La capacità di combinare molte funzioni in un singolo microchip è un progresso significativo nella ricerca per perfezionare il minuscolo, sensori autoalimentati che espanderanno l'Internet delle cose. I ricercatori KAUST sono riusciti a combinare il rilevamento, raccolta di energia, funzioni di raddrizzamento della corrente e di accumulo di energia in un unico microchip.

"In precedenza, i ricercatori hanno dovuto utilizzare raddrizzatori ingombranti che convertissero l'energia elettrica raccolta intermittente in corrente continua costante per l'immagazzinamento in microsupercondensatori elettrochimici, " dice Mrinal K. Hota, ricercatore presso KAUST e autore principale dello studio.

Hota spiega che la chiave per integrare tutto in un singolo chip è stata lo sviluppo dell'ossido di rutenio (RuO2) come materiale comune degli elettrodi che collega tutti i dispositivi nei microcircuiti. Il team prevede un'ampia gamma di applicazioni, dal monitoraggio delle indicazioni sulla salute personale direttamente dal corpo umano al rilevamento ambientale e industriale.

"Il nostro risultato semplifica la fabbricazione dei dispositivi e realizza una significativa miniaturizzazione dei sensori autoalimentati, ", afferma il capo progetto Husam Alshareef.

I contatti in ossido di rutenio sono posti su un substrato di vetro o silicio per collegare il rilevamento, elettronica per la raccolta di energia e la rettifica di corrente con uno o più microsupercondensatori elettrochimici che immagazzinano l'energia elettrica. Questo crea un piccolo sistema che può funzionare senza alimentazione a batteria. Utilizza invece il movimento del corpo disponibile o le vibrazioni del macchinario come fonte di energia affidabile e continua.

"A differenza di una batteria, i microsupercondensatori elettrochimici possono durare centinaia di migliaia di cicli anziché poche migliaia, " sottolinea Hota. Possono anche fornire una potenza significativamente maggiore a partire da un dato volume.

Una chiave per creare un materiale per elettrodi adatto per il collegamento di tutti i dispositivi era realizzare superfici ottimali di biossido di rutenio con rugosità controllata, difetti e conducibilità. Queste caratteristiche hanno permesso al team di utilizzare RuO2 sia per l'elettronica che per i microsupercondensatori elettrochimici.

Un'altra innovazione cruciale è stata quella di utilizzare un gel che, dopo l'applicazione, solidifica nell'elettrolita dei supercondensatori. Questo è un materiale che trasporta la carica elettrica sotto forma di ioni. Il gel solidificato è stato scelto per evitare danni ai raddrizzatori e ai transistor a film sottile.

I ricercatori ora intendono lavorare per ottimizzare ulteriormente gli elettrodi RuO2 ed esplorare il collegamento di molti diversi tipi di sensori nei loro chip. Vogliono anche indagare sull'aggiunta di comunicazioni wireless nel dispositivo. Ciò consentirebbe ai biosensori e ai sensori ambientali di inviare dati in remoto a qualsiasi ricevitore wireless, compresi telefoni cellulari e personal computer.