Bereits heute verlassen wir uns im Alltag auf die Zuverlässigkeit vollautomatisierter und miniaturisierter Systeme; so ist beispielsweise der sichere Betrieb von Sensorsystemen in Industrieanlagen für eine rechtzeitige Fehleranalyse essentiell. Zukünftig wird die Vernetzung komplexer Bauelemente, die heutzutage meist über elektrische Leitungen oder Batterien mit Energie versorgt werden, eine immer größere Rolle spielen. Diese Konzepte sind für ortsunabhängige Netzwerke oder schlecht zugängliche Sensorpositionen nur bedingt anwendbar, so dass alternative Energieversorgungsformen dringend nötig sind, wie beispielsweise das Energie-Harvesting.

Vibrationsbasierte Harvester – autarke Energieversorgung dank piezoelektrischer Materialien

Energie-Harvester können kleine Energiemengen aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Lichteinstrahlung oder Schwingungen gewinnen, um dann autarke Mikrosysteme mit Energie zu versorgen. Vibrationsbasierte Harvester im Speziellen nutzen vorhandene Bewegungsenergie aus der Umgebung und wandeln diese in elektrische Energie um. Piezoelektrische Materialien eignen sich durch das direkte mechanisch-elektrische Umwandlungsprinzip besonders zur Entwicklung vibrationsbasierter Harvester.

Im Forschungsprojekt CONSIVA werden am Center Nanoelectronic Technologies (CNT) des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS der Piezokoeffizient und das Anwendungspotential von Hafniumdioxid- Dünnschichten evaluiert. Dieses Material hat ferroelektrische und damit piezoelektrische Eigenschaften und ist in der Mikroelektronik qualifiziert. Aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante kommt es bereits in modernen Feldeffekttransistoren zur Anwendung.

Neben der Materialentwicklung und der elektromechanischen Charakterisierung an aktiven Teststrukturen soll durch Simulationen ein auf Hafniumdioxid angepasstes Harvester- Layout am CNT konzeptioniert werden. Anhand dieser Entwürfe wollen die Fraunhofer-Wissenschaftler die konkreten neuen Anwendungsszenarien für das Mikro-Energie- Harvesting abbilden. »In den letzten Jahren haben wir umfangreiche Erfahrung mit der Herstellung, Integration und Optimierung von ferroelektrischem Hafniumdioxid für neueste Speicheranwendungen sammeln können. Gerade im Bereich Energie-Harvesting sehen wir ein großes Potential, diese Erfahrungen erfolgreich einzusetzen. Durch diese neuartigen piezoelektrischen Materialien können wir die Miniaturisierung von vibrationsbasierten Harvestern entscheidend vorantreiben«, erklärt Dr. Wenke Weinreich, Gruppenleiterin am Fraunhofer IPMS-CNT.

Energieautarke Mikrosysteme haben Potential auf verschiedensten Anwendungsgebieten

Wichtige Anwendungsbereiche für energieautarke Mikrosysteme sind vor allem die Medizintechnik und die drahtlose Sensorik. Die Erkenntnisse aus der Umsetzung der Mikro-Energie-Harvesting-Technologie lassen sich künftig auch auf weitere Anwendungsfelder des Internet of Things übertragen.

Das Vorhaben wird von der Sächsischen Aufbaubank unterstützt.