Esta ilustração mostra o armazenamento de energia eletroquímica no chip integrado com a eletrônica de filme fino no nível do transistor usando um material de eletrodo único para todos os dispositivos. Crédito:WILEY-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
A capacidade de combinar muitas funções em um único microchip é um avanço significativo na busca para aperfeiçoar o minúsculo, sensores autoalimentados que irão expandir a Internet das coisas. Os pesquisadores da KAUST conseguiram combinar a detecção, coleta de energia, funções de retificação de corrente e armazenamento de energia em um único microchip.
"Anteriormente, os pesquisadores tiveram que usar retificadores volumosos que convertiam a energia elétrica coletada intermitente em corrente contínua constante para armazenamento em microssupercapacitores eletroquímicos, "diz Mrinal K. Hota, cientista pesquisador da KAUST e principal autor do estudo.
Hota explica que a chave para integrar tudo em um único chip foi o desenvolvimento de óxido de rutênio (RuO2) como o material de eletrodo comum que conecta todos os dispositivos nos microcircuitos. A equipe prevê uma ampla gama de aplicações, desde o monitoramento de indicações pessoais de saúde diretamente do corpo humano até sensores ambientais e industriais.
"Nossa conquista simplifica a fabricação de dispositivos e realiza uma miniaturização significativa de dispositivos sensores autoalimentados, "diz o líder do projeto Husam Alshareef.
Os contatos de óxido de rutênio são colocados em um substrato de vidro ou silício para conectar a detecção, eletrônicos de captação de energia e retificadores de corrente com um ou mais microssupercapacitores eletroquímicos que armazenam a energia elétrica. Isso cria um sistema minúsculo que pode operar sem bateria. Em vez disso, usa o movimento corporal disponível ou as vibrações do maquinário como fonte confiável e contínua de energia.
Um chip de filme fino com os microssupercapacitores de armazenamento de energia dispostos ao longo da parte superior e inferior do chip. Crédito:KAUST
"Ao contrário de uma bateria, microssupercapacitores eletroquímicos podem durar centenas de milhares de ciclos, em vez de apenas alguns milhares, "Hota ressalta. Eles também podem fornecer uma saída de potência significativamente maior de um determinado volume.
A chave para a criação de material de eletrodo adequado para conectar todos os dispositivos era fazer superfícies ideais de dióxido de rutênio com rugosidade controlada, defeitos e condutividade. Esses recursos permitiram que a equipe usasse o RuO2 para microssupercapacitores eletrônicos e eletroquímicos.
Outra inovação crucial foi usar um gel que, após a aplicação, solidifica-se no eletrólito dos supercapacitores. Este é um material que transporta carga elétrica na forma de íons. O gel solidificado foi escolhido para evitar qualquer dano aos retificadores e transistores de filme fino.
Os pesquisadores agora planejam trabalhar para otimizar ainda mais os eletrodos RuO2 e explorar a ligação de muitos tipos diferentes de sensores em seus chips. Eles também querem investigar a adição de comunicação sem fio ao dispositivo. Isso permitiria que biossensores e sensores ambientais enviassem dados remotamente para quaisquer receptores sem fio, incluindo telefones celulares e computadores pessoais.
Uma ilustração esquemática do circuito integrado fabricado em um substrato de vidro de uma polegada. O chip combina unidades eletrônicas e de armazenamento de energia no chip. Crédito:WILEY-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
