能量收集也瘋狂，未來(lái)Wi-Fi可以為電子產(chǎn)品供電

麻省理工的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款靈活的設(shè)備，可以將能量從 WiFi 信號(hào)轉(zhuǎn)化為給電子設(shè)備供電的電壓。將交流電磁波轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備稱(chēng)為“整流天線(xiàn)”。研究人員展示了一種新型的整流天線(xiàn)，它使用靈活的射頻（RF）天線(xiàn)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(xiàn)連接到由幾個(gè)原子厚度的半導(dǎo)體制成的新型器件。交流信號(hào)進(jìn)入半導(dǎo)體，半導(dǎo)體將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，可以給電路或者電池供電。

通過(guò)這種方式，無(wú)電池設(shè)備被動(dòng)地捕獲普遍存在的 Wi-Fi 信號(hào)，轉(zhuǎn)換成有用的直流電源。此外，該設(shè)備是靈活的，并且可以以 roll-to-roll 的工藝覆蓋非常大的區(qū)域。

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圖片來(lái)源：Christine Daniloff

“我們是否能夠開(kāi)發(fā)出一種電子系統(tǒng)，圍繞橋梁，覆蓋整個(gè)高速公路或者我們辦公室的墻，為我們周?chē)囊磺袔?lái)電子情報(bào)？你如何給這些電子設(shè)備供電？”該文章的共同作者 TomásPalacios，是電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的教授，在微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室中擔(dān)任 MIT / MTL 石墨烯設(shè)備和 2D 系統(tǒng)中心主任。他表示， “我們已經(jīng)提出了一種新方法給未來(lái)的電子設(shè)備供電—通過(guò)以易于集成在大面積的方法收集 Wi-Fi 能量—讓我們周?chē)拿總€(gè)物體變得智能?！?/p>

整流天線(xiàn)的早期應(yīng)用前景包括為物聯(lián)網(wǎng)的靈活可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和傳感器供電。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)研究人員的設(shè)備暴露在 Wi-Fi 信號(hào)的典型的功率水平（大約 150 微瓦）時(shí)，可以生產(chǎn)大約 40 微瓦電量，這足以點(diǎn)亮一盞簡(jiǎn)單的移動(dòng)顯示器或硅芯片。

聯(lián)合作者，Madrid 大學(xué)的研究員 Jesús Grajal 表示，“其它可能的應(yīng)用程序是為植入式醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)通信供電?！崩?，研究人員開(kāi)始研發(fā)患者可以吞咽的藥片，并將健康數(shù)據(jù)返回計(jì)算機(jī)進(jìn)行診斷。

“理想情況下，你不想使用電池給這些系統(tǒng)供電，因?yàn)槿绻麄冃孤╀?，病人?huì)致死?！盙rajal 表示，“最好能夠從環(huán)境中收集能量，為這些內(nèi)置體內(nèi)的小型設(shè)備供電，并與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?！?/p>

所有的整流天線(xiàn)都依賴(lài)于一個(gè)叫做“整流器”的元件，它可將交流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓。傳統(tǒng)的整流天線(xiàn)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(shè)備相對(duì)便宜，但是如果使用他們覆蓋大面積的區(qū)域，比如建筑或者墻的表面，成本就過(guò)高。長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直試圖修復(fù)這些問(wèn)題。但是到目前為止，少數(shù)靈活的整流天線(xiàn)在低頻下工作，不能捕捉并轉(zhuǎn)換 GHZ 的信號(hào)，大部分相關(guān)的手機(jī)和 Wi-Fi 信號(hào)也是如此。

為了構(gòu)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(dǎo)體之一。這樣做時(shí)，該團(tuán)隊(duì)利用 MoS2 的單一行為：當(dāng)暴露某些化學(xué)物質(zhì)時(shí)，材料的原子以一種像開(kāi)關(guān)一樣的方式重新排列，迫使其相位從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換為金屬材料。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為肖特基二極管，它是半導(dǎo)體和金屬的結(jié)。

“通過(guò)將 MoS2 設(shè)計(jì)成 2D 的半導(dǎo)體金屬相結(jié)，我們構(gòu)建了一個(gè)原子級(jí)薄的超級(jí)快肖特基二極管，同時(shí)最大限度地減小了串聯(lián)電阻和寄生電容?！闭撐牡牡谝蛔髡吆?EECS 博士 Xu Zhang 說(shuō)，他將很快加入卡內(nèi)基梅隆大學(xué)擔(dān)任助理教授。

寄生電容在電子設(shè)備中是不可避免的情況，其中某些材料存儲(chǔ)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(xiàn)有的最先進(jìn)的柔性整流器小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此信號(hào)轉(zhuǎn)換速度更快，可以捕獲和轉(zhuǎn)換高達(dá) 10GHz 的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

張先生說(shuō)，“這樣的設(shè)計(jì)使得一個(gè)完全靈活的設(shè)備能夠快速覆蓋我們?nèi)粘ｋ娮釉O(shè)備所使用的大多數(shù)無(wú)線(xiàn)電頻段，包括 Wi-Fi、藍(lán)牙、LTE 等?！?/p>

該方案為其它靈活的 Wi-Fi 轉(zhuǎn)換到電子設(shè)備提供了藍(lán)圖，具有客觀(guān)的輸出和效率。根據(jù) Wi-Fi 輸入的輸入功率，當(dāng)前設(shè)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%?，F(xiàn)如今最好的硅和砷化鎵整流器天線(xiàn)由剛性、更昂貴的硅或者砷化鎵制成，達(dá)到了 50-60%。

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