面向IoT無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的增材制造模塊化平臺

來源：MEMS

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）開發(fā)的一個關鍵功能是實時環(huán)境監(jiān)測，這可以通過無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）來實現(xiàn)。WSN由分布在環(huán)境中的大量傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點向控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡報告。傳感器節(jié)點可以測量很多類型的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照強度、振動以及氣體等。一旦傳感器節(jié)點將相關信息傳送到基站，控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡就會評估這些數(shù)據(jù)，并在必要時采取行動。

WSN在智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能基礎設施、極端環(huán)境監(jiān)測和智能制造等領域都有重要應用。這些系統(tǒng)可以推進的一個更廣泛的目標，是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

要真正實踐WSN，這些傳感器節(jié)點必須體積小、成本低。盡管有許多制造工藝可用于制造WSN節(jié)點，但增材制造是其中特別吸引人的工藝之一。這種技術非常適于構(gòu)建具有多個節(jié)點的WSN，增材制造是制造小型化、低成本設備的可靠且可擴展的方法。增材制造可以快速、低成本地制造原型。由于增材制造涉及沉積材料，而不像減材制造那樣由較大的樣品去除材料，因此可以減少浪費。它還能制造出傳統(tǒng)技術難以制造的定制幾何形狀。

增材制造是一種用途廣泛的技術，已被用于制造可用于WSN傳感節(jié)點的各種組件。增材制造的傳感器可以測量一系列環(huán)境變量，包括壓力、濕度、溫度、食品腐敗、氣體以及鉛含量等。增材制造技術還可以用于制造天線、RFID標簽和射頻反向散射前端系統(tǒng)等。由于這些組件都是單獨開發(fā)的，因此需要進行集成研究，才能在完全增材制造的WSN中獲得實際應用。

這些組件可以執(zhí)行許多不同的功能，因此需要一個整體平臺來整合這些不同的子系統(tǒng)。合適的解決方案必須滿足兩個要求：既要足夠的標準化，使所有傳感器節(jié)點都能使用單一工藝制造；又要有足夠的靈活性，以便為廣泛的應用設計不同的傳感器節(jié)點。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國佐治亞理工學院的研究人員提出了一種WSN集成平臺，提供了一種“即插即用”的方案，能夠利用單一制造工藝選擇并組合不同的增材制造組件。該方案旨在解決當前集成方法的不足。該研究成果已經(jīng)發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該研究為于物聯(lián)網(wǎng)應用提供了一種全集成、全印刷的無線傳感器節(jié)點。本研究制作的概念驗證節(jié)點，其增材制造組件布置于1 cm x 1 cm x 2 cm矩形棱柱的不同面。該概念驗證設計由四個全部采用增材制造工藝的主要組件組成，包括：電阻式溫度傳感器、基帶電路、反向散射前端和天線。研究人員提出將所有這些組件都視為模塊化元件，可以根據(jù)不同的設計目標進行更換，而無需重新設計整個平臺。

鑒于WSN應用的多樣化，這種被稱為“魔方（magic cube）”的平臺展示了顯而易見的優(yōu)勢。創(chuàng)建設備單個組件的步驟與創(chuàng)建完全集成節(jié)點的步驟完全相同。因此，無需開發(fā)新的制造工藝，就能為設備制作新組件的原型。此外，這種方法還可以將設備的多個部分作為一個完全集成的單元直接打印和制造。與以往方法相比，該平臺及其“即插即用”方法可以設計并生產(chǎn)更多種類的傳感器節(jié)點，而且開發(fā)速度更快。

對無線傳感器網(wǎng)絡的需求。（a）無線傳感器網(wǎng)絡的實際應用；（b）模塊化魔方平臺的優(yōu)勢。

“魔方”平臺的制造過程

該平臺為持續(xù)生產(chǎn)全集成、全印刷的無線傳感器節(jié)點打開了大門。要充分利用該平臺的優(yōu)勢，必須使用給定的制造工藝開發(fā)其它組件。這可以包括傳感器、天線、電源以及任何能為設備增加額外功能的組件。特別值得關注的是，用能量收集系統(tǒng)取代太陽能電池，將使設備能夠在沒有足夠光照的環(huán)境中工作。此外，還可以用更復雜的基于微處理器的設計來取代簡單的反向散射前端。這些進一步的發(fā)展，將使本文提出的概念驗證方法轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)上可行且可實施的平臺。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-49130-0