MEMS-basierende Energiesammler für drahtlose intelligente Mikrosysteme Energie am Körper gewinnen

In steigendem Maße werden Mikrosysteme viele Objekte, die uns umgeben, mit Intelligenz versehen, wobei auch Sensor- und Aktor-Funktionen fast unbemerkt im Hintergrund wirken. Diese elektronischen Mikrosysteme arbeiten dann weitgehend autonom, und sie „sammeln“ die Energiemengen, die sie zum Betrieb benötigen, in ihrer Umgebung ein. Beispiele für dieses „Energy Scavenging“ am menschlichen Körper gibt es bereits.

MEMS-basierende Energiesammler für drahtlose intelligente Mikrosysteme

In steigendem Maße werden Mikrosysteme viele Objekte, die uns umgeben, mit Intelligenz versehen, wobei auch Sensor- und Aktor-Funktionen fast unbemerkt im Hintergrund wirken. Diese elektronischen Mikrosysteme arbeiten dann weitgehend autonom, und sie „sammeln“ die Energiemengen, die sie zum Betrieb benötigen, in ihrer Umgebung ein. Beispiele für dieses „Energy Scavenging“ am menschlichen Körper gibt es bereits.

Künftige objektbezogene elektronische Mikrosysteme werden einerseits „intelligent“ sein, sie können auch kontextorientierte (also von variablen Umgebungsparametern abhängige) Sensor- und evtl. Aktorik-Aktionen ausführen und sie werden vor allem in der Lage sein, untereinander und mit Personen drahtlos zu interagieren. Wegen des völlig autarken Betriebs ohne Anschluss an eine externe Stromversorgung sind derartige Mikrosysteme natürlich auf geringstmöglichen Energiebedarf hin optimiert, der seinerseits aus der unmittelbaren Umgebung gedeckt wird. Hierzu entwickelt IMEC, das bel-gische Forschungszentrum für Na-noelektronik und Nanotechnologie (www.imec.be), zusammen mit der holländischen Schwestergesellschaft IMEC-NL spezielle elektrische Generatorkonzepte zur Ausnutzung thermischer und mechanischer Bewegungsenergie auf MEMS-Basis.

Energiesammler: Miniaturisierung als Herausforderung

Der Einsatz drahtlos übertragender Sensorik-/Aktorik-Systeme wird heute noch ganz entscheidend durch deren Größe und Gewicht begrenzt: Einige -zig cm3 und mehrere hundert Gramm sind keine Seltenheit – was natürlich für portable Anwendungen oder den Betrieb am Menschen oder in dessen unmittelbarer Umgebung indiskutabel ist. Und so sind derartige Systeme bisher kaum eingesetzt worden. Erst eine Integration von Sensoren und Aktoren, DSP, Sender und Mikro-Leistungsgenerator in ein erschwingliches „System in einem Mini-Gehäuse“, wie es derzeit von IMEC-NL untersucht wird, dürfte den Weg für solche drahtlosen Sensorik-/Aktorik-Systeme in portablen Geräten ebnen.

Heute beschränken vor allem die Batterien die Möglichkeiten dieser aufkommenden Technologie. Während moderne elektronische Komponenten immer kleiner werden, stößt eine Miniaturisierung herkömmlicher Batterien bald an Grenzen. Daher kamen bisher vergleichