微電子設(shè)備供電突破在即論文
供電是電子產(chǎn)品的重要組成部分，對(duì)于一些用于特殊場(chǎng)合的微型設(shè)備和電子產(chǎn)品而言(比如心臟起搏器等)，這個(gè)問(wèn)題更是關(guān)鍵。科學(xué)家們正在研究，設(shè)法從芯片著手解決問(wèn)題，雖然距商用還有距離，但決不能低估，也許其中一項(xiàng)就會(huì)徹底改變計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和使用。
電子產(chǎn)品自供電：將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能
電子設(shè)備能自己給自己供電，這并不全是夢(mèng)想。如果佐治亞理工學(xué)院納米科學(xué)研究小組的材料科學(xué)教授王中林能如愿以償，也許真的很快就不用更換電池或給電池充電了。王教授在佐治亞理工學(xué)院的小組設(shè)計(jì)出了發(fā)電量足以為微型設(shè)備供電的微型發(fā)電機(jī)。這種納米發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱HONG)可通過(guò)比指甲還小的柔性芯片，產(chǎn)生2?10伏的電壓。
研究人員先是設(shè)計(jì)出一排微小的氧化鋅(ZnO)纖維，即納米線，每一根比人的頭發(fā)還細(xì)。這一排排纖維嵌入到金屬電極和塑料聚合物組成的多層結(jié)構(gòu)中，從而形成柔性的納米線“夾層”。在電子顯微鏡下，一股股納米線就像是超小刷子的刷子毛，它們具有很神奇的特性：一旦被移動(dòng)或受擠壓，就會(huì)產(chǎn)生一股細(xì)微的電流。把無(wú)數(shù)納米線放在一起，就能獲得足夠的電流為設(shè)備供電，從而不需要使用外部電源。
到目前為止，HONG設(shè)備已用于點(diǎn)亮LED燈、為計(jì)算器的液晶屏和實(shí)驗(yàn)室的原始電子設(shè)備供電。這僅僅是個(gè)開(kāi)始，王教授的小組還在致力于研制可以給無(wú)線設(shè)備供電的HONG，他們目前正在研究的項(xiàng)目是研制用途廣泛的自供電環(huán)境傳感器，其中一個(gè)是研制可以嵌入到橋梁中的傳感器。
由于外面裹著混凝土，更換傳感器里面的電池并非易事，而如果里面有HONG發(fā)電機(jī)，橋梁上開(kāi)過(guò)的汽車或卡車引起的震動(dòng)可以為傳感器供電。這個(gè)項(xiàng)目的最終目的是，每隔半小時(shí)讓傳感器(和橋梁中的眾多傳感器)將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到接收站以便分析。如果傳感器顯示橋梁面臨倒塌的危險(xiǎn)，就可以封橋，防止發(fā)生災(zāi)難，從而避免2007年明尼阿波利斯的密西西比河大橋發(fā)生的倒塌事件。
雖然納米發(fā)電機(jī)不大可能產(chǎn)生足夠的電力，為像計(jì)算機(jī)或電視機(jī)這樣的大型電子設(shè)備供電，但是眾多小設(shè)備最終有望完全或部分由HONG芯片來(lái)供電。預(yù)計(jì)2013年之前有望出現(xiàn)自供電的手機(jī)、數(shù)字音樂(lè)播放器，甚至只要通過(guò)擊鍵就能供電的無(wú)線鍵盤。
王教授表示，給設(shè)備加裝納米發(fā)電機(jī)的成本會(huì)很低，因?yàn)檠趸\是一種常見(jiàn)材料，而且，HONG用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝技術(shù)就能制造，不過(guò)需要對(duì)工藝技術(shù)做一些改進(jìn)。另外，HONG芯片可以部分或完全不需要電池，因而有望降低某些產(chǎn)品的成本——電池是任何手機(jī)或音樂(lè)播放器中成本最高的部件之一。
王教授研究小組的成員還在試驗(yàn)不大常見(jiàn)、產(chǎn)生電量可能更大的壓電化合物，如鋯鈦酸鉛，但工藝難度可能更大。
結(jié)論就是，對(duì)于我們身邊的許多電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，交流電電源插座和充電器橫行的日子也許到頭了。王教授說(shuō)：“運(yùn)動(dòng)無(wú)處不在，等著被我們用來(lái)供電，我們要做的就是把它利用起來(lái)。”
