信号链模拟芯片的用途（沙特阿卜杜拉国王科技大学在单芯片上集成能量采集与存储等功能）

导读

据沙特阿卜杜拉国王科技大学官网近日报道，该校研究人员成功地将感知、能量采集、电流整流以及能量存储功能集成到单颗芯片上。

背景

时下，随着越来越多的物体实现互联互通，物联网的规模正在迅速扩大。然而，未来物联网的迅速发展，离不开“自供电”的微型传感器。自供电设备能克服传统电池方案的诸多弊端，例如续航时间短、需要反复充电等。

自供电、可洗涤的电子织物。（图片来源：美国化学学会）

自供电的纸基医疗诊断装置（图片来源：普渡大学）

利用人体与周围环境之间的温度差异来发电的可穿戴热电发电机。（图片来源：北卡罗莱纳州立大学）

开发自供电的电子系统需要在芯片上集成能量存储单元，以连接各种各样的能量采集器。这些能量采集器断断续续地采集能量。目前大多数的研究涉及到芯片上的微型电化学超级电容器。

可集成到衣服中的微型超级电容（图片来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校 / Trisha Andrew）

可是，微型超级电容与能量采集器之间通过庞大的硅基整流器连接，而这些整流器很难集成到芯片上。

创新

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员成功地将感知、能量采集、电流整流以及能量存储功能集成到单颗芯片上。

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薄膜芯片的顶部与底部分布着用于能量存储的微型超级电容。（图片来源：KAUST）

技术

阿卜杜拉国王科技大学的研究科学家、这项研究的领导作者 Mrinal K. Hota 表示：“之前，研究人员们必须采用庞大的整流器，将断断续续采集到的电能转化为稳定的直流电，存储在微型电化学超级电容中。”

Hota 解释道，将所有这些器件集成到单颗芯片中的关键在于，将二氧化钌（RuO2）开发成为普通的电极材料，在微电路中连接所有器件。

二氧化钌触点分布在玻璃或者硅基底上，将用于感知、能量采集与电流整流的电子器件与一个或者更多的用于存储电能的微型电化学超级电容器连接到一起。这样就创造出一个无需电池供电来运作的微型系统。取而代之的是，它采用身体运动或者机械振动作为可靠且持续的能量来源。

Hota 指出：“不同于电池，微型电化学超级电容可以持续达几十万次循环，而电池只有几千次。”此外，微型电化学超级电容也能以给定的容量输出明显高很多的功率。

创造适合连接所有这些器件的电极材料的关键在于，制造出具有可控的粗糙度、缺陷和导电性的最佳二氧化钌表面。这些特性使得团队将 RuO2 用于电子器件与微型电化学超级电容器。

另一项关键的创新就是使用了一种凝胶。在应用之后，它凝固到超级电容器的电解质中。这种材料能以离子的形式传输电荷。固化的凝胶可用于防止任何针对整流器以及薄膜晶体管的伤害。

价值

团队设想了一系列的应用，从监测直接来自人体的个人健康指标到环境与工业传感。项目领头人 Husam Alshareef 表示：“我们的成果简化了器件的制造，并实现了自供电传感器设备的显著小型化。”

未来

目前，研究人员计划继续进一步优化 RuO2 电极，探索将许多不同类型的传感器连接到芯片中。他们也想为设备添加无线通信功能。这将使得生物传感器和环境传感器可以远程发送数据至任何无线接收器，包括手机和个人电脑。

关键字

自供电、物联网、超级电容、传感器

参考资料

【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/849/single-electrode-material-streamlines-functions-into-a-tiny-chip 

【2】Hota, M. K., Jiang, Q., Wang, Z., Wang, Z. L., Salama, K. N. & Alshareef, H. N. Integration of electrochemical micro-supercapacitors with thin-film electronics for on-chip energy storage. Advanced Materials 31, 1807450 (2019).| https://doi.org/10.1002/adma.201807450

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