Energie wirtschaftlich ernten

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Wo Platz knapp ist oder ein Austausch schwierig, ist die Stromversorgung von Sensoren über Batterien oder Kabel meist zu umständlich. Dies kann bei medizinischen Implantaten der Fall sein oder bei Sensoren, die den Zustand von Motoren und Flugzeugen zu überwachen. Strom direkt aus der Umgebung zu erzeugen, genannt Energy Harvesting, ist hier oft die praktikabelste Lösung.

Zum Beispiel können piezoelektrische Materialien mechanische Vibrationen in elektrische Energie umwandeln. Piezoelektrika bestanden bislang überwiegend aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Eine bleifreie, stabilere und biokompatible Alternative mit günstigeren mechanischen Eigenschaften ist Aluminiumnitrid (AlN).

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 nötigen Schichtdicken nicht wirtschaftlich herstellen: Abscheideraten, Homogenität und Beschichtungsbereiche sind zu gering. Wissenschaftler am Fraunhofer FEP in Dresden haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sie auf einem Durchmesser von bis zu 200 mm sehr homogene Schichten bei 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 ab. Dabei 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 Siliziumwafern ab. Dafür nutzen die Wissenschaftler die selbst entwickelte Doppel-Ring-Magnetron-Sputterquelle DRM 400. Bei Versuchen konnten sie Leistungen von mehreren 100 Mikrowatt erzielen. Zwar ist dieser Wert noch nicht 1:1 auf die Praxis übertragbar, da die Leistung von vielen Faktoren abhängt – wie Schichtdicke, Schwinger-Geometrie, Volumen, Vibrationsverhalten oder 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.

Einen Demonstrator stellt Fraunhofer auf der electronica in Halle A4 am Stand 113 vor.

Electronica_FEP_Labor_EnergyHarvesting

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