原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302699

摘要

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無(wú)線監(jiān)測(cè)傳感器、可穿戴電子設(shè)備等眾多分布式廣域低功耗電力電子器件被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于微電子器件的分散性和易遷移性，其能量供應(yīng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，為分布式微電子器件供電的方式主要為集中式低熵能源供應(yīng)和化學(xué)電池供電，這兩種供能方式在便捷性和環(huán)保方面存在日益突出的問(wèn)題。具有高熵特性的環(huán)境微能量收集技術(shù)被認(rèn)為是為低功耗電子器件提供清潔能量的有效解決方案。本文詳細(xì)闡述了基于能量采集和信號(hào)傳感的微電子技術(shù)最新進(jìn)展。首先，介紹了人類、動(dòng)物和自然環(huán)境中微功率電子設(shè)備的發(fā)展應(yīng)用情況。其次，對(duì)環(huán)境中可用的微能源進(jìn)行了歸類和分析。然后，對(duì)基于不同生電機(jī)制的環(huán)境微能源收集技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了歸納闡釋。此外，本文全面總結(jié)了自供電微電子技術(shù)在11個(gè)不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。最后，對(duì)基于微能量收集技術(shù)的自供電微電子技術(shù)的研究挑戰(zhàn)、技術(shù)難點(diǎn)和研究空白進(jìn)行了討論和總結(jié)。

Keywords關(guān)鍵詞

Energy harvesting 能量采集

Environmental monitoring 環(huán)境監(jiān)測(cè)

Microelectronic 微電子

Self-sensing technology 自傳感技術(shù)

Wearable devices  可穿戴設(shè)備

Schematics 圖表

圖1 自供電微電子世界的架構(gòu)

圖2 可穿戴電子設(shè)備的類別

圖3不同能量收集技術(shù)的特征比較

圖4 人體下肢自供電可穿戴微電子技術(shù)應(yīng)用

圖5海洋領(lǐng)域自供電微電子技術(shù)應(yīng)用

圖6環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)自供電微電子技術(shù)應(yīng)用

結(jié)論

人工智能和物聯(lián)網(wǎng)正在推動(dòng)基于自供電技術(shù)的微電子器件的快速發(fā)展，深刻影響著世界的發(fā)展進(jìn)程。本文全面回顧了自供電微電子領(lǐng)域的最新進(jìn)展、挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向。綜述了人體可穿戴設(shè)備、動(dòng)物可穿戴設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的總體研究進(jìn)展。此外，本文還詳細(xì)概述了可用于自供電微電子的環(huán)境微能源類別，以及能量收集技術(shù)的原理和特征。從應(yīng)用角度出發(fā)，全面總結(jié)了自供電微電子技術(shù)在人體可穿戴設(shè)備(眼鏡、助聽(tīng)器、口罩、背包、手表、腕帶、手套、外骨骼系統(tǒng)、鞋襪)、動(dòng)物可穿戴設(shè)備(陸地、飛行、水生)、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感(智能交通、智能海洋、智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、以及自然環(huán)境監(jiān)測(cè))。最后，針對(duì)自供電微電子器件的不足，提出了該領(lǐng)域的研究空白和未來(lái)的研究方向。

盡管自供電微電子器件的研究和應(yīng)用取得了重大進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，仍面臨重大挑戰(zhàn)。如今，大多數(shù)自供電微電子都是作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，然而單節(jié)點(diǎn)在能量采集、信號(hào)感知、系統(tǒng)集成等方面存在很大的不足，難以應(yīng)對(duì)未知挑戰(zhàn)。不斷提高人工智能輔助的多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)系統(tǒng)的性能可以滿足當(dāng)前時(shí)代的需求。此外，材料是器件的基礎(chǔ)，先進(jìn)材料的發(fā)展可以不斷推動(dòng)自供電傳感系統(tǒng)的進(jìn)步。

團(tuán)隊(duì)介紹

本研究由貴州大學(xué)、西南交通大學(xué)以及香港理工大學(xué)的研究人員共同完成。主要作者如下：

第一作者簡(jiǎn)介：

漆令飛，博士，特聘教授，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。圍繞環(huán)境能量俘獲技術(shù)、新能源再生技術(shù)在《Advanced Energy Materials》、《Mechanical Systems and Signal Processing》、《International Journal of Mechanical Science》等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文40余篇，授權(quán)發(fā)明/實(shí)用新型專利30余項(xiàng)，主持貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、貴州省教育廳青年優(yōu)秀人才項(xiàng)目、貴州大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目、四川省科技廳支撐計(jì)劃項(xiàng)目以及中車貴陽(yáng)重載列車懸架俘能校企合作項(xiàng)目等科研課題。擔(dān)任Energies期刊客座編輯，擔(dān)任《APPLIED ENERGY》、《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》、《ENERGY》等國(guó)際知名期刊審稿人，擔(dān)任ICAE、CUE、MIT A+B國(guó)際會(huì)議組織委員會(huì)成員。

共同通訊作者簡(jiǎn)介：

孔苓吉，西南交通大學(xué)研究生。主要研究方向?yàn)榭纱┐髯怨╇妭鞲屑夹g(shù)、微電子技術(shù)、人工智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。目前已發(fā)表同行評(píng)議期刊論文20余篇。研究工作旨在收集人體能量，實(shí)現(xiàn)自我可持續(xù)的人類智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。

張祖濤，西南交通大學(xué)教授，成都工業(yè)學(xué)院副校長(zhǎng)，教育部霍英東教育教學(xué)獎(jiǎng)獲得者，全球前2%頂尖科學(xué)家（斯坦福大學(xué)榜單）和中國(guó)高貢獻(xiàn)學(xué)者（校友會(huì)榜單）。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及EH技術(shù)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)，以第一作者/通訊作者在《Advanced Energy Materials》等期刊發(fā)表論文150余篇，主持獲2022年國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。

嚴(yán)晉躍（Jerry Yan），歐洲科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院院士，香港工程科學(xué)院院士，香港理工大學(xué)講座教授。瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)博士，曾在M?lardalen大學(xué)和KTH擔(dān)任講座教授。研究領(lǐng)域包括可再生能源、先進(jìn)能源系統(tǒng)、氣候變化和環(huán)境政策。在《Science》, 《Nature Climate Change》, 《Nature Energy》等國(guó)際知名期刊上發(fā)表400余篇論文。指導(dǎo)博士后科研人員約200人，博士生50人。

圖文：漆令飛

審核

一審：趙麗芳

二審：唐正強(qiáng)

三審：滕召華