IEEE MEMS2025 | 低功耗开关技术延长金属空气电池寿命的创新方法

逍遥设计自动化

引言
9 }* ?" m! s2 u9 o$ [8 g
4 H, J3 j" r3 J# m远程传感器网络在环境监测、农业和灾害响应应用中发挥着重要作用。预计到2041年，无线传感器节点的部署量将超过15亿个，对可靠、安全和长效的电源需求日益增长。传统电池如锂离子电池虽能提供稳定的输出功率，但由于含有毒性材料且存在热失控风险，对环境构成严重威胁。
* {4 |: d6 s. |. A( C
- {3 [2 ?; n6 B. v, t金属空气电池是一种理想的替代方案，能量密度是锂离子电池的30倍，且可使用水等天然电解质。但这种电池面临一个主要限制：与电解质接触会形成金属氧化物，导致自放电，通常在2-7天内使电池无法工作[1]。
* Q1 \; ?1 g& ~$ Y

ua3d4vjczht640336732.png

lcxqgxylaer640336833.png

% p( w2 @* ]1 f# o图1：展示了(A)电池在疏水和亲水状态之间的转换，以及(B)通过功率产生占空比延长寿命的概念。
技术创新与工作原理

4 M1 x0 z; H) _核心创新在于通过润湿性转换机制控制电解质的进入。系统采用悬浮铜网层，自然形成氧化铜(Cu2O)涂层使表面呈疏水性。当施加低电压信号(2.35V)时，通过电解去除氧化层，使表面转变为亲水状态，允许电解质流动。
( N' {3 ?: j1 g

keljvqyfohe640336933.png

图2：系统结构细节，显示(A)电池两层的示意图和(B)关键尺寸的横截面视图。
! w2 j4 _: U/ X) }3 X器件结构与设计

电池系统采用双层设计，优化润湿性控制和功率产生。顶部准入层由硅基底上的铜微网构成，具有宽度100μm、间距300μm的通孔。这种微结构设计可有效控制水性电解质流动。
2 Z: H- L1 n6 I4 d9 z. }
底层设计为交叉式金属空气电池，使用铝作为阳极，铂作为阴极。为提高功率密度，铝电极采用高50μm、宽60μm的玻璃微柱阵列，覆盖铝层，有效使表面积翻倍。
3 \/ b2 H7 S; ^4 d2 h! J

ap5wxjlonfz640337033.png

# T1 J6 A' b, d8 H- H; O# `图3：微加工工艺流程，展示(A)带微柱电极的电池层，(B)带铜基电解质通道的准入层，以及(C)完整封装器件组装。
# Y0 q5 F* v# i' m) ~实验结果与性能分析

- i3 ?! U% y& o# f- k( G通过多项测试验证了润湿性转换机制的有效性。表面分析证实，施加电压成功去除约80%的表面氧化物，实现从疏水到亲水状态的转变。
+ O- ]- f2 H) S

cnpi1ihnrjf640337134.png

$ N" w- j0 {4 S: d( n图4：扫描电镜分析显示(A)准入层俯视图，(B)氧化物去除后的表面改性，以及(C)表面变为亲水性后的吸水演示。
8 p+ N5 j2 p; m$ h' \$ k
' G7 T( P  T* `4 b* a$ l接触角测量证实了电压诱导的润湿性转换效果。初始接触角为103.5°，施加2.35V电压20秒内降至31.8°，确认转变为亲水状态。
& X" |( U2 p; \( a2 t

03egf2pawhl640337234.png

% i& ^6 ^" y2 Z# d. _0 f" ?  J图5：接触角测量显示在2.35V电压下从疏水到亲水状态的转变，及30分钟后恢复疏水状态。

时序分析显示对电池激活周期的精确控制。施加电压后，表面在20秒内转变，允许吸水和电池激活。电压移除后，表面在20-30分钟内逐渐恢复疏水状态。
& q2 p+ B# n% U& {

htoddburwyk640337334.png

$ r. ?5 b4 X. c" I" ]) K5 e! I图6：综合时序图，说明电压施加、接触角变化和电池激活/关闭循环。
, p/ h" G, w% h% x+ f
6 y7 q2 n! [, s  M+ `$ K性能表征显示出显着结果，图案化阳极设计实现功率密度1.3 mW/cm2，约为普通阳极结构的两倍。
# E1 q$ V/ q+ x3 m+ ^: G

kzvdwgz4kdl640337434.png

6 t! u5 Q* Q& w5 w/ }+ F1 E图7：性能分析显示(A)不同阳极设计的电容器充电对比，和(B)基于实验数据的寿命预测。
0 D: x3 P/ P7 t
本创新方法在保持环境安全的同时，显着延长了金属空气电池寿命。系统实现约1.1 mW/cm2的功率密度，激活-检测循环在30分钟内完成，为远程传感应用的可持续电源提供了技术进步。
) e7 ?0 n: T9 c$ p6 L8 z; n1 s/ i参考文献
4 ]. X( e6 |; Q4 a
) u3 P2 D" Q  b' z5 u. r# l4 n# P[1] F. S. Sium, S. Tran, K. R. Mahmud, A. Nikeghbal, S. Noh, C. Mastrangelo, and H. Kim, "Low power switching of a metal air battery towards extended lifetime," in 2025 IEEE 36th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 72-75.
END

% ?- S# S. k2 r  o1 @  _/ \1 Q软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
) m' q6 B; J* M1 `0 B点击左下角"阅读原文"马上申请
- Y7 n! j. K" f7 b
欢迎转载
+ v* T" V1 c/ \
, i5 ^, o( g7 o" N5 R4 t6 B5 C' i转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
' c: t" m: d+ H2 l
# H8 u" x1 T3 N! I+ _

3azjwunpv2r640337534.gif

关注我们

* \7 L4 E! j8 N- d+ U% F

hlfwam3n1y0640337635.png

uyrgytcgfwu640337735.png

) O6 I9 b( ^/ J5 Q4 i( i uncpywjsixu640337835.png

                     
# R1 u( T3 \; M


关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
) a! V& f+ {' w0 k0 x
' n! e1 s: u" ]+ ?2 Bhttp://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）