Effiziente Energieernte durch Magnetronsputtern

Anlage zur wirtschaftlichen Abscheidung piezoelektrischer AlN-Schichten für Low-Power-Sensoren. (Bild: FEP)

Anlage zur wirtschaftlichen Abscheidung piezo­elek­trischer AlN-Schichten für Low-Power-Sensoren. (Bild: FEP)

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.

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. 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. 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. Gleich­zeitig 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.

Umwandlung mechanischer in elektrische Energie: Demonstrator für Energy Harvesting. (Bild: FEP)

Umwandlung mechanischer in elektrische Energie: Demonstrator für Energy Harvesting. (Bild: 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.

Einen Demonstrator des neuen piezo­elek­trischen Energy Harvestings stellte das FEP vor zwei Wochen in München auf der Messe elec­tronica vor. (Quelle: Fh.-FEP / vip-journal.de)

Link: Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Weitere Beiträge: Strom aus dem Schwamm, energyviews.de, 19. Mai 2014Strom aus Schallwellen, energyviews.de, 24. Oktober 2013

 

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