Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fraunhofer entwickelt wirtschaftliches Verfahren für Micro Energy Harvesting

23.10.2014

Der Trend zu energieautarken Sensoren und immer kleineren mobilen Elektroniksystemen ist ungebrochen.

Gebraucht werden sie beispielsweise, um den Zustand von Motoren und Flugzeugen zu überwachen oder für medizinische Implantate. Die Energie dafür gewinnen sie direkt aus ihrer Umgebung, etwa aus Vibrationen. Fraunhofer-Forscher entwickelten ein Verfahren, um piezoelektrische Materialen wirtschaftlich herzustellen. Einen ersten Demonstrator stellen sie vom 11. bis 14. November auf der electronica in München in Halle A4 am Stand 113 vor.


Mit dieser Anlage können Fraunhofer-Forscher piezoelektrische AlN-Schichten für Low-Power-Sensoren wirtschaftlich herstellen.

© Fraunhofer 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 (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.

Neues Verfahren für Herstellung von Piezoschichten

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. 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.

Energieausbeute weiter verbessern

In Kooperation mit der Technischen Universität Dresden und der Universität Oulu in Finnland führten die Forscher Versuche zu Energy Harvesting mit AlN-Schichten auf 6x1 cm² kleinen Silizium-Streifen durch. Bei Versuchen konnten sie Leistungen von mehreren 100 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.

Stephan Barth | Fraunhofer-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Messenachrichten:

nachricht Roboter zeichnet Skizzen von Messebesuchern
22.06.2018 | Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI

nachricht Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital
19.06.2018 | Fraunhofer IFAM

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Messenachrichten >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics