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微電子設備供電突破在即論文
供電是電子產(chǎn)品的重要組成部分，對于一些用于特殊場合的微型設備和電子產(chǎn)品而言(比如心臟起搏器等)，這個問題更是關鍵�？茖W家們正在研究，設法從芯片著手解決問題，雖然距商用還有距離，但決不能低估，也許其中一項就會徹底改變計算機和電子產(chǎn)品的設計、制造和使用。
電子產(chǎn)品自供電：將動能轉化為電能
電子設備能自己給自己供電，這并不全是夢想。如果佐治亞理工學院納米科學研究小組的材料科學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院的小組設計出了發(fā)電量足以為微型設備供電的微型發(fā)電機。這種納米發(fā)電機(簡稱HONG)可通過比指甲還小的柔性芯片，產(chǎn)生2?10伏的電壓。
研究人員先是設計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。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構中，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：一旦被移動或受擠壓，就會產(chǎn)生一股細微的電流。把無數(shù)納米線放在一起，就能獲得足夠的電流為設備供電，從而不需要使用外部電源。
到目前為止，HONG設備已用于點亮LED燈、為計算器的液晶屏和實驗室的原始電子設備供電。這僅僅是個開始，王教授的小組還在致力于研制可以給無線設備供電的HONG，他們目前正在研究的項目是研制用途廣泛的自供電環(huán)境傳感器，其中一個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，橋梁上開過的汽車或卡車引起的震動可以為傳感器供電。這個項目的最終目的是，每隔半小時讓傳感器(和橋梁中的眾多傳感器)將有關數(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，就可以封橋，防止發(fā)生災難，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)電機不大可能產(chǎn)生足夠的電力，為像計算機或電視機這樣的大型電子設備供電，但是眾多小設備最終有望完全或部分由HONG芯片來供電。預計2013年之前有望出現(xiàn)自供電的手機、數(shù)字音樂播放器，甚至只要通過擊鍵就能供電的無線鍵盤。
王教授表示，給設備加裝納米發(fā)電機的成本會很低，因為氧化鋅是一種常見材料，而且，HONG用現(xiàn)有的半導體工藝技術就能制造，不過需要對工藝技術做一些改進。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——電池是任何手機或音樂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不大常見、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。
結論就是，對于我們身邊的許多電子設備來說，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：“運動無處不在，等著被我們用來供電，我們要做的就是把它利用起來�！�
無線供電：來自空中的電力
100年前，電氣天才尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)對于今天我們習以為常的許多技術從事了開創(chuàng)性的研究開發(fā)工作，從X射線、交流電、高效電動機和發(fā)電機到無線電設備的前身，不一而足，但是他用無線電波在空中輸送電力、為各種電氣設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初夢想的事：通過無線電波來輸電。該公司的市場營銷和業(yè)務開發(fā)副總裁Harry Ostaffe說：“我們實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合，我們通過無線輸電來為設備供電�！�
這項名為能量收集的技術使用該公司研發(fā)的書本大小的發(fā)射機，以915MHz的射頻將1瓦或3瓦的電能送到空中。在接收端，該公司設計的芯片能從空中收集能量，然后將射頻能量轉換成直流電。
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備供電或給電池充電。另一種芯片可以用在離發(fā)射機較遠的地方，產(chǎn)生高達5.25伏的間歇性脈沖，用于直接為低功耗設備供電。
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播放器或手機的需要，但是對于像Kindle電子書閱讀器這些耗電量很小的設備來說綽綽有余。 目前，Powercast正致力于為負責監(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警器，它們都可以用Powercast的技術實現(xiàn)無線供電。
該公司的最終目標是研發(fā)出能夠從周圍能量源(如Wi-Fi信號)收集可用能量的技術。而現(xiàn)在，它的系統(tǒng)需要發(fā)射機才能工作，這意味著它受到距離的限制。
Ostaffe開玩笑地說：“我們的頭號敵人是平方反比定律�！边@個基本物理定律描述了從點源(如燈光，向外輻射的能量如何隨著距離減弱。如果你離發(fā)射機比較遠，接收器所能收集的能量就會迅速減弱。
他說：“眼下，我們的有效距離是大約40?45英尺。”這個距離足以覆蓋房子的一部分或大樓的幾間辦公室。如果是常見的辦公場地，每4萬平方英尺的面積可能需要10?15臺發(fā)射機，架設在大樓周圍，而天線對著中央。
Powercast并不是惟一一家在開發(fā)射頻量能轉換成直流電技術的公司，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，Powercast認為比競爭對手領先一步，表示其芯片已準備好集成到產(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器。該公司還一直在致力于縮小發(fā)射機的尺寸，以供家庭使用。Ostaffe設想到時能做出如同夜間照明燈大小的微型發(fā)射機，電力足夠強，可以為一戶中等大小的家庭里面的煙霧報警器供電。
不過，無線供電技術要進入主流應用階段還有待時日。雖然Powercast已準備好了設計和芯片，但需要廠商來生產(chǎn)實際產(chǎn)品，并銷售給消費者或公司用戶。
自愈合電池：實現(xiàn)電池實時修復
眾所周知，手機、平板電腦和筆記本電腦用了幾年后，電池會損壞，必須更換;或者設備摔過后，電池短路，那樣就必須更換了。而一旦設備本身不允許用戶自己更換電池(如iPhone、iPad及其他平板電腦)，你只好把整個設備送回到廠商去更換電池，費事又費錢。
伊利諾伊大學厄巴納尚佩恩分校貝克曼先進科技研究所的科學家們有一個更好的主意，以Scott White教授為首的研究人員的辦法是讓電池自我修復，而用戶可能根本不知道電池有啥問題。
鋰離子電池放電的原理是，將電子從鋰基陰極移動到電池芯的陽極。電源給電池充電時，電子的移動過程恰好相反。使用一段時間后因老化或者如果電池突然受到撞擊，電池芯就會受損，導致致命的短路。這時候，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數(shù)微球體，里面充滿了黏糊糊的銦化鎵。關鍵在于，這些小球體受擠壓(如設備摔地時)或溫度升高(如電池短路時)，就會裂開來。
White解釋：“我們可以通過機械力、溫度或酸堿度來觸發(fā)小球體。一旦出現(xiàn)受損，小球體會釋放里面的東西，這時就會出現(xiàn)愈合反應�！�
銦化鎵會迅速流入填補空隙，以修復短路，電池可以最快在40微秒內(nèi)恢復如初。在大多數(shù)情況下，電池的控制電子部件在這么短時間內(nèi)甚至來不及關閉電池。White補充說：“我們可以恢復導電性，而且是瞬間完成的。”
眼下，小球體方法只能用一次，要是設備再摔一次，那就沒救了，但White表示，其小組正在設法采用幾種不同的材料，以便可以對電池多次修復。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，使用貝克曼先進科技研究所的技術，以后有望看到可以用10年的電腦電池。
自愈合電池何時會出現(xiàn)在市面上?對此White持謹慎態(tài)度，他表示小球體方法仍處于實驗室階段。不過，他說，給電池加裝小球體不會干擾電池的制造，也不會大幅增加電池芯的成本。
他補充說，從長遠來看，這種方法可以用來修復各種各樣的電子產(chǎn)品，甚至是電動汽車的電池，當我們還不知道電池已壞時就已得到了順利修復。White的下一個目標是支撐電力網(wǎng)正常運轉的電源變壓器和電容器。如果他的小組取得成功，有朝一日將會徹底告別電源故障。
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