美国宾夕法尼亚州立大学研发自供电计算传感一体化芯片

维度网讯，宾夕法尼亚州立大学研究团队开发出一款利用环境光供电的集成电路（IC），该芯片可在采集能量的同时完成数据运算和化学物质检测。这项成果被认为有望推动永久免充电设备的发展，适用于无电源或难以更换电池的应用场景。相关论文已发表于《自然·电子》（Nature Electronics）。

目前绝大多数便携电子设备，如笔记本电脑、智能手机和智能手表，仍依赖电池供电，需频繁充电。过去十年间，全球工程师致力于研发无电池电子器件，这类设备可从自然光、室内照明或环境余热等可再生环境能源中自主采集电能。Das团队推出的这款芯片采用单片三维集成（M3D）架构，将能量采集、传感与计算功能整合于一体。

论文通讯作者Saptarshi Yang表示，实验室长期探索能否打造一类电子系统，既能感知环境信息，又可本地处理数据并依靠环境能源自给供电。未来海量物联网与边缘计算设备将部署在偏远或难以维护的场景，更换电池成本极高。这项研究验证了一种高度集成的单片三维架构芯片，将上述三大功能融为一体。

该芯片由Das团队研发，集成了两种二维半导体晶体管材料——二硫化钼（MoS₂）和二硒化钨（WSe₂），并搭配硅光伏模块与石墨烯传感单元。整套芯片由三层裸片垂直堆叠构成：底层为硅光伏层，用于捕获环境光能并转化为电能；中间层采用二维半导体打造低功耗逻辑电路；顶层搭载石墨烯化学传感器。当液体接触传感层时，器件电学特性发生改变，产生电信号，并通过垂直互连结构传输至中间逻辑层转换为数字信号。Das介绍，整套芯片完全由底层采光模块供电，无需外接电源。

Das介绍，该集成电路是目前体积最小的光供能芯片之一，各功能层裸片间距仅为50纳米。未来可进一步缩小层间距离，打造尺寸更小的环境光自供电设备。该研究验证了硅、石墨烯、MoS₂、WSe₂等多种异质材料在单片三维架构中一体化集成的可行性，实现了自驱动传感计算系统。与多颗独立芯片并排外置互连不同，这种纳米级紧密集成模式可缩小芯片体积，缩短互连线路并降低传输能耗。

该研究为小型免充电创新设备的发展铺平了道路，尤其适用于野外自然环境监测、智能基建和医疗传感等场景。Das表示，下一步团队将完善系统，提升复杂度并拓展规模化落地能力，包括集成更大规模的二维CMOS电路、丰富传感类型、优化光伏与储能单元，并最终搭载低功耗无线通信模块。另一项研发重点是提升器件可靠性与制造良率，推动二维材料与传统硅基单片三维集成技术进入商用边缘计算设备领域。