Universidade Estadual da Pensilvânia desenvolve chip integrado de computação e sensoriamento autoalimentado

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipe de pesquisa da Universidade Estadual da Pensilvânia desenvolveu um circuito integrado (IC) alimentado por luz ambiente, que pode realizar computação de dados e detecção de substâncias químicas enquanto coleta energia. Acredita-se que esse avanço possa impulsionar o desenvolvimento de dispositivos permanentemente livres de recarga, adequados para cenários sem fonte de alimentação ou com baterias de difícil substituição. O artigo relacionado foi publicado na Nature Electronics.

Atualmente, a maioria dos dispositivos eletrônicos portáteis, como laptops, smartphones e smartwatches, ainda depende de baterias, necessitando de recargas frequentes. Na última década, engenheiros em todo o mundo têm se dedicado ao desenvolvimento de dispositivos eletrônicos sem bateria, que podem coletar energia de fontes renováveis ambientais, como luz natural, iluminação interna ou calor residual ambiente. O chip lançado pela equipe de Das adota uma arquitetura de integração tridimensional monolítica (M3D), integrando coleta de energia, sensoriamento e computação em um único componente.

O autor correspondente do artigo, Saptarshi Yang, afirmou que o laboratório há muito explora a possibilidade de criar um sistema eletrônico que possa perceber informações ambientais, processar dados localmente e se autoalimentar com energia ambiental. No futuro, uma infinidade de dispositivos de Internet das Coisas e computação de borda serão implantados em locais remotos ou de difícil manutenção, onde a substituição de baterias é extremamente cara. Esta pesquisa valida uma arquitetura de chip tridimensional monolítica altamente integrada, que combina essas três funções.

O chip, desenvolvido pela equipe de Das, integra dois tipos de materiais de transistor semicondutores bidimensionais — dissulfeto de molibdênio (MoS₂) e disseleneto de tungstênio (WSe₂) —, combinados com um módulo fotovoltaico de silício e uma unidade de sensoriamento de grafeno. O chip completo é composto por três camadas de pastilhas empilhadas verticalmente: a camada inferior é de silício fotovoltaico, responsável por capturar a luz ambiente e convertê-la em energia elétrica; a camada intermediária utiliza semicondutores bidimensionais para construir circuitos lógicos de baixo consumo; a camada superior abriga um sensor químico de grafeno. Quando um líquido entra em contato com a camada de sensoriamento, as propriedades elétricas do dispositivo mudam, gerando um sinal elétrico que é transmitido através de interconexões verticais para a camada lógica intermediária, onde é convertido em sinal digital. Das explicou que todo o chip é alimentado exclusivamente pelo módulo de coleta de luz na camada inferior, sem necessidade de fonte de alimentação externa.

Das afirmou que este circuito integrado é um dos menores chips alimentados por luz já criados, com uma distância de apenas 50 nanômetros entre as pastilhas das camadas funcionais. No futuro, a distância entre as camadas pode ser ainda mais reduzida, permitindo a criação de dispositivos autoalimentados por luz ambiente de tamanho ainda menor. Esta pesquisa valida a viabilidade de integrar diversos materiais heterogêneos, como silício, grafeno, MoS₂ e WSe₂, em uma arquitetura tridimensional monolítica, realizando um sistema de sensoriamento e computação autossustentável. Diferente da interconexão externa lado a lado de múltiplos chips independentes, esse modo de integração compacta em escala nanométrica pode reduzir o tamanho do chip, encurtar as linhas de interconexão e diminuir o consumo de energia na transmissão.

Esta pesquisa abre caminho para o desenvolvimento de pequenos dispositivos inovadores livres de recarga, especialmente adequados para cenários como monitoramento ambiental em campo, infraestrutura inteligente e sensoriamento médico. Das afirmou que, na próxima etapa, a equipe aprimorará o sistema, aumentando sua complexidade e expandindo sua capacidade de implementação em escala, incluindo a integração de circuitos CMOS bidimensionais de maior escala, diversificação dos tipos de sensoriamento, otimização das unidades fotovoltaicas e de armazenamento de energia, e, finalmente, a incorporação de módulos de comunicação sem fio de baixo consumo. Outro foco de pesquisa é melhorar a confiabilidade do dispositivo e a taxa de rendimento na fabricação, promovendo a integração de materiais bidimensionais com a tecnologia de integração tridimensional monolítica baseada em silício para o campo de dispositivos de computação de borda comerciais.