Технология без батарей может питать электронные устройства с использованием окружающих радиооптических сигналов

РЧ энергия сбора с использованием SRS.A, Иллюстрация EHMS, питающих мелкие датчики и электронные компоненты путем преобразования энергии Ambient RF (показанной синими пунктирными кругами линии) в D.C.напряжение (vd.c.).B, прототип модель EHM, где Ambient RF Power (PRF) преобразуется в D.C.власть (Pd.c.).C, многослойная структура SR с верхними и нижними контактами.D, нулевое смещение и исправление нулевого магнитного поля (V) как функция частоты (F).E, чувствительность (ы) при 3,50 и 2,45 ГГц.Кредит: Природа Электроника (2024).Doi: 10.1038/s41928-024-01212-1

Технологии сбора энергии РЧ, такие как эта, имеют важное значение, поскольку они снижают зависимость от батареи, продлевают время жизни устройства, минимизируют воздействие на окружающую среду и улучшают выполнимость беспроводных сенсорных сетей и устройств IoT в удаленных районах, где частое замена аккумулятора невозможно.

Тем не менее, технологии сбора энергии радиочастотной энергии сталкиваются с проблемами из-за низкой мощности радиочастотного сигнала окружающей среды (обычно меньше -20 дБм), где текущая технология выпрямителя либо не может работать, либо демонстрирует низкую эффективность преобразования RF в DC.При повышении эффективности антенны и сопоставления импеданса может повысить производительность, это также увеличивает размер в чипе, представляя препятствия для интеграции и миниатюризации.

Чтобы решить эти проблемы, команда исследователей NUS, работающая в сотрудничестве с учеными из Университета Тохоку (TU) в Японии и Университета Мессины (UNIME) в Италии, разработала компактную и конфиденциальную технологию выпрямителя, которая использует наномасштабную спин-резидент (SR) для преобразования сигналов беспроводной радиочастотной беспроводной частоты при мощности меньше -20 дБм в напряжение постоянного тока.

Команда оптимизировала устройства SR и разработала две конфигурации: 1) единую эксплуатационную эксплуатацию на основе SR между -62 дБм и -20 дБм и 2) массив из 10 SR в серии, достигнув эффективности 7,8% и чувствительности к нулевым смещению примерно 34 500MV/MW.Интегрируя SR -Array в модуль сбора энергии, они успешно включили коммерческий датчик температуры при -27 дБм.

«Сбор экологически чистых электромагнитных сигналов имеет решающее значение для развития энергоэффективных электронных устройств и датчиков. Однако существующие модули сбора энергии сталкиваются с проблемами, работающими на низкой окружающей среде из-за ограничений в существующей технологии выпрямителя»,-объяснил профессор Ян Хёнсу из Департамента электрики и иКомпьютерная инженерия в Колледже дизайна и инженерии NUS, который возглавил проект.

Профессор Ян добавил: «Например, технология диода Гигахерца Шоттки оставалась насыщенной на протяжении десятилетий из-за термодинамических ограничений при низкой мощности, причем недавние усилия были сосредоточены только на повышении эффективности антенны и сетях, соответствующих импедансу, за счет более крупных внедорожников.С другой стороны, наномасштабные спиновые рецидивы предлагают компактную технологию для чувствительного и эффективного преобразования RF в-DC ».

Профессор Ян сказал, что подробно рассказывается о технологии прорыва команды: «Мы оптимизировали спиновые рецидивы для работы на низких уровнях мощности радиочастота, доступных в окружающей среде, и интегрировали массив таких регуляторов спиновогоДатчик в RF Power меньше -20 дБм.

Экспериментальное исследование было проведено в сотрудничестве с профессором Шунсуке Фуками и его командой из TU, в то время как симуляция была проведена профессором Джованни Финокио ​​из Unime.Результаты были опубликованы в Nature Electronics 24 июля 2024 года.

