Wirtschaftliches Micro Energy Harvesting

Wo Platz knapp ist oder ein Austausch schwierig, ist die Stromversorgung von Sensoren über Batterien oder Kabel meist zu umständlich. Die Energiezufuhr sollte am besten integriert erfolgen und langlebig sein. Eine Lösung bietet Energy Harvesting – die Energieerzeugung vor Ort zum Beispiel durch Solarzellen, thermoelektrische oder piezoelektrische Materialien.

Mit dieser Anlage können Fraunhofer-Forscher piezoelektrische AlN-Schichten für Low-Power-Sensoren wirtschaftlich herstellen. (Bild: Fh.-FEP)

Mit dieser Anlage können Fraunhofer-Forscher piezo­elektrische AlN-Schichten für Low-Power-Sensoren wirt­schaftlich herstellen. (Bild: Fh.-FEP)

Piezoelektrika können mechanische Vibrationen in elektrische Energie umwandeln, indem durch Einwirken einer mechanische Kraft eine Ladungs­trennung entsteht. Sie lassen sich überall dort einsetzen, wo es ein definiertes, wenn auch nicht unbedingt konstantes Vibrations­verhalten gibt – an Maschinen, an Flugzeug­trie­bwerken, in Motoren oder auch im mensch­lichen Körper, wo Blutdruck, Atmung oder Herzschlag immer für Impulse sorgen. Bisher kam für piezo­elektrische Materialien überwiegend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zum Einsatz. Eine Alternative ist Aluminiu­mnitrid (AlN). Im Vergleich zu PZT besitzt dieses günstigere mechanische Eigen­schaften, ist bleifrei, stabiler und biokom­patibel. Zudem ist es problemlos möglich, Aluminium­nitrid-Schichten in gängige Fertigungs­prozesse der Mikro­elektronik zu integrieren.

Das Dilemma dabei: Um Piezoelektrika in die immer kleineren elek­tri­schen Systeme zu inte­grieren, müssen sie einer­seits möglichst klein sein. Anderer­seits brauchen sie ein gewisses Volumen, um ausrei­chend Energie zu erzeugen. Mit bishe­rigen Methoden lassen sich die anvi­sierten Schicht­dicken nicht wirt­schaft­lich her­stel­len: Abscheide­raten, Homoge­nität und Be­schich­tungs­bereiche sind zu gering. Wissen­schaf­tler am Fraun­hofer-Institut für Orga­nische Elek­tronik, Elek­tro­nen­strahl- und Plasma­technik FEP ent­wick­elten nun ein Ver­fah­ren, mit dem sie auf einem Durch­messer von bis zu 200 mm sehr homo­gene Schich­ten bei gleich­zeitig hohen Beschich­tungs­raten abscheiden können. Damit ist der Prozess wesent­lich produk­tiver und renta­bler als aktu­elle Vor­gehens­weisen.

Die Forscher scheiden die Schichten durch reaktives Magnetron-Sputtern von Alumi­nium­targets in einer Argon-Stickstoff-Atmo­sphäre auf Silizium­wafer ab. Bei diesem physika­lischen Vorgang werden durch Beschuss mit den energie­reichen Edelgas-Ionen Atome aus Fest­körpern, den Targets, heraus­gelöst und gehen in die Gasphase über. Sie lagern sich dann als Schicht auf den Wafern ab. Dafür nutzen die Wissenschaftler die selbst entwickelte Doppel-Ring-Magnetron-Sputter­quelle DRM 400, bestehend aus zwei ring­förmigen Targets. Da sich die Entla­dungen beider Targets überlagern, ist es möglich, die AlN-Schichten homogen auf einer großen Beschich­tungsfläche mit einem Piezo­koef­fizienten d33 von bis zu 7 pC/N abzu­scheiden. Dieser Wert sagt aus, wie sehr das Material reagiert – die üblichen Literatur­werte liegen zwischen 5 bis 7 pC/N. Gleichvzeitig lassen sich die Schicht­spannungen flexibel an das jeweilige Anwen­dungs­feld anpassen. Diese Span­nungen beein­flussen zum Beispiel, wie gut die Schicht haftet oder wie gleich­mäßig sich die Energie erzeugen lässt.

Energy Harvesting Demonstrator (Bild: Fh.-FEP)

Energy Harvesting Demonstrator (Bild: Fh.-FEP)

In Kooperation mit der TU Dresden und der Universität Oulu in Finn­land führten die Forscher Versuche zu Energy Harves­ting mit AlN-Schichten auf 6×1 cm² kleinen Silizium-Streifen durch. Bei Versuchen konnten sie Leis­tungen von mehreren hundert Mikro­watt erzielen. Laut Projekt­leiter Stephan Barth ist dieser Wert zwar nicht 1:1 auf die Praxis über­trag­bar, da die Leistung von vielen Fak­toren abhängt: „Ein­fluss haben zum einen das Design, also Schicht­dicke, Schwinger-Geome­trie, Volumen, Platz und Subs­trat­material, zum anderen das Vibra­tions­ver­halten wie Frequenz, Ampli­tude oder Umge­bungs­medium, und auch die Anpas­sung an die nach­geschal­tete Elek­tronik.“ Jedoch sind AlN-Schichten eine prakti­kable Alter­native, um Low-Power-Senso­ren zu betreiben, wie sie in der Indus­trie oder bei Herz­schritt­machern zum Einsatz kommen.

Um die Energieausbeute noch weiter zu steigern, setzten die Wissen­schaftler zudem Schichten aus Aluminium-Scandium-Nitrid ein, die sie durch reaktives Co-Sputtern von zwei Materi­alien abschieden. Sie wiesen gegen­über reinem AlN wesentlich höhere Piezo­koeffi­zienten bei ähnlichen Beschich­tungs­raten auf. Dadurch lässt sich drei- bis viermal mehr Energie erzeugen. Ein weiterer zukünf­tiger Arbeits­schwer­punkt der Forscher ist es, das Design der Schwinger zu optimieren, die für die Energie­erzeu­gung nötig sind. Ziel ist es, den gesamten Aufbau zu verkleinern, die Leistung weiter zu erhöhen und die Resonanz­frequenz besser an die jeweilige Anwendung anzupassen. (Quelle: Fh.-FEP)

Links: Technologietransfer, Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEPelectronica, 11.–14. November 2014

 

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