無(wú)線供電：來(lái)自空中的電力
100年前，電氣天才尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)對(duì)于今天我們習(xí)以為常的許多技術(shù)從事了開(kāi)創(chuàng)性的研究開(kāi)發(fā)工作，從X射線、交流電、高效電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)到無(wú)線電設(shè)備的前身，不一而足，但是他用無(wú)線電波在空中輸送電力、為各種電氣設(shè)備供電的嘗試卻慘遭失敗。
如今，一家名為Powercast的公司正在做特斯拉當(dāng)初夢(mèng)想的事：通過(guò)無(wú)線電波來(lái)輸電。該公司的市場(chǎng)營(yíng)銷和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁Harry Ostaffe說(shuō)：“我們實(shí)際上繼承了特斯拉未竟的事業(yè)。在更新電池成本高昂或難度很大的場(chǎng)合，我們通過(guò)無(wú)線輸電來(lái)為設(shè)備供電。”
這項(xiàng)名為能量收集的技術(shù)使用該公司研發(fā)的書本大小的發(fā)射機(jī)，以915MHz的射頻將1瓦或3瓦的電能送到空中。在接收端，該公司設(shè)計(jì)的芯片能從空中收集能量，然后將射頻能量轉(zhuǎn)換成直流電。
眼下，Powercast有兩種芯片：一種芯片在近距離下效果最好，最多可輸出4.2伏的持續(xù)電力，直接為功耗很小的設(shè)備供電或給電池充電。另一種芯片可以用在離發(fā)射機(jī)較遠(yuǎn)的地方，產(chǎn)生高達(dá)5.25伏的間歇性脈沖，用于直接為低功耗設(shè)備供電。
這些芯片可以從空中收集小量的可用能量，從微瓦到毫瓦不等。據(jù)Ostaffe介紹，雖然這么小的能量不足以滿足MP3播放器或手機(jī)的需要，但是對(duì)于像Kindle電子書閱讀器這些耗電量很小的設(shè)備來(lái)說(shuō)綽綽有余。 目前，Powercast正致力于為負(fù)責(zé)監(jiān)控的各種傳感器供電：從煉油廠的溫度和壓力傳感器到家庭和辦公室的煙霧報(bào)警器，它們都可以用Powercast的技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。
該公司的.最終目標(biāo)是研發(fā)出能夠從周圍能量源(如Wi-Fi信號(hào))收集可用能量的技術(shù)。而現(xiàn)在，它的系統(tǒng)需要發(fā)射機(jī)才能工作，這意味著它受到距離的限制。
Ostaffe開(kāi)玩笑地說(shuō)：“我們的頭號(hào)敵人是平方反比定律。”這個(gè)基本物理定律描述了從點(diǎn)源(如燈光，向外輻射的能量如何隨著距離減弱。如果你離發(fā)射機(jī)比較遠(yuǎn)，接收器所能收集的能量就會(huì)迅速減弱。
他說(shuō)：“眼下，我們的有效距離是大約40?45英尺。”這個(gè)距離足以覆蓋房子的一部分或大樓的幾間辦公室。如果是常見(jiàn)的辦公場(chǎng)地，每4萬(wàn)平方英尺的面積可能需要10?15臺(tái)發(fā)射機(jī)，架設(shè)在大樓周圍，而天線對(duì)著中央。
Powercast并不是惟一一家在開(kāi)發(fā)射頻量能轉(zhuǎn)換成直流電技術(shù)的公司，日本電業(yè)工作公司也一直在研發(fā)一種依靠特殊整流天線的類似系統(tǒng)。不過(guò)，Powercast認(rèn)為比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手領(lǐng)先一步，表示其芯片已準(zhǔn)備好集成到產(chǎn)品中。
Powercast希望到2012年，可以推出永不需要更換電池的家用煙霧探測(cè)器。該公司還一直在致力于縮小發(fā)射機(jī)的尺寸，以供家庭使用。Ostaffe設(shè)想到時(shí)能做出如同夜間照明燈大小的微型發(fā)射機(jī)，電力足夠強(qiáng)，可以為一戶中等大小的家庭里面的煙霧報(bào)警器供電。
