hardin Young，研究传播助理主任 大学关系部 479-575-6850, hyoung@uark.edu