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    能量收集也瘋狂,未來Wi-Fi可以為電子產品供電

    2019-01-30 17:02:02 來源:EEFOCUS
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    麻省理工的團隊開發了一款靈活的設備,可以將能量從WiFi信號轉化為給電子設備供電的電壓。將交流電磁波轉換為直流電的設備稱為“整流天線”。研究人員展示了一種新型的整流天線,它使用靈活的射頻(RF)天線捕獲電磁波,包括這些攜帶WiFi的作為交流波形的電磁波。


    然后將天線連接到由幾個原子厚度的半導體制成的新型器件。交流信號進入半導體,半導體將其轉換為直流電壓,可以給電路或者電池供電。


    通過這種方式,無電池設備被動地捕獲普遍存在的Wi-Fi信號,轉換成有用的直流電源。此外,該設備是靈活的,并且可以以roll-to-roll的工藝覆蓋非常大的區域。

     

     

    圖片來源:Christine Daniloff

     

    “我們是否能夠開發出一種電子系統,圍繞橋梁,覆蓋整個高速公路或者我們辦公室的墻,為我們周圍的一切帶來電子情報?你如何給這些電子設備供電?”該文章的共同作者TomásPalacios,是電氣工程和計算機科學系的教授,在微系統技術實驗室中擔任MIT / MTL石墨烯設備和2D系統中心主任。他表示, “我們已經提出了一種新方法給未來的電子設備供電—通過以易于集成在大面積的方法收集Wi-Fi能量—讓我們周圍的每個物體變得智能。”


    整流天線的早期應用前景包括為物聯網的靈活可穿戴設備、醫療設備和傳感器供電。在實驗中,當研究人員的設備暴露在Wi-Fi信號的典型的功率水平(大約150微瓦)時,可以生產大約40微瓦電量,這足以點亮一盞簡單的移動顯示器或硅芯片。


    聯合作者,Madrid大學的研究員Jesús Grajal表示,“其它可能的應用程序是為植入式醫療設備的數據通信供電。”例如,研究人員開始研發患者可以吞咽的藥片,并將健康數據返回計算機進行診斷。


    “理想情況下,你不想使用電池給這些系統供電,因為如果他們泄漏鋰,病人會致死。”Grajal表示,“最好能夠從環境中收集能量,為這些內置體內的小型設備供電,并與外部計算機進行數據通信。”


    所有的整流天線都依賴于一個叫做“整流器”的元件,它可將交流輸入信號轉換為直流電壓。傳統的整流天線使用硅或者砷化鎵作為整流器。這些材料可以覆蓋Wi-Fi頻段,但是他們很僵硬。盡管使用這些材料制造小型設備相對便宜,但是如果使用他們覆蓋大面積的區域,比如建筑或者墻的表面,成本就過高。長期以來,研究人員一直試圖修復這些問題。但是到目前為止,少數靈活的整流天線在低頻下工作,不能捕捉并轉換GHZ的信號,大部分相關的手機和Wi-Fi信號也是如此。


    為了構建他們的整流器,研究人員使用了一種叫做二硫化鉬(MoS2)的2D材料,它的三原子厚度是世界上最薄的半導體之一。這樣做時,該團隊利用MoS2的單一行為:當暴露某些化學物質時,材料的原子以一種像開關一樣的方式重新排列,迫使其相位從半導體轉換為金屬材料。這種結構稱為肖特基二極管,它是半導體和金屬的結。


    “通過將MoS2設計成2D的半導體金屬相結,我們構建了一個原子級薄的超級快肖特基二極管,同時最大限度地減小了串聯電阻和寄生電容。”論文的第一作者和EECS博士Xu Zhang說,他將很快加入卡內基梅隆大學擔任助理教授。


    寄生電容在電子設備中是不可避免的情況,其中某些材料存儲少量電荷,它減慢了電路的速度。因此,較低的電容意味著整理器速度的提高和較高的工作效率。研究人員的肖特基二極管的寄生電容比現有的最先進的柔性整流器小一個數量級,因此信號轉換速度更快,可以捕獲和轉換高達10GHz的無線信號。


    張先生說,“這樣的設計使得一個完全靈活的設備能夠快速覆蓋我們日常電子設備所使用的大多數無線電頻段,包括Wi-Fi、藍牙、LTE等。”


    該方案為其它靈活的Wi-Fi轉換到電子設備提供了藍圖,具有客觀的輸出和效率。根據Wi-Fi輸入的輸入功率,當前設備的最大輸出效率為40%。在普通的Wi-Fi功率水平下,MoS2整流器的功率效率約是30%。現如今最好的硅和砷化鎵整流器天線由剛性、更昂貴的硅或者砷化鎵制成,達到了50-60%。

     

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