不過(guò)，無(wú)線供電技術(shù)要進(jìn)入主流應(yīng)用階段還有待時(shí)日。雖然Powercast已準(zhǔn)備好了設(shè)計(jì)和芯片，但需要廠商來(lái)生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，并銷售給消費(fèi)者或公司用戶。
自愈合電池：實(shí)現(xiàn)電池實(shí)時(shí)修復(fù)
眾所周知，手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦用了幾年后，電池會(huì)損壞，必須更換;或者設(shè)備摔過(guò)后，電池短路，那樣就必須更換了。而一旦設(shè)備本身不允許用戶自己更換電池(如iPhone、iPad及其他平板電腦)，你只好把整個(gè)設(shè)備送回到廠商去更換電池，費(fèi)事又費(fèi)錢。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納尚佩恩分校貝克曼先進(jìn)科技研究所的科學(xué)家們有一個(gè)更好的主意，以Scott White教授為首的研究人員的辦法是讓電池自我修復(fù)，而用戶可能根本不知道電池有啥問(wèn)題。
鋰離子電池放電的原理是，將電子從鋰基陰極移動(dòng)到電池芯的陽(yáng)極。電源給電池充電時(shí)，電子的移動(dòng)過(guò)程恰好相反。使用一段時(shí)間后因老化或者如果電池突然受到撞擊，電池芯就會(huì)受損，導(dǎo)致致命的短路。這時(shí)候，你就只好買一塊新電池了。White的解決辦法是，給電池的陰極涂上無(wú)數(shù)微球體，里面充滿了黏糊糊的銦化鎵。關(guān)鍵在于，這些小球體受擠壓(如設(shè)備摔地時(shí))或溫度升高(如電池短路時(shí))，就會(huì)裂開(kāi)來(lái)。
White解釋：“我們可以通過(guò)機(jī)械力、溫度或酸堿度來(lái)觸發(fā)小球體。一旦出現(xiàn)受損，小球體會(huì)釋放里面的東西，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)愈合反應(yīng)�！�
銦化鎵會(huì)迅速流入填補(bǔ)空隙，以修復(fù)短路，電池可以最快在40微秒內(nèi)恢復(fù)如初。在大多數(shù)情況下，電池的控制電子部件在這么短時(shí)間內(nèi)甚至來(lái)不及關(guān)閉電池。White補(bǔ)充說(shuō)：“我們可以恢復(fù)導(dǎo)電性，而且是瞬間完成的。”
眼下，小球體方法只能用一次，要是設(shè)備再摔一次，那就沒(méi)救了，但White表示，其小組正在設(shè)法采用幾種不同的材料，以便可以對(duì)電池多次修復(fù)。筆記本電腦電池每年大約充電100?150次，一般3年后，就需要更換了，使用貝克曼先進(jìn)科技研究所的技術(shù)，以后有望看到可以用10年的電腦電池。
自愈合電池何時(shí)會(huì)出現(xiàn)在市面上?對(duì)此White持謹(jǐn)慎態(tài)度，他表示小球體方法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。不過(guò)，他說(shuō)，給電池加裝小球體不會(huì)干擾電池的制造，也不會(huì)大幅增加電池芯的成本。
他補(bǔ)充說(shuō)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種方法可以用來(lái)修復(fù)各種各樣的電子產(chǎn)品，甚至是電動(dòng)汽車的電池，當(dāng)我們還不知道電池已壞時(shí)就已得到了順利修復(fù)。White的下一個(gè)目標(biāo)是支撐電力網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電源變壓器和電容器。如果他的小組取得成功，有朝一日將會(huì)徹底告別電源故障。
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