能量收集也疯狂,未来Wi-Fi可以为电子产品供电

2019-01-30 17:02:02 来源:EEFOCUS
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麻省理工的团队开发了一款灵活的设备,可以将能量从WiFi信号转化为给电子设备供电的电压。将交流电磁波转换为直流电的设备称为“整流天线”。研究人员展示了一种新型的整流天线,它使用灵活的射频(RF)天线捕获电磁波,包括这些携带WiFi的作为交流波形的电磁波。


然后将天线连接到由几个原子厚度的半导体制成的新型器件。交流信号进入半导体,半导体将其转换为直流电压,可以给电路或者电池供电。


通过这种方式,无电池设备被动地捕获普遍存在的Wi-Fi信号,转换成有用的直流电源。此外,该设备是灵活的,并且可以以roll-to-roll的工艺覆盖非常大的区域。

 

 

图片来源:Christine Daniloff

 

“我们是否能够开发出一种电子系统,围绕桥梁,覆盖整个高速公路或者我们办公室的墙,为我们周围的一切带来电子情报?你如何给这些电子设备供电?”该文章的共同作者TomásPalacios,是电气工程和计算机科学系的教授,在微系统技术实验室中担任MIT / MTL石墨烯设备和2D系统中心主任。他表示, “我们已经提出了一种新方法给未来的电子设备供电—通过以易于集成在大面积的方法收集Wi-Fi能量—让我们周围的每个物体变得智能。”


整流天线的早期应用前景包括为物联网的灵活可穿戴设备、医疗设备和传感器供电。在实验中,当研究人员的设备暴露在Wi-Fi信号的典型的功率水平(大约150微瓦)时,可以生产大约40微瓦电量,这足以点亮一盏简单的移动显示器或硅芯片。


联合作者,Madrid大学的研究员Jesús Grajal表示,“其它可能的应用程序是为植入式医疗设备的数据通信供电。”例如,研究人员开始研发患者可以吞咽的药片,并将健康数据返回计算机进行诊断。


“理想情况下,你不想使用电池给这些系统供电,因为如果他们泄漏锂,病人会致死。”Grajal表示,“最好能够从环境中收集能量,为这些内置体内的小型设备供电,并与外部计算机进行数据通信。”


所有的整流天线都依赖于一个叫做“整流器”的元件,它可将交流输入信号转换为直流电压。传统的整流天线使用硅或者砷化镓作为整流器。这些材料可以覆盖Wi-Fi频段,但是他们很僵硬。尽管使用这些材料制造小型设备相对便宜,但是如果使用他们覆盖大面积的区域,比如建筑或者墙的表面,成本就过高。长期以来,研究人员一直试图修复这些问题。但是到目前为止,少数灵活的整流天线在低频下工作,不能捕捉并转换GHZ的信号,大部分相关的手机和Wi-Fi信号也是如此。


为了构建他们的整流器,研究人员使用了一种叫做二硫化钼(MoS2)的2D材料,它的三原子厚度是世界上最薄的半导体之一。这样做时,该团队利用MoS2的单一行为:当暴露某些化学物质时,材料的原子以一种像开关一样的方式重新排列,迫使其相位从半导体转换为金属材料。这种结构称为肖特基二极管,它是半导体和金属的结。


“通过将MoS2设计成2D的半导体金属相结,我们构建了一个原子级薄的超级快肖特基二极管,同时最大限度地减小了串联电阻和寄生电容。”论文的第一作者和EECS博士Xu Zhang说,他将很快加入卡内基梅隆大学担任助理教授。


寄生电容在电子设备中是不可避免的情况,其中某些材料存储少量电荷,它减慢了电路的速度。因此,较低的电容意味着整理器速度的提高和较高的工作效率。研究人员的肖特基二极管的寄生电容比现有的最先进的柔性整流器小一个数量级,因此信号转换速度更快,可以捕获和转换高达10GHz的无线信号。


张先生说,“这样的设计使得一个完全灵活的设备能够快速覆盖我们日常电子设备所使用的大多数无线电频段,包括Wi-Fi、蓝牙、LTE等。”


该方案为其它灵活的Wi-Fi转换到电子设备提供了蓝图,具有客观的输出和效率。根据Wi-Fi输入的输入功率,当前设备的最大输出效率为40%。在普通的Wi-Fi功率水平下,MoS2整流器的功率效率约是30%。现如今最好的硅和砷化镓整流器天线由刚性、更昂贵的硅或者砷化镓制成,达到了50-60%。

 

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