Nature：美国研制出一款三层垂直堆叠的自供电芯片

2026年7月，美国宾夕法尼亚州立大学研究团队在《Nature Electronics》发表最新成果，宣布研制出一款三层垂直堆叠的自供电芯片。该芯片采用单片三维集成技术，将环境光采能、逻辑计算和化学传感集成于同一芯片，在环境光照条件下无需外接电源，即可完成感知和信号处理。

突破性架构：三层垂直堆叠

该芯片由三层材料垂直堆叠而成，层间间距仅50纳米，是迄今已知最紧凑的光驱芯片之一。

顶层：集成石墨烯晶体管，用于低功耗化学传感。当液体被置于传感器上时，会改变该层的电响应，产生的电信号沿垂直互联线路向下传输。

中间层：采用n型单层MoS₂和p型双层WSe₂构筑互补逻辑电路，实现低功耗运算。

底层：集成片上硅光伏模组，捕获环境光能并为整个芯片供电。

研究团队核心成员Saptarshi Das表示：“我们证明了硅、石墨烯、MoS₂和WSe₂等异质材料可以在三维空间内单片集成，构建自供电的感知与计算系统。这与简单地将不同芯片并排放置或外部连接有本质区别——我们将传感、计算和能量采集在纳米尺度上融为一体，显著减少了占地面积、互连长度和能量损耗。”

实验验证：自主识别化学溶液

实验结果表明，该集成电路仅依靠环境光即可自主工作，能够准确区分红酒、盐水、去离子水和糖水等多种化学溶液，并自动生成对应的数字编码，实现了全可持续传感运算。此外，研究团队验证了跨层高密度信号通孔与供电通孔集成工艺，层间垂直隔离厚度可压缩至50纳米。

这项技术为构建完全脱离外部供电、自主长效运行的智能终端提供了新的解决方案，在环境监测、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。研究团队表示，下一步将继续扩大集成电路规模、拓展传感器类型，并结合低功耗无线通信，构建无需电池即可长期运行的智能感知系统。

自供电技术国内布局

随着物联网设备数量持续增长，越来越多低功耗终端需要长期部署在仓储物流、工业设备、智能楼宇、农业、医疗等难以频繁维护的场景中。对于这类设备而言，后期更换电池不仅意味着高昂的人工维护成本，还可能影响设备连续运行。

在这一背景下，利用环境中的光能、振动、热能、射频等微弱能量为设备持续供电的微能量取电技术正受到越来越多关注。其核心思路是利用环境中的可获取能量，为电子标签、资产追踪器、环境传感器等超低功耗终端提供能源，减少甚至摆脱对传统电池的依赖。

从技术演进趋势看，微光发电在商业化进程上已形成明显领先。在室内环境下，微光方案的可用功率（10-1000 μW/cm²）远超射频和振动等其他取能路线。目前，国内已有相当的企业开始布局。

环境光采能方向，炎和科技、光因科技等基于钙钛矿技术，追光科技、印唯科技等基于有机光伏（OPV）技术，开发面向室内弱光与散射光环境的光电转换模组，可将环境中的微弱光能转化为电能。

环境中的能量采集下来后，还需经过电源管理芯片管理，才能稳定驱动后续电路。国内厂商米德方格，其微能量收集PMIC产品具备超低冷启动电压和纳瓦级静态功耗，可在低至3.7μW的能量输入场景下实现冷启动，已实现量产。