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把光當能量飲料 物聯網晶片自供電技術

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photo credit: http://www.switchscribe.com/

整個城市都是我的充電站!國研院奈米元件實驗室研發「物聯網晶片自供電技術」,在晶片上疊了一層光能採集模組,讓物聯網與穿戴式設備的晶片蒐集環境中散逸的光,為自己補充電力,減少對電池的依賴。

Wi-fi、Zigbee各式無線網路通訊漸漸普及,在建築或家電設備裝上與網路連結的電子感測器,便能測量各種環境資訊,裝置跟裝置之間也能互相串連、溝通,此為物聯網(Internet of Things, IoT)的概念。人體貼身的穿戴式設備、智慧家電、交通運輸、工業安全與防災等,都可以是物聯網的應用範疇。

不過,在物聯網的發展過程中,供電是個待解決的課題。日常生活為手機充電都覺煩人了,想想若晶片裝在水壩、橋樑、大樓牆上偵測結構安全,卻必須常常替這些為數可觀的晶片換電池,多麻煩啊!國研院奈米元件實驗室研發的「物聯網晶片自供電技術」便為了解決這問題。

技術的研發重點在於整合模組,團隊將「光能量採集模組」疊加整合到「物聯網晶片」上,與現有IC製程相符,一體成型。晶片可採集各種環境光能,室內日光燈或戶外太陽光都是能量來源,就像計算機上那塊輕薄的太陽能一樣,捕捉環境中的微小能量供自身運作。物聯網晶片並不是時時刻刻都在感測,可能每100秒偵測一次,「休眠」的時間便足以趁機採集能量儲存,換言之,晶片間歇地充電與工作。

既有作法是將「物聯網晶片」與「環境光能採集模組」分別放置於電路板上,採集的能源量與面積大小相關,因此整體面積大。疊合之後不僅面積縮減了60%,電流傳輸距離也從原先的數毫米縮減為數微米,大幅減少傳輸損耗。國家奈米元件實驗室、前瞻元件組組長沈昌宏說,此技術的室外光能採集量大約10mW/cm2,室內則約20 uW/cm2,續航力如何就得視應用場域而定,耗電較低的東西如手錶、煙霧感測器幾乎可以完全仰賴從環境採集的光能,取代電池這消耗品;耗電較大的設備就必須與電池或電容儲存裝置搭配,但至少可以延長晶片的充電週期,減少充電或換電池的頻率。

其實這技術脫胎自2010年一個「失敗」計畫,最初團隊希望將能量採集技術用於iPhone或穿戴式設備,但智慧型手機耗電太兇,根本來不及補充,「充電一兩個小時大概只能用一兩分鐘吧!」沈昌宏說,這計畫進行了兩三年,實在無法克服電力供需的巨大落差,只好放棄此構想。

近年物聯網興起,團隊發現物聯網的使用情境相當適合自供電技術,物聯網晶片的感測器就負責偵測特定現象(如心跳、溫度、震動、煙霧、壓力……),任務較單純且耗電少,團隊便將目標轉移到物聯網晶片上。另一方面,實驗室自有「積層型3D-IC」技術,可在不損壞先製好的第一層IC的情況下往上堆疊IC,團隊將該技術的「堆積木概念」延伸運用到能量採集,將「光能量採集模組」疊合到IC晶片上,晶片只增加了幾微米的厚度。此晶片自供電技術正申請專利中。

沈昌宏說,身為研究者的最終想望是,讓感測器設備可以全靠自供電,免去對電池的依賴。未來團隊會繼續開發更多感測器與自供電晶片技術,例如採集震動的機械能,把晶片裝在橋墩,橋上車子經過時引發的震動就能用以供電。

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團隊開發的晶片。圖/劉珈均攝。

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晶片特寫,其大小約一平方公分。圖/劉珈均攝。

 

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。