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Energie aus Vibrationen

Fraunhofer entwickelt wirtschaftliches Verfahren für Micro Energy Harvesting

30. Oktober 2014, 10:15 Uhr | Hagen Lang

Unter Reinraum-Bedingungen lassen sich im Magnetron-Sputter des Fraunhofer FEP Substrate auf Wafer von bis zu 300 mm Durchmesser auftragen.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) haben ein Verfahren entwickelt um Piezoelektrika für kleinste Energy-Harvesting-Systeme wirtschaftlich in hoher Qualität herzustellen.

Mechanische Vibrationen fallen an vielen Orten an, an Motoren, Triebwerken oder an bewegten menschlichen Organen. Dort lassen sie sich zur Ladungstrennung durch Einwirken mechanischer Kräfte, sprich, der Energiegewinnung einsetzen. Die hierfür eingesetzten pieozoelektrischen Systeme müssen immer kleiner werden, was der Verwendung optimaler Materialien bisher entgegenstand.

Gegenüber dem gängigen Blei-Zirkonat-Titanat (PTZ) bietet sich Aluminiumnitrid (AIN) durch günstigere mechanische Eigenschaften an. Zudem ist es biokompatibel, stabil und bleifrei. Jedoch ließen sich die nötigen Schichtdicken mit AIN bislang nicht herstellen. Forscher des Fraunhofer FEP haben jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dem sehr homogene Beschichtungen und hohe Beschichtungsraten auf einem Wafer-Durchmesser von bis zu 200 mm erzielt werden.

Die Schichten scheiden die Forscher 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.

Bei in Kooperation mit der TU Dresden und der Universität Oulu in Finnland durchgeführten Energy Harvesting Versuchen mit AlN-Schichten auf 6x1 cm² kleinen Silizium-Streifen wurden Leistungen von mehreren hundert Mikrowatt erzielt. Noch höhere Piezokoeffizienten als AIN zeigten Schichten aus Aluminium-Scandium-Nitrid. Mit ihnen lässt sich theoretisch drei- bis viermal mehr Energie erzeugen. Sukzessive werden so Alternativen zu Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) für den Energy-Harvesting Einsatz zur praktischen Anwendungsreife entwickelt.