替代通常使用電池的技術開發正在蓬勃開展，一旦這些小型發電器得以普遍采用，便可實現不用電池的環境。

迄今，談及攜帶式電源便是電池，而如考慮到電池壽命，便需用商用電源或AC適配器，可又有使用場所的限制。不僅如此，當今顯示出最高性能的鋰離子電池，其技術進步已到飽和狀態，難以實現小型化。

受到人們關注的取代鋰離子電池的電源是自己產生電能的發電器。其能源可以由某種機械引擎的燃料或自然現象得以保證，而且只要采用半導體的細微加工技術，就能安裝在LSI芯片上實現小型化。

小型發電器的分類

取代鋰離子電池的小型發電器大致要分為燃料系和自然能系兩種(圖1、圖2)。

圖4  太陽能的波長分布

圖5  透明太陽電池的光電電壓

圖6  試制的微振動發電機

燃料系有使用汽油或丙烷氣等普通機械引擎燃料的往復式/轉缸式發電器或燃氣輪機發電器，和以甲醇及氫為燃料的燃料電池。兩者均能在瞬間達到高的輸出。其功率密度指標以燃氣輪機發電器最大，其后依次為往復式/轉缸式發電器、燃料電池。因此，燃氣輪機及往復式/轉缸式發電器對追求高輸出的機器人用電源有利，輸出較低但作為長壽命指標的能量密度更高的燃料電池，則適合用于便攜式設備的電源。這些燃料系發電器由于有越小型其發電效率越低的傾向，因此必須要有解決這個問題的對策。為了把燃氣輪機或往復式/轉缸式發電器小型化到芯片的尺寸，必須跨過許多難關。首先，如何讓葉輪及活塞等機械部分高速運動而不剮破周圍四壁，進而為提高效率，必須提高燃料壓縮部與由燃燒而動作的部分的絕熱性。

燃料電池已被制成在芯片上發電的元件，直接讓甲醇發生反應的直接甲醇方式因其結構簡單，有利于小型化。不過，要把能量密度提高到與鋰離子電池相當，甲醇濃度必須濃到40%以上。而成問題的是甲醇穿透過固體電解質的竄渡(Cross-over)現象。因此，開發既傳導發電所必要的粒子又不通過甲醇的高分子材料是重要的。此外，在補充燃料的球管及泵浦等機械部件方面，也必須實現小型和高性能。

自然能系是利用陽光、微振動、溫差等自然產生的能量的發電器。雖然功率密度低于鋰離子電池，但由于其能量在自然界大量存在，可以說能量密度無限之大。它們已用于鐘表之類的超低電力工作的設備，以及經長時間蓄存于電容器后再放電的輔助電源等。比如，利用微振動和溫差的發電，都已實際用于手表中了。

不過，這種自然的能量源由于受環境的左右，要確保恒定的能量還需要付出努力。比如說，對于太陽電池，如在被分隔的空間內，即可利用LED光，而對于溫差發電器，便可利用人的體溫與外部空氣的溫差。

燃料系運用硅的細微加工技術

燃料系發電器相繼開發了運用半導體細微加工實現小型化的主要技術。

日本早稻田大學在大約20mm見方的硅底板上形成了直接甲醇型的燃料電池，其特點是能以半導體一樣的思路實現高度集成。普通的燃料電池采用供給甲醇的燃料極和供給O2的空氣極從兩邊夾住固體電解質膜的雙極結構，而它則是把燃料極的空氣極并排在固體電解質一側同一平面上的平板結構，既節省空間，又能簡單地串并行連接。這種小型燃料電池的實現兼用了硅的細微加工、催化劑的電鍍、電化學材料等多種技術。

這項開發中基本單元的發電作用已得到證明(圖3)。今后，通過最佳設計燃料極與空氣極之間筋拱(間壁)的長度，以及加在固體電解質膜上的力，便能抑制甲醇的竄渡和固體電解膜的電阻分量引起的輸出降低。據稱，改善催化劑的結構及接觸面積，將來疊層至50~100層，就可能達到移動電話機可以工作的1~2W。

