综述：自维持传感系统：能量收集电子中的集成策略与信号-功率匹配

《Advanced Science》：Self-Sustaining Sensing Systems: Integration Strategies and Signal–Power Matching in Energy-Harvesting Electronics

　　

自维持传感系统能够同时收集环境能量并执行实时信号采集，正成为可穿戴电子设备、智能物联网平台和自主边缘系统的关键技术。尽管单个能量收集器和自供电传感器取得了快速进展，但连接器件集成和运行策略的统一框架仍不完善。在本综述中，研究人员提出了用于能量收集器集成传感系统的系统性集成策略和信号-功率匹配原理。首先，根据收集器与传感单元之间的物理和功能关系，将能量收集器集成平台分为三种代表性架构：共封装器件（co-packaged devices）、单片集成器件（monolithically integrated devices）和共功能器件（co-functional devices）。研究人员比较讨论了它们在光伏（photovoltaic, PV）、热电（thermoelectric, TE）、摩擦电（triboelectric, TE）和压电（piezoelectric, PE）系统中的结构特性、运行优势及代表性实现。除了结构集成之外，研究人员进一步根据感知信号和时间特征和收集功率曲线，将运行范式分为始终在线传感（always-on sensing）、事件驱动传感（event-driven sensing）和多模态传感（multi-modal sensing）。该框架阐明了在实际自主系统中，收集的能量如何分配到传感、存储、处理和无线通信路径。最后讨论了向可扩展的自维持智能传感平台发展的关键挑战和未来机遇。

2 能量收集器件：基础与混合化

为实现能够在多样真实环境中连续自主运行的免电池自维持传感平台，需深入理解构成此类系统基础的单个能量收集（energy harvesting, EH）器件。其中，光伏（photovoltaic, PV）电池、热电发生器（thermoelectric generator, TEG）、摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）和压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerator, PENG）通过根本不同的物理机制将不同形式的环境能量转化为电能。PV电池和TEG器件通常在持续光照或温度梯度下提供相对连续的直流（direct current, DC）输出，而TENG和PENG器件通常在机械激励下产生间歇性或脉冲状的交流（alternating current, AC）输出。这些差异影响了在将收集的输出传递到传感系统之前对电压调节、阻抗匹配、整流和能量存储的要求。每种器件固有地局限于特定形式的环境能量，这限制了其在可用能源持续变化的现实环境中的适用性。

2.1 混合能量收集器件

单一来源的EH系统在波动的现实条件下存在根本局限性。为解决此问题，开发了集成两种或多种互补转换机制的混合器件，主要分为机械-PV、机械-热和热-PV配置。热+PV混合系统利用太阳能电池和TEG的互补光谱响应，在不同光照条件下支持发电。机械+热混合系统适用于可穿戴电子设备和基础设施监测，其中机械能和热能共存。机械+PV混合系统通过共享电极或多层设计同时收集机械能和太阳能。这些混合EH系统表明，将互补转换机制集成到单个器件平台中是克服单源方法输出不连续性的可行策略。关键设计原则是精心设计结构或材料层面的接口，使每种转换机制能以最小相互干扰独立运行。

3 能量收集器-传感器集成方法

EH单元与传感能力的集成是实现全自主无线监测系统的关键一步。输入能量来源分为生物和环境两大类。基于EH单元与传感单元的物理和功能关系，定义了三种架构：共封装器件（co-packaged devices），即独立制造且功能不同的EH和传感单元组装在共享封装内，保持独立优化和模块化可配置性；单片集成器件（monolithically integrated devices），即两个单元在共享衬底上或通过兼容工艺形成，同时保留不同的能量转换和传感功能，缩短内部电路路径；共功能器件（co-functional devices），即同一有源组件或换能通路参与能量转换和传感，允许目标刺激调制产生的电输出。

3.1 共封装器件

共封装器件通过模块化组装集成能量收集、传感、电源管理、存储和读出单元。每个单元仍是独立的功能块，允许平台组合异构组件。该架构的优势在于当收集器、电源调理电路和传感/读出模块在不同的电气要求下运行时变得明显。例如，体热供电的可穿戴热电系统结合了柔性TEG、能量管理电子设备和传感器/蓝牙低功耗（Bluetooth low energy, BLE）模块。对于汗液分析，压电收集器依赖于重复变形，而微流控汗液传感器需要适形皮肤接触和稳定的汗液收集，共封装允许两者分别优化。此外，当系统中组件具有不同寿命和更换周期时，共封装也很有用，例如光伏驱动的自主生物传感器将可重复使用的能量和读出模块与一次性汗液传感贴片物理分离。

3.2 单片集成器件

单片集成器件代表一种器件级架构，其中能量收集和传感单元在同一衬底上或通过兼容工艺形成。与共封装系统相比，单片集成减少了收集和传感单元之间的物理距离和电路路径。缩短的路径可降低寄生电阻、电容、信号损耗和响应延迟。例如，AlGaN/GaN基光伏-光电探测器集成电路将光伏单元、肖特基型光电探测器单元和负载电阻集成在单个衬底上，光伏单元产生的光电压直接偏置光电探测器，消除了外部电源需求。有机太阳能电池（organic solar cell, OSC）和有机电化学晶体管（organic electrochemical transistor, OECT）传感器被制造在同一柔性衬底上，OSC被配置为提供OECT操作所需的精确栅极和漏极偏置，实现内置电气匹配。当收集的输入随时间波动时，将能量存储集成到同一平台有助于缓冲生成的能量，形成收集-存储-传感链以实现稳定传感器运行，如集成了钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cell, PSC）、MnO₂基微型超级电容器（micro-supercapacitor, MnSC）和石墨烯纳米片气体传感器（graphene nanoplatelet-based gas sensor, GnSR）的三合一NO₂传感系统所示。

3.3 共功能器件

共功能器件是最紧凑的集成策略，单个有源组件同时执行EH和传感，无需专用传感层。能量收集器本身对环境变化作出响应并生成携带感官信息的可区分电信号。其工作流程为：在基线条件下，器件持续将环境能量转换为稳定电输出；当目标刺激进入能量转换路径时，直接调制此基线电响应；调制后的信号由检测单元处理以提取目标信息。该设计提供四个优势：消除单独传感层减小厚度和重量；传感信号源自能量转换过程的变化，本底噪声低；实现真正自供电运行；减少组件数量和互连复杂性。文中展示了基于PV、TEG、TENG和PENG的共功能器件实例，如钙钛矿发光二极管阵列、柔性光热电探测器、聚苯胺基TENG用于NH₃气体传感，以及自粘合晶体增强多层纳米薄膜PENG用于弯曲和足底压力传感。