Energy Harvesting

Die Umwandlung der kinetischen Energie menschlicher Bewegungen in elektrische Energie ist in den letzten Jahren ein attraktiver Ansatz für den Energieversorgung von drahtlosen elektronischen Geräten geworden. Die Kombination aus Energiegewinnung und portabler am Körper getragener Elektronik bildet ein autarkes System, welches zum Beispiel in Fitnessgadgets zum Tracken von Temperatur, Geschwindigkeit und Positionsdaten Anwendung findet. Basierend auf neuartigen elektroaktiven Polymeren wurde ein innovatives Energy-Harvesting-System entwickelt, welches klein genug ist, um in eine Schuhsohle integriert zu werden. Das Element, das mechanische in elektrische Energie umwandelt, basiert auf dünnen Polymerfilmen mit großer relativer Permittivität. Verglichen mit traditionellen piezoelektrischen Konzepten funktioniert dieses Element nicht-resonant und kann für Energy-Harvesting aus mechanischen Energiequellen auch im Niederfrequenzbereich optimiert werden.

Ein erster Demonstrator eines in einen Schuh integrierten Polymer-Energy-Harvesters ist verfügbar. Er ist in der Lage, einige µWs Energie zu erzeugen, wenn er einer mechanischen Deformation durch für den menschlichen Gang typischen Druck und Frequenzbereich ausgesetzt wird. Der Wandlerschaltkreis ist hierbei auf die Versorgung eines RF-Transmittermodul abgestimmt. Das Harvester-System (Element und Schaltkreis) kann für andere Anwendungen wie etwa auf die Versorgung einer Vielzahl anwendungsspezifischer Elektroniken angepasst werden.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt angepasste Energieharvester und Energiespeicher. Unsere Forschung konzentriert sich dabei sowohl auf System-on-Chip als auch System-in-Package Bauelemente, auf die Entwicklung CMOS-kompatibler Materialien sowie auf multimodale Lösungen zur Leistungsmaximierung.

Für die kurzzeitige Energiespeicherung und -pufferung werden Siliziumkondensatoren entwickelt, die sich durch besonders hohe Kapazitätsdichten bei gleichzeitig geringster thermischer und feldabhängiger Variabilität auszeichnen. Durch Profile mit weniger als 100 µm Dicke lässt sich die Integration der Bauelemente in Standardgehäuse realisieren. Für die Langzeitspeicherung entwickeln wir Lithiumionen-Akkumulatoren mit Feststoffelektrolyt, die vollständig mit etablierten Prozessen der Halbleitertechnologie hergestellt werden können. Mit dieser Dünnfilmtechnologie werden nur kleinste Speicherkapazitäten erreicht. Durch die Fertigung auf strukturierten Siliziumsubstraten verbindet unser Konzept aber eine hohe Energiespeicherdichte pro Waferfläche mit einer hohen Leistungsdichte durch sehr kurze Ionen-Diffusionswege während der Ladezyklen. 

Für die Nutzung von Umgebungsenergie, wie Wärme oder Bewegung zum autonomen Betrieb der mikroelektronischen Systeme forschen wir an Energieharvestern, die diese thermische oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Dafür entwickeln wir verschiedene thermoelektrische Materialien auf Silizium-Basis sowie pyroelektrische Hafniumdioxid-Dünnschichten. Die piezoelektrischen Eigenschaften dieses vielversprechenden Materials werden  auch für die Anwendung in vibrationsbasierten Energieharvestern evaluiert.