Bereits heute sind viele unserer Lebensbereiche abhängig vom zuverlässigen, vollautomatisierten Betrieb miniaturisierter Systeme. Zukünftig wird die Vernetzung komplexer Bauelemente eine noch größere Rolle spielen. Allerdings wird bisher ein Großteil dieser dezentralen Systeme über elektrische Leitungen oder Batterien mit Energie versorgt. Diese Konzepte sind für ortsunabhängige Netzwerke oder schlecht zugängliche Sensorpositionen nur bedingt anwendbar, so dass die Technologieentwicklung, wie beispielsweise Energie-Harvesting, für eine alternative Energieversorgung dringend nötig ist.
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 IPMS mit Sitz in Dresden 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.
Die Anwendungsbereiche für energieautarke Mikrosysteme sind vor allem in der Medizintechnik und der drahtlosen Sensorik zu finden. Die Erkenntnisse aus der Umsetzung der Mikro-Energie-Harvesting-Technologie lassen sich künftig auch auf weitere Anwendungsfelder des Internet of Things (IoT) übertragen.
Das Vorhaben wird von der Sächsischen Aufbaubank unterstützt (Projektnummer 100273858).
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme