De mogelijkheid om veel functies te combineren in een enkele microchip is een belangrijke stap vooruit in de zoektocht naar het perfectioneren van de kleine, zelfaangedreven sensoren die het internet der dingen zullen uitbreiden. KAUST-onderzoekers zijn erin geslaagd om sensing, energie-oogsten, stroomgelijkrichtende en energieopslagfuncties in één enkele microchip.

"Eerder, onderzoekers moesten omvangrijke gelijkrichters gebruiken die intermitterend geoogste elektrische energie omzet in constante gelijkstroom voor opslag in elektrochemische microsupercondensatoren, " zegt Mrinal K. Hota, onderzoekswetenschapper bij KAUST en hoofdauteur van de studie.

Hota legt uit dat de sleutel tot het integreren van alles in een enkele chip de ontwikkeling van rutheniumoxide (RuO2) was als het gemeenschappelijke elektrodemateriaal dat alle apparaten in de microschakelingen verbindt. Het team voorziet een breed scala aan toepassingen, van het rechtstreeks vanuit het menselijk lichaam monitoren van persoonlijke gezondheidsindicaties tot omgevings- en industriële detectie.

"Onze prestatie vereenvoudigt de fabricage van apparaten en realiseert een aanzienlijke miniaturisatie van zelfaangedreven sensorapparaten, ", zegt projectleider Husam Alshareef.

De rutheniumoxide-contacten worden op een glas- of siliciumsubstraat gelegd om detectie aan te sluiten, energie-oogstende en stroomgelijkrichtende elektronica met een of meer elektrochemische microsupercondensatoren die de elektrische energie opslaan. Dit creëert een klein systeem dat kan werken zonder batterijvoeding. In plaats daarvan gebruikt het beschikbare lichaamsbewegingen of machinetrillingen als betrouwbare en continue energiebron.

"In tegenstelling tot een batterij, elektrochemische microsupercondensatoren kunnen honderdduizenden cycli meegaan in plaats van slechts een paar duizend, " merkt Hota op. Ze kunnen ook een aanzienlijk hoger vermogen leveren vanaf een bepaald volume.

Een sleutel tot het maken van elektrodemateriaal dat geschikt is om alle apparaten aan te sluiten, was het maken van optimale rutheniumdioxide-oppervlakken met gecontroleerde ruwheid, defecten en geleidbaarheid. Dankzij deze functies kon het team RuO2 gebruiken voor zowel elektronica als elektrochemische microsupercondensatoren.

Een andere cruciale innovatie was het gebruik van een gel die, na toepassing, stolt in de elektrolyt van de supercondensatoren. Dit is een materiaal dat elektrische lading in de vorm van ionen transporteert. De gestolde gel werd gekozen om schade aan gelijkrichters en dunnefilmtransistors te voorkomen.

De onderzoekers zijn nu van plan om de RuO2-elektroden verder te optimaliseren en te onderzoeken hoe veel verschillende soorten sensoren aan hun chips kunnen worden gekoppeld. Ze willen ook onderzoeken hoe draadloze communicatie aan het apparaat kan worden toegevoegd. Hierdoor kunnen biosensoren en omgevingssensoren gegevens op afstand naar draadloze ontvangers sturen, inclusief mobiele telefoons en personal computers.