美国麻省理工学院：首个用WiFi信号发电的完全柔性设备问世！

背景

如今，我们身边的各种电子产品，例如智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备等，几乎都离不开电池供电。然而，电池却存在着使用寿命有限、续航能力有限、需要反复充电、安全隐患等问题。因此，电池也成为了影响现代电子产品性能与用户体验的关键因素之一。

为此，科学家们一直在积极研发让电子产品摆脱电池的新型供电方案。之前，笔者也为大家介绍过许多这方面的案例。接下来，让我们先来看几个经典案例：

（一）美国华盛顿大学发明的全球首款无需电池的手机，能从周围环境中的无线电信号或者光线中获取几微瓦的能量，保证正常手机通话。

（二）美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程和应用科学学院的科研人员团队创造出一种无需电池的折纸机器人，它能够通过磁场，无线地提供能量和进行控制，展开可重复的复杂运动。

（三）中国科学院、重庆大学、美国佐治亚理工学院、台湾 科技 大学等机构的科研人员组成的团队，在中华传统剪纸艺术启发下，开发出一种轻量的、剪纸式样的摩擦电纳米发电机（TENG），能采集人体运动的能量，为电子产品供电。

（四）美国密歇根州立大学的科研人员开发出由铁电驻极体纳米发电机（FENG）组成的柔性设备，让电子设备直接从人体运动中采集能量。

创新

今天，笔者要为大家介绍一项让电子产品摆脱电池的新科研进展。

近日，美国麻省理工学院联合其他科研机构（马德里理工大学、美国陆军研究实验室、马德里卡洛斯三世大学、波士顿大学、南加利福尼亚大学）开发首个能将WiFi信号的能量转化为电力的完全柔性设备，它可以为电子产品供电。

能将交流变化的电磁波转化为直流电的设备被成为“整流天线”。在《自然（Nature）》期刊上发表的论文中，研究人员们演示了一种新型整流天线。

技术

该整流天线采用了一个柔性射频（RF）天线，以交流变化的波形捕捉电磁波（包括携带WiFi信号的那些）。然后，这个天线被连接至一个由仅为几个原子厚度的“二维半导体”制成的新型器件。这种交流信号传送到半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压可用于为电子电路供电或者为电池充电。

通过这种方式，无需电池的设备被动地捕捉无处不在的WiFi信号，并将其转化为有用的直流电源。更进一步说，该设备是柔性的，并能通过“卷对卷（roll-to-roll ）“工艺制备，从而可以覆盖非常大的面积。

所有的整流天线都依赖一个称为“整流器”的元件，这个元件将交流输入信号转化为直流电源。传统的整流天线将硅或者砷化镓用于整流器。这些材料可以覆盖WiFi频段，可惜它们是刚性的。尽管采用这些材料制造小型器件相对便宜，但用它们覆盖大面积，例如建筑物与墙壁的表面，成本过高。长期以来，研究人员们一直在尝试解决这些问题。但是目前所报告的柔性天线很少工作在低频率下，并且无法捕捉与转化千兆赫频率的信号，然而大多数相关的手机和WiFi信号都处于这个频率。

为了构造他们的整流器，研究人员们采用了一种称为“二硫化钼（MoS2）”的新型二维材料。它只有三个原子的厚度，是全球最薄的半导体之一。MoS2 可用于构造柔性的半导体元器件，例如处理器。

这么做时，团队利用了二硫化钼的一种“奇特”行为：当接触特定的化学物质时，材料的原子会重新排列，表现得如同开关一样，产生一种从半导体到金属材料的相变。这种结构也称为“肖特基二极管”，它是利用金属与半导体接触形成的“半导体-金属结”原理制作的。

论文第一作者、电子工程与计算机博士后 Xu Zhang（不久将成为卡耐基梅隆大学的助理教授）表示：“通过将 MoS2 设计成二维的半导体-金属结，我们构建出了原子薄度、超高速的肖特基二极管，它可以同步减少串联电阻与寄生电容。”

在电子器件中，寄生电容是一种不可避免的情况。这种情况下，特定的材料存储少量的电荷，将使电路速度变慢。因此，寄生电容越低，整流器速度就越快，运行频率也越高。研究人员们设计的肖特基二极管中的寄生电容，比目前最先进的柔性整流器中的寄生电容，要小一个数量级。因此，这种二极管的信号转化速度更快，可采集并转化10GHz的无线信号。

Zhang 表示：“这种设计将带来一种完全柔性的设备，它快到可覆盖我们日常使用的电子器件的大多数射频频段，例如WiFi、蓝牙、蜂窝LTE等。”

研究人员所报告的工作，为将WiFi转化为电力的其他柔性设备提供了蓝图，这些柔性设备具备足够大的输出和效率。根据WiFi输入信号的输入功率，目前设备的最大输出效率约为40%。在典型的WiFi功率等级下，MoS2 整流器的能量效率约为30%。相比而言，目前最佳的硅和砷化镓整流天线（由更加昂贵的刚性材料硅和砷化镓制成）实现了差不多50%到60%的效率。

价值

论文合著者之一、麻省理工学院微系统技术实验室的 MIT/MTL 石墨烯器件与二维系统研究中心主任 Tomás Palacios 表示：“假如我们开发出的电子系统，能够环绕大桥，或者覆盖整个公路，或者覆盖办公室墙壁，并将电子智能带给我们周围的每个物体，那将会如何？你如何为这些电子产品供电？我们提出了一种新办法来为这些未来的电子系统供电，通过一种可简单大面积集成的方式采集WiFi的能量，为我们身边的每个物体带来智能。”

科学家们提出的这种整流天线的早期应用包括为柔性与可穿戴设备、医疗设备、“物联网”传感器供电。例如，对于主要的技术公司来说，柔性智能手机将是一个热门的新市场。在实验中，当研究人员们将器件放置到典型的WiFi信号功率级别（150微瓦左右）的环境中，它可以产生出40微瓦的功率。这个功率足以点亮一个简单的移动显示屏，或者为硅芯片提供电力。

论文合著者之一、马德里理工大学的研究员 Jesús Grajal 表示，另外一个可能的方案就是为植入式医疗设备的数据通信供电。例如，研究人员们正在开始开发能被患者吞服的药丸，并将 健康 数据发回给计算机诊断。

Grajal 表示：“理想情况下，你不会想用电池来为这些系统供电，因为如果电池泄露锂，那么患者可能会死亡。从环境中采集能量，为体内的这些小型实验室以及与外部计算机的数据通信提供电力，具有明显的优势。”

目前，团队正在计划打造更加复杂的系统并提升效率。

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2019/converting-wi-fi-signals-electricity-0128

【2】Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus and Tomás Palacios. Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting . Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

《科创板日报》（编辑 郑远方）， 日前，全球半导体厂商相继公布2021年全年业绩的同时，也展开了2022年行业展望。

通过10家公司财报及电话会议内容——包括英飞凌、恩智浦、意法半导体、德州仪器、瑞萨电子5家IDM厂商，台积电、格芯、中芯国际3家晶圆代工厂商，以及ASML、Lam Research 2家设备厂商，《科创板日报》整理出各家对2022年行业走向的大致判断。

总体上，虽说“缺芯渐入尾声”的疑虑已笼罩市场多时，但从多家厂商的表态来看， 目前库存水平仍远不及预期，产业链依旧难以摆脱供应短缺。

针对芯片供应短缺具体结束时间，各家答案不尽相同。乐观者如英飞凌认为，有望在今年告别芯片短缺；而恩智浦却给出完全相反的意见，认为今年难以收尾。

ASML则认为无需担心供需反转，其指出半导体增长前景的确需要大幅扩产；同时，行业自身会设法避开供应过剩，以“维持一个无障碍、高效的创新生态系统。”

另一方面， 此前“需求分化”的消息也得到进一步论证。 台积电等晶圆代工厂作出了“景气分化、不同应用领域需求各异”的判断；中芯国际还提出，地区需求也将分化。

下游需求极为强劲，多家企业手握大额订单，远高于产能规划水平。细分领域中，车用芯片则成为各大厂商一致看好的领域。

【整体订单情况】

部分厂商已透露目前具体在手订单/预付款金额，从“订单能见度高”、“订单量远超供应”等乐观表述中，不难看出需求高涨的盛况依旧。

英飞凌：

新签订单大幅超过取消的订单量。不过公司也提醒，部分订单或意在防备短缺，因此随着供应改善、重复下单取消，未来几个季度这一订单金额或将大幅下降。

恩智浦：

在手订单已远远超过供应能力，能见度达2023-2024年，目前“没有任何订单取消或改期”。

意法半导体：

订单能见度较高，在手订单超过18个月水平，远高于公司目前及2022年规划产能。

瑞萨电子：

截至2021年底，公司在手订单额超过1.2万亿日元；2022全年已确认订单也在增长。

台积电：

截至2021年底，已收到67亿美元预付款。总体来说，来自IC设计与IDM委外等订单增加，“晶圆代工今年会是个好年”。

【库存】

• 恩智浦：

2021年Q4，库存水位进一步降低；渠道库存水位也小幅下降至1.5个月。恩智浦预计，2022年供需情况将于2021年类似。

• 德州仪器：

2021年Q4，德仪库存水位为116天，较前一季度高出约4天水平，但仍低于公司130-190天的目标。

【 汽车 芯片】

在本次统计的10家企业中，除设备厂商之外，其余所有公司均表现出对 汽车 业务增长的强烈信心。

整体上，2021年半导体厂商 汽车 芯片业务营收已有较大增幅，2022年也已获新订单在手。未来电动化、智能化仍是这一市场的两条增长主线：电动 汽车 方面，驱动因素包括充电基建、动力电池电源管理芯片；智能驾驶方面，则包括L2+/L3级智能驾驶发展、4D成像雷达等。

• 英飞凌：

汽车 芯片需求“远超”公司供给能力，库存水位也严重低于正常水平。值得注意的是，英飞凌指出，除电动/智能 汽车 本身之外，充电基础设施也是需求增长的另一大驱动力。

• 恩智浦：

得益于电动 汽车 及L2+/L3级智能驾驶发展， 汽车 领域订单稳定性明显增强，公司2022年已有订单在手。值得注意的是，只要芯片短缺情况仍在持续，整车厂便会将芯片供应及自身产能优先供给高端车型，以获得更高盈利。

• 意法半导体：

今年车用芯片产能已售罄。预计未来85%的 汽车 芯片将落在16nm-19nm制程。

• 德州仪器：

2021年全年，工业、 汽车 两大领域将是德仪未来发展的“战略重点”。

• 瑞萨电子：

汽车 领域业务增长驱动力强劲，包括车规级MCU等相关芯片配备数量增长、产品价格上涨、整车厂生产恢复、确保库存。

• 台积电：

预期2022年， 汽车 业务增长将高于公司整体水平。

• 格芯：

预计今年 汽车 业务会有季度波动，但总体依旧非常看好终端需求的强劲增长潜力；且部分客户将在2023年开始在4D成像雷达及动力电池电源管理方面开始发力，格芯有望受惠。

• 中芯国际：

物联网、电动 汽车 、中高端模拟IC等增量市场需求旺盛，存在结构性产能缺口。

【其余业务】

除 汽车 芯片之外，被提及的其余增长点则较为分散。其中，工业、物联网领域需求被提及频次相对较多，基建、数据中心、AI、元宇宙、碳化硅也受部分企业看好。不过，多数厂商预计，消费电子需求或将进一步疲软。

• 英飞凌：

今年SiC（碳化硅）业务营收将翻倍增长达3亿欧元，这一领域需求同样明显高于现有产能。

• 瑞萨电子：

工业/基建/物联网需求同样高涨，不过瑞萨预计，今年Q1其营收及客户需求量环比增幅将低于 汽车 芯片。

• 格芯：

智能移动终端市场中，Wi-Fi 6、5G图像传感器、电源应用需求；通信基建、数据中心市场需求；物联网有望成为格芯2022年增长最快业务领域。

• 台积电：

细分应用市场中，某些市场强劲势头可能会放缓或调整。预期2022年，HPC、 汽车 业务增长将高于公司整体水平，物联网增速与公司水平一致，智能手机业务略低于公司水平。

• 中芯国际：

手机和消费电子市场缺乏发展动力，存量市场供需逐步平衡；物联网、电动 汽车 、中高端模拟IC等增量市场需求旺盛，存在结构性产能缺口。

• Lam Research（泛林/科林研发）

AI、物联网、云计算、5G及元宇宙将成为强劲增长驱动力，全年晶圆设备需求有望继续增长。

属于射频技术。

NFC即近距离无线通讯技术。这个技术由非接触式射频识别(RFID)演变而来，由飞利浦半导体(现恩智浦半导体公司)、诺基亚和索尼共同研制开发，其基础是RFID及互连技术。近场通信是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于10厘米距离内。其传输速度有106Kbit/秒、212Kbit/秒或者424Kbit/秒三种。

---