日本立命館大學試制了10×15mm2的、針對往復式發電器的燃燒引擎。比之燃氣輪機發電器，雖輸出低一個數量級，但卻有結構簡單、燃燒溫度約600℃(不及其一半)的特點。這項開發證明了利用硅細微加工技術形成的活塞可在壓縮空氣下工作。最小加工尺寸為15mm，間隙加工精度為±1mm。測試結果是活塞工作速度為50Hz，位移0.3mm。最終，利用這種燃燒引擎的發電器將以50~500mW為目標，屆時所需的活塞工作速度及位移分別為其10倍和4倍。今后，隨著各種目標值的接近，將實際制作成燃燒、發電機構，最后還必須封裝。對于這些技術課題，該大學人士稱，3年后制定技術開發目標，5年后制作成樣機。

美國麻省理工學院正在努力實現面向燃氣輪機發電器的20mm見方的燃燒引擎。對硅的細微加工后再疊層形成的燃燒引擎，并經過了封裝。為與鋰離子電池及燃料電池抗衡，必須開發高效率的燃燒引擎和不漏泄熱及燃料的封裝。目前，該項開發處于將燃燒引擎按芯片尺寸小型化并進行燃燒測試的階段。

自然能系效率低卻有價值

自然能系其功率密度比之鋰離子電池有數量級之差，似乎尤其不能作為電池之用。然而，近來卻出現了積極進行開發的趨勢。因為功率密度雖低，但只要功夫到家，價值會提高，用途也很廣闊。

其典型例子是日本產業技術綜合研究所開發的透明太陽電池。以往的太陽電池主要利用可見光及紅外光來發電，典型的非晶體硅發電效率大約不過7%。而產綜研的太陽電池利用紫外光發電，可見光照樣通過，而且對紅外光通過電壓控制，在某一波長以上幾乎能100%反射。比如將其用于窗戶玻璃時，就可能達到既保證了作為照明的可見光，而在夏天反射成為熱線的紅外光，在冬天卻引入室內獲得暖房的效果(圖4)。這樣一來，可以說100%利用了太陽能。

產綜研已試制了一種pn結器件，證明可以利用青色光和紫外光發電(圖5)。光電壓在波長400mm的青色光時顯示最大值，之所以能利用紫外光發電，是因為利用了帶隙大的透明半導體。N型半導體采用了ZnO，P型采用了CuAlO2，在玻璃基板上形成其pn結。通過電壓等來控制該pn結的載流子濃度，便能因等離子振動而反射紅外光。

日本的日立制作所提出了一種有效利用自然界的振動能的方案(圖6)。微振子發電已在鐘表上實際應用，但可以發現，迄今與鐘表同樣功耗低但非經常的攜帶的用途，便尤其不能安裝它。日立成功地進行了存在于建筑物的振動的原理實驗，比如說有可能用作埋入建筑物的無線探測芯片的電源。

該公司稱，在中央研究所建筑物內測定，可確定發生了50Hz下約1mm的振動，從而試制了預定1mm振動的振動發電實驗裝置。它使用諧振型振子，將1mm的振動放大到30mm。它以2.5cm見方、厚度5mm的振子作為電容器，先對該振子充電，振子違反與相向電極的庫侖力，而通過放電得到工作能量。

不過，充放電的電荷量及充放電的定時，由于受振子容量及電阻分量等多種參量的影響，理論上難以控制。日立通過調整時標控制電路，據說可達到最佳條件。其結果是輸出0.12mm，發電效率為21%。

立命館大學還對溫差發電器采用硅的細微加工技術，實現了高輸出。此種發電器基本上利用由溫差產生電力的澤貝克效應。過去曾有過感知紅外線(熱線)的傳感器在硅上形成溫差發電器的例子，但由于器件與硅基板躺在同一平面上，面積效率不佳。這次的開發可以利用發電器本身的熱膨脹差而直立在硅上，其結果增加了每單位面積的元件數，提高了輸出。

而且該大學應用此技術與東?，F化共同開發了一種柔性溫差發電器。在使用78對Ni和Cu構成的發電元件時，輸出達1.2mV/℃。據說，將來該項技術可發展成像衣服一樣穿著的發電器。■(老蔡)

圖1   小型發電機的位置

圖2  小型發電機的特征

圖3  Si加工形成的燃料電池的工作結果