无电池技术可以利用环境射频信号为电子设备供电

无处不在的无线技术(如 Wi-Fi、蓝牙和 5G)依靠射频 (RF) 信号来发送和接收数据。由新加坡国立大学 (NUS) 科学家领导的团队开发的一种新型能量收集模块原型现在可以将环境或“废弃”射频信号转换为直流 (DC) 电压。这可用于为小型电子设备供电，而无需使用电池。

此类射频能量收集技术至关重要，因为它们可以减少对电池的依赖、延长设备寿命、最大限度地减少对环境的影响，并提高无线传感器网络和物联网设备在偏远地区(这些地区无法频繁更换电池)的可行性。

然而，由于环境射频信号功率较低(通常低于 -20 dBm)，射频能量收集技术面临挑战，目前的整流器技术要么无法工作，要么射频到直流的转换效率较低。虽然提高天线效率和阻抗匹配可以提高性能，但这也会增加片上尺寸，给集成和小型化带来障碍。

为了应对这些挑战，新加坡国立大学的一个研究小组与日本东北大学 (TU) 和意大利墨西拿大学 (UNIME) 的科学家合作，开发了一种紧凑而灵敏的整流器技术，该技术使用纳米级自旋整流器 (SR) 将功率低于 -20 dBm 的环境无线射频信号转换为直流电压。

该团队优化了 SR 设备并设计了两种配置：1) 单个基于 SR 的整流天线，工作范围为 -62 dBm 至 -20 dBm;2) 10 个串联 SR 阵列，效率达 7.8%，零偏灵敏度约为 34,500 mV/mW。通过将 SR 阵列集成到能量收集模块中，他们成功为 -27 dBm 的商用温度传感器供电。

“收集环境射频电磁信号对于推进节能电子设备和传感器的发展至关重要。然而，由于现有整流器技术的限制，现有的能量收集模块在低环境功率下运行时面临挑战，”该项目负责人、新加坡国立大学设计与工程学院电气与计算机工程系的 Yang Hyunsoo 教授解释道。

杨教授补充道：“例如，由于低功率下的热力学限制，数十年来千兆赫肖特基二极管技术一直处于饱和状态，最近的努力仅集中在提高天线效率和阻抗匹配网络，而牺牲了更大的片上占用空间。另一方面，纳米级自旋整流器提供了一种紧凑的技术，可实现灵敏而高效的射频到直流转换。”

杨教授详细介绍了该团队的突破性技术，他说：“我们优化了自旋整流器，使其在环境中可用的低射频功率水平下运行，并将此类自旋整流器阵列集成到能量收集模块中，以低于 -20 dBm 的射频功率为 LED 和商用传感器供电。我们的结果表明，SR 技术易于集成和可扩展，有助于为各种低功率射频和通信应用开发大规模 SR 阵列。”

实验研究与 TU 的 Shunsuke Fukami 教授及其团队合作进行，而模拟则由 UNIME 的 Giovanni Finocchio 教授进行。研究结果于 2024 年 7 月 24 日发表在《自然电子学》上。

基于自旋整流器的低功耗运行技术

最先进的整流器(肖特基二极管、隧道二极管和二维 MoS 2)在 P rf ≥ -10 dBm 时效率已达到 40%–70%。然而，Wi-Fi 路由器等 RF 源的环境 RF 功率低于 -20 dBm。由于热力学约束和高频寄生效应，开发用于低功率范围(P rf < -20 dBm)的高效整流器非常困难。

此外，片上整流器需要外部天线和阻抗匹配电路，这阻碍了片上微缩。因此，为对环境射频功率敏感的能量收集模块 (EHM) 设计一个紧凑的片上整流器仍然是一项重大挑战。

纳米级自旋整流器可以利用自旋二极管效应将射频信号转换为直流电压。虽然基于 SR 的技术超越了肖特基二极管的灵敏度，但低功耗效率仍然较低(< 1%)。

为了克服低功耗限制，研究团队研究了 SR 的固有特性，包括垂直各向异性、器件几何形状和来自偏振器层的偶极场，以及取决于零场隧穿磁阻和电压控制磁各向异性 (VCMA) 的动态响应。

研究人员将这些优化的参数与单个SR阻抗匹配的外部天线相结合，设计了一种超低功率SR整流天线。

为了提高输出并实现片上操作，SR 采用阵列排列耦合，并采用 SR 上的小共面波导来耦合射频功率，从而实现紧凑的片上面积和高效率。

一项重要发现是，磁隧道结自旋整流器中由众所周知的 VCMA 驱动的自参数效应显著促进了 SR 阵列的低功耗运行，同时还提高了其带宽和整流电压。在与相同环境条件下的肖特基二极管技术进行全面比较以及从先前的文献评估中，研究团队发现 SR 技术可能是最紧凑、最高效、最灵敏的整流器技术。

论文第一作者 Raghav Sharma 博士在评论其研究成果的意义时表示：“尽管全球对整流器和能量收集模块进行了广泛的研究，但对于低环境射频功率操作而言，整流器技术中的基本限制仍然尚未解决。

“自旋整流器技术提供了一种有前途的替代方案，在低功耗模式下超越了目前的肖特基二极管效率和灵敏度。这一进步为低功耗射频整流器技术设定了基准，为设计基于自旋整流器的下一代环境射频能量收集器和传感器铺平了道路。”

下一步

新加坡国立大学研究团队目前正在探索片上天线的集成，以提高 SR 技术的效率和紧凑性。该团队还在开发串并联连接，以调整大型 SR 阵列中的阻抗，利用片上互连连接各个 SR。这种方法旨在增强 RF 功率的收集，可能产生几伏的显着整流电压，从而无需 DC-DC 升压器。

研究人员还计划与行业和学术伙伴合作，推动基于片上 SR 整流器的自持智能系统的发展。这可能为无线充电和信号检测系统的紧凑型片上技术铺平道路。

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