Enkeltelektrodemateriale strømliner funktioner til en lille chip

Evnen til at kombinere mange funktioner i en enkelt mikrochip er et væsentligt fremskridt i bestræbelserne på at perfektionere det lille, selvdrevne sensorer, der vil udvide tingenes internet. KAUST-forskere har formået at kombinere sansning, energihøst, strømafstivning og energilagring fungerer i en enkelt mikrochip.

"Tidligere forskere var nødt til at bruge voluminøse ensrettere, der konverterede intermitterende høstede elektrisk energi til konstant jævnstrøm til opbevaring i elektrokemiske mikrosuperkondensatorer, " siger Mrinal K. Hota, forsker ved KAUST og hovedforfatter af undersøgelsen.

Hota forklarer, at nøglen til at integrere alt i en enkelt chip var udviklingen af ​​rutheniumoxid (RuO2) som det fælles elektrodemateriale, der forbinder alle enheder i mikrokredsløbene. Holdet forestiller sig en bred vifte af applikationer fra overvågning af personlige helbredsindikationer direkte fra den menneskelige krop til miljø- og industriel sansning.

"Vores præstation forenkler enhedsfabrikation og realiserer betydelig miniaturisering af selvdrevne sensorenheder, " siger projektleder Husam Alshareef.

Ruthenium-oxid-kontakterne lægges på et glas- eller siliciumsubstrat for at forbinde sensing, energihøstende og strømudlignende elektronik med en eller flere elektrokemiske mikrosuperkondensatorer, der lagrer den elektriske energi. Dette skaber et lillebitte system, der kan fungere uden batteristrøm. I stedet bruger den tilgængelige kropsbevægelser eller maskinvibrationer som den pålidelige og vedvarende energikilde.

"I modsætning til et batteri, elektrokemiske mikrosuperkondensatorer kan holde i hundredtusindvis af cyklusser i stedet for blot et par tusinde, " påpeger Hota. De kan også levere en markant højere effekt fra en given volumen.

En nøgle til at skabe elektrodemateriale, der er egnet til at forbinde alle enheder, var at lave optimale rutheniumdioxid-overflader med kontrolleret ruhed, defekter og ledningsevne. Disse funktioner gjorde det muligt for teamet at bruge RuO2 til både elektronik og elektrokemiske mikrosuperkondensatorer.

En anden afgørende innovation var at bruge en gel, der efter påføring, størkner til superkondensatorernes elektrolyt. Dette er et materiale, der transporterer elektrisk ladning i form af ioner. Den størknede gel blev valgt for at undgå skader på ensrettere og tyndfilmstransistorer.

Forskerne planlægger nu at arbejde på at optimere RuO2-elektroderne yderligere og udforske at forbinde mange forskellige typer sensorer i deres chips. De ønsker også at undersøge tilføjelse af trådløs kommunikation til enheden. Dette ville gøre det muligt for biosensorer og miljøsensorer at sende data eksternt til alle trådløse modtagere, herunder mobiltelefoner og personlige computere.