Intelligente Energieversorgung für Smarte Objekte

22.1.2018

Bis zu 24 Mrd. vernetzte Gegenstände soll es Prognosen zufolge 2020 weltweit geben – über ein Drittel davon entfällt auf »smarte« Alltagsgegenstände, die im Internet of Things kommunizieren und interagieren. Ein Knackpunkt ist die Energieversorgung: Die smarten Objekte müssen energieautark sein, um über einen möglichst langen Zeitraum arbeiten zu können. Im EU-Projekt »EnSO« arbeiten 39 Partner aus acht Ländern an neuen Lösungen für eine intelligente Energieversorgung.

© Fraunhofer EMFT

25 μm dünner Microcontroller-Chip in flexiblem Folien-Package.

© Fraunhofer EMFT

Chippackage auf Systemfolie.

Ziel von »EnSO« (Energy for Smart Objects) ist die Entwicklung so genannter AMES (Autonomous Micro Energy Sources). AMES vereinen verschiedene Elemente wie Energy Harvesting, Energiemanagement sowie Mikro-Energiespeicher, um eine im Idealfall lebenslange Betriebsdauer zu ermöglichen. Forschende der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT und des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS entwickeln im Rahmen des Projekts Konzepte und Technologien zur Herstellung, Integration und Einbettung elektronischer Mikrochips in autonome Energieversorgungseinheiten.

Dünn, flach und biegsam

Die Bauhöhe der kompakten Packages soll dabei deutlich unter 1 mm liegen. Zudem sollen die Packages mechanisch verformbar sein, um sie an verschiedene Umgebungsformen anpassen zu können. Dazu wollen die Experten einen sehr dünnen, biegsamen Mikrochip in ein ultraflaches Foliengehäuse einbetten. Für die Kontaktierung sollen verschiedene Technologiekonzepte erprobt werden: Neben Flip-Chip-Ansätzen, bei denen der Chip Face-down auf eine Verdrahtungsfolie gesetzt, kontaktiert und eingebettet wird, kommen auch neue Technologien zum Einsatz, bei denen der Chip Face-up auf eine Folie gesetzt und z.B. mit einer Vergussmasse eingebettet wird. Die elektrische Kontaktierung und die Erstellung der Verdrahtungsebene mit den Anschlüssen nach außen sollen dann mittels etablierter Verfahren der Dünnfilm-Lithographie erfolgen. Während der erste Demonstrator für ein ultradünnes Folien-Package in EnSO auf der Flip-Chip Technologie basieren wird, sollen bereits in der nächsten Generation Folien-Packages mit Mikrochips in Face-up- Konfiguration zum Einsatz kommen.

Neue Chips für Energy Harvesting

Im Projekt entstehen weiterhin verschiedene Mikrochips zur Realisierung von energieautarken Energy Harvesting Systemen. Ein hocheffizienter Spannungswandler mit extrem niedriger Startspannung ermöglicht die Nutzung von Thermogeneratoren bei kleinsten Temperaturunterschieden. Ein weiteres Energiemanagement-ASIC vereint Lade- und Überwachungsschaltungen für Mikrobatterie und Superkondensatoren sowie verschiedenste Energiemanagement- Funktionen, die den Betrieb von herkömmlichen Funksensorsystemen mit Energiequellen aus der Umwelt möglich machen. Um die Bandbreite und damit den Anwendungsbereich solcher Energy Harvesting Systeme künftig deutlich erweitern zu können, entwickelt das Forschungsteam außerdem elektronische Schaltungen zur Anpassung der Resonanzfrequenz von Vibrationswandlern.

Das Projekt wird durch die ECSEL-Initiative im Europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation »Horizont 2020« sowie das BMBF gefördert.