Möjligheten att kombinera många funktioner till ett enda mikrochip är ett betydande framsteg i strävan efter att fullända den lilla, självdrivna sensorer som kommer att utöka Internet of things. KAUST-forskare har lyckats kombinera avkänning, energiskörd, strömlikriktande och energilagringsfunktioner i ett enda mikrochip.

"Tidigare, forskare var tvungna att använda skrymmande likriktare som omvandlade intermittent skördad elektrisk energi till jämn likström för lagring i elektrokemiska mikrosuperkondensatorer, " säger Mrinal K. Hota, forskare vid KAUST och huvudförfattare till studien.

Hota förklarar att nyckeln till att integrera allt i ett enda chip var utvecklingen av ruteniumoxid (RuO2) som det vanliga elektrodmaterialet som förbinder alla enheter i mikrokretsarna. Teamet tänker sig ett brett spektrum av tillämpningar från övervakning av personliga hälsoindikationer direkt från människokroppen till miljö- och industriell avkänning.

"Vår prestation förenklar enhetstillverkning och realiserar betydande miniatyrisering av självförsörjande sensorenheter, säger projektledaren Husam Alshareef.

Ruteniumoxidkontakterna läggs på ett glas- eller kiselsubstrat för att ansluta avkänning, energiskördande och strömlikriktande elektronik med en eller flera elektrokemiska mikrosuperkondensatorer som lagrar den elektriska energin. Detta skapar ett litet system som kan fungera utan batteriström. Istället använder den tillgängliga kroppsrörelser eller maskinvibrationer som den pålitliga och kontinuerliga energikällan.

"Till skillnad från ett batteri, elektrokemiska mikrosuperkondensatorer kan hålla i hundratusentals cykler snarare än bara några tusen, " påpekar Hota. De kan också leverera en betydligt högre effekt från en given volym.

En nyckel till att skapa elektrodmaterial lämpligt för att ansluta alla enheter var att göra optimala ruteniumdioxidytor med kontrollerad grovhet, defekter och konduktivitet. Dessa funktioner gjorde det möjligt för teamet att använda RuO2 för både elektronik och elektrokemiska mikrosuperkondensatorer.

En annan avgörande innovation var att använda en gel som, efter applicering, stelnar till superkondensatorernas elektrolyt. Detta är ett material som transporterar elektrisk laddning i form av joner. Den stelnade gelén valdes för att undvika skador på likriktare och tunnfilmstransistorer.

Forskarna planerar nu att arbeta för att optimera RuO2-elektroderna ytterligare och utforska hur många olika typer av sensorer kan kopplas in i sina chips. De vill också undersöka att lägga till trådlös kommunikation i enheten. Detta skulle göra det möjligt för biosensorer och miljösensorer att skicka data på distans till alla trådlösa mottagare, inklusive mobiltelefoner och persondatorer.