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引言
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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。
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% {! v9 M H2 u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]。' N: R/ T5 q& g- K* y
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; _( N9 ]9 Q% Q- t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。
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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。
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7 V ^0 }/ ?! T" k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。$ m' i5 O2 {: h8 L, _2 |
器件结构与设计# F! W0 r. ]# h( A9 S* Y* v
5 P1 v7 G, O, J- `; g( ^9 j6 h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。
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/ {( v7 E* b; b, `: R" d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。' E: Q3 ?! l/ z b z, C6 T: r
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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。
7 f' D2 H1 O A/ l ~# O+ O- W( o: j实验结果与性能分析5 b9 U; M' ^/ Y8 Q! J0 K1 n
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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。
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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。2 U: v- K; @4 Z
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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。
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* n0 w, C, I' I) { _! \0 |4 g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。9 y6 Y* p. ^. [8 O$ e; f
# b8 f: t+ m! L. L0 g0 P0 c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。7 c: Z- S" C$ e8 ]1 u4 f2 L$ n- D3 S! E
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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。
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9 p" l8 j0 L# u$ I/ x# m. _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。/ R4 K2 G* w8 A7 Q9 w
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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。
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; U+ V3 R$ Q. q/ ^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。% h6 C, a$ D) B
参考文献
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[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. 72-75.6 l2 ?* K$ m( J- A$ l$ l
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) h/ |- B, L2 d9 j4 M9 d关于我们：
7 l6 s' L* ~& @$ ]2 G0 Q1 g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。
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