Современные выпрямители (диоды Шоттки, туннельные диоды и двумерный MOS2) достигли эффективности 40–70% при PRF ≥ -10 дБм.Тем не менее, эмбиентная РЧ -мощность, доступная из РЧ -источников, таких как маршрутизаторы Wi -Fi, меньше -20 дБм.Разработка высокоэффективных выпрямителей для режимов с низкой мощностью (PRF <-20 дБм) является сложной из-за термодинамических ограничений и высокочастотных паразитических эффектов.

Кроме того, выпрямители на чипе требуют внешней антенны и схемы сопоставления импеданса, препятствующей масштабированию на чипе.Следовательно, разработка выпрямителя для модуля сбора энергии (EHM), который чувствителен к окружающей мощности РФ с компактной конструкцией на чипе, остается серьезной проблемой.

Наномасштабные спиновые регуляторы могут преобразовать радиочастотный сигнал в напряжение постоянного тока, используя эффект спин-диода.Хотя технология на основе SR превзошла чувствительность диода Шоттки, эффективность с низкой мощью все еще низкая (<1%).

Чтобы преодолеть ограничения с низкой мощью, исследовательская группа изучила внутренние свойства SR, включая перпендикулярную анизотропию, геометрию устройства и диполярное поле из слоя поляризатора, а также динамический отклик, который зависит от магниторезистентности туннелирования нулевого поля.и контролируемая напряжением магнитная анизотропия (VCMA).

Объединяя эти оптимизированные параметры с внешним импеданным импедансом антенной с одним SR, исследователь разработал ультралово-сильную SR-Rectenna.

Чтобы улучшить выход и достичь операции на чипе, SRS были связаны в расположении массива, причем небольшие волноводы копляра на SR, используемых для пары РЧ-мощности, что приводит к компактной площади на чипе и высокой эффективности.

Одним из ключевых выводов является то, что самостоятельный эффект, обусловленный хорошо известными VCMA в спиновых рецепторах на основе магнитных туннельных соединений, значительно способствует работе с низким энергопотреблением SR-маячников, а также усиливает их полосу пропускания и напряжение выпрямления.В комплексном сравнении с технологией диодов Шоттки в той же ситуации в окружающей среде и из предыдущей оценки литературы исследовательская группа обнаружила, что SR-Technology может быть наиболее компактной, эффективной и чувствительной технологией выпрямителя.

Комментируя значение их результатов, доктор Рагхав Шарма, первый автор статьи, заявил: «Несмотря на обширные глобальные исследования выпрямителей и модулей сбора энергии, фундаментальные ограничения в технологии выпрямителя остаются нерешенными для низкой энергетической работы в окружающей среде.

«Технология спин-режиссера предлагает многообещающую альтернативную, превосходящую токурную эффективность диода Шоттки и чувствительность в режиме с низким энергопотреблением. Этот прогресс-критерия RF-выпрямители при низкой мощности, прокладывая путь для разработки атмосферных радиочастотных собраний и датчиков, основанных на спине, прокладывая путь для проектирования атмосферных энергии и датчиков следующего поколения на основе Spin.-Ректификаторы ”.”

Исследовательская группа NUS в настоящее время изучает интеграцию антенны на чипе для повышения эффективности и компактности технологий SR.Команда также разрабатывает серии параллельных соединений для настройки импеданса в больших массивах SRS, используя встроенные соединения для подключения отдельных SRS.Этот подход направлен на улучшение сбора радиочастотной мощности, потенциально генерируя значительное исправленное напряжение нескольких вольт, что устраняет необходимость в усилительном стиле постоянного тока.

Исследователи также стремятся сотрудничать с отраслевыми и академическими партнерами для развития самостоятельных интеллектуальных систем, основанных на выпрямителях SR-Chip.Это может проложить путь для компактных технологий на чипе для систем беспроводной зарядки и обнаружения сигналов.

More information: Raghav Sharma et al, Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01212-1