Effiziente Energie-Ernte durch Magnetronsputtern

Wo Platz knapp ist oder ein Austausch schwierig, ist die Stromversorgung von Sensoren über Batterien oder Kabel meist zu umständlich. Die Energiezufuhr sollte am besten integriert erfolgen und langlebig sein. Eine Lösung bietet Energy Harvesting – die Energieerzeugung vor Ort zum Beispiel durch Solarzellen, thermoelektrische oder piezoelektrische Materialien.

Piezoelektrika können mechanische Vibrationen in elektrische Energie umwandeln, indem durch Einwirken einer mechanische Kraft eine Ladungstrennung entsteht. Sie lassen sich überall dort einsetzen, wo es ein definiertes, wenn auch nicht unbedingt konstantes Vibrationsverhalten gibt – an Maschinen, an Flugzeugtriebwerken, in Motoren oder auch im menschlichen Körper, wo Blutdruck, Atmung oder Herzschlag immer für Impulse sorgen. Bisher kam für piezoelektrische Materialien überwiegend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zum Einsatz. Eine Alternative ist Aluminiumnitrid (AlN). Im Vergleich zu PZT besitzt dieses günstigere mechanische Eigenschaften, ist bleifrei, stabiler und biokompatibel. Zudem ist es problemlos möglich, Aluminiumnitrid-Schichten in gängige Fertigungsprozesse der Mikroelektronik zu integrieren.

Das Dilemma dabei: Um Piezoelektrika in die immer kleineren elektrischen Systeme zu integrieren, müssen sie einerseits möglichst klein sein. Andererseits brauchen sie ein gewisses Volumen, um ausreichend Energie zu erzeugen. Mit bisherigen Methoden lassen sich die anvisierten Schichtdicken nicht wirtschaftlich herstellen: Abscheideraten, Homogenität und Beschichtungsbereiche sind zu gering. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelten nun ein Verfahren, mit dem sie auf einem Durchmesser von bis zu 200 mm sehr homogene Schichten bei gleichzeitig hohen Beschichtungsraten abscheiden können. Damit ist der Prozess wesentlich produktiver und rentabler als aktuelle Vorgehensweisen.

Die Forscher scheiden die Schichten 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.

In Kooperation mit der Technischen Universität Dresden und der Universität Oulu in Finnland führten die Forscher Versuche zu Energy Harvesting mit AlN-Schichten auf 6×1 cm² kleinen Silizium-Streifen durch. Bei Versuchen konnten sie Leistungen von mehreren 100 Mikrowatt erzielen. Laut Projektleiter Stephan Barth ist dieser Wert zwar nicht 1:1 auf die Praxis übertragbar, da die Leistung von vielen Faktoren abhängt: „Einfluss haben zum einen das Design, also Schichtdicke, Schwinger-Geometrie, Volumen, Platz und Substratmaterial, zum anderen das Vibrationsverhalten wie Frequenz, Amplitude oder Umgebungsmedium, und auch die Anpassung an die nachgeschaltete Elektronik.“ Jedoch sind AlN-Schichten eine praktikable Alternative, um Low-Power-Sensoren zu betreiben, wie sie in der Industrie oder bei Herzschrittmachern zum Einsatz kommen.

Um die Energieausbeute noch weiter zu steigern, setzten die Wissenschaftler zudem Schichten aus Aluminium-Scandium-Nitrid ein, die sie durch reaktives Co-Sputtern von zwei Materialien abschieden. Sie wiesen gegenüber reinem AlN wesentlich höhere Piezokoeffizienten bei ähnlichen Beschichtungsraten auf. Dadurch lässt sich drei- bis viermal mehr Energie erzeugen. Ein weiterer zukünftiger Arbeitsschwerpunkt der Forscher ist es, das Design der Schwinger zu optimieren, die für die Energieerzeugung nötig sind. Ziel ist es, den gesamten Aufbau zu verkleinern, die Leistung weiter zu erhöhen und die Resonanzfrequenz besser an die jeweilige Anwendung anzupassen.

Einen Demonstrator des neuen piezoelektrischen Energy Harvestings stellt das FEP in dieser Woche in München auf der electronica in Halle A4 am Stand 113 vor.

FEP / LK