Cette illustration représente le stockage d'énergie électrochimique sur puce intégré à l'électronique à couche mince au niveau du transistor à l'aide d'un matériau à électrode unique pour tous les appareils. Crédit :WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
La possibilité de combiner de nombreuses fonctions dans une seule puce est une avancée significative dans la quête pour perfectionner le minuscule, capteurs auto-alimentés qui étendront l'Internet des objets. Les chercheurs de la KAUST ont réussi à combiner la détection, récupération d'énergie, fonctions de redressement de courant et de stockage d'énergie dans une seule micropuce.
"Précédemment, les chercheurs ont dû utiliser des redresseurs encombrants qui convertissaient l'énergie électrique récupérée par intermittence en courant continu constant pour le stockage dans des microsupercondensateurs électrochimiques, " dit Mrinal K. Hota, chercheur à la KAUST et auteur principal de l'étude.
Hota explique que la clé pour tout intégrer dans une seule puce était le développement de l'oxyde de ruthénium (RuO2) comme matériau d'électrode commun reliant tous les dispositifs des microcircuits. L'équipe envisage une large gamme d'applications allant de la surveillance des indications de santé personnelle directement du corps humain à la détection environnementale et industrielle.
"Notre réalisation simplifie la fabrication des dispositifs et réalise une miniaturisation significative des dispositifs de capteurs auto-alimentés, " déclare le chef de projet Husam Alshareef.
Les contacts en oxyde de ruthénium sont posés sur un substrat de verre ou de silicium pour connecter la détection, électronique de récupération d'énergie et de redressement de courant avec un ou plusieurs microsupercondensateurs électrochimiques qui stockent l'énergie électrique. Cela crée un petit système qui peut fonctionner sans aucune alimentation par batterie. Au lieu de cela, il utilise les mouvements du corps disponibles ou les vibrations des machines comme source d'énergie fiable et continue.
Une puce à couche mince avec des microsupercondensateurs de stockage d'énergie disposés en haut et en bas de la puce. Crédit :KAUST
"Contrairement à une batterie, les microsupercondensateurs électrochimiques peuvent durer des centaines de milliers de cycles plutôt que quelques milliers, " fait remarquer Hota. Ils peuvent également fournir une puissance de sortie nettement plus élevée à partir d'un volume donné.
Une clé pour créer un matériau d'électrode adapté à la connexion de tous les appareils était de créer des surfaces de dioxyde de ruthénium optimales avec une rugosité contrôlée, défauts et conductivité. Ces caractéristiques ont permis à l'équipe d'utiliser RuO2 pour les microsupercondensateurs électroniques et électrochimiques.
Une autre innovation cruciale a été d'utiliser un gel qui, après application, se solidifie dans l'électrolyte des supercondensateurs. C'est un matériau qui transporte des charges électriques sous forme d'ions. Le gel solidifié a été choisi pour éviter tout endommagement des redresseurs et des transistors à couches minces.
Les chercheurs prévoient maintenant de travailler pour optimiser davantage les électrodes RuO2 et d'explorer la possibilité de relier de nombreux types de capteurs différents dans leurs puces. Ils souhaitent également étudier l'ajout d'une communication sans fil dans l'appareil. Cela permettrait aux biocapteurs et aux capteurs environnementaux d'envoyer des données à distance à n'importe quel récepteur sans fil, y compris les téléphones portables et les ordinateurs personnels.
Une illustration schématique du circuit intégré fabriqué sur un substrat de verre d'un pouce. La puce combine l'électronique et des unités de stockage d'énergie sur puce. Crédit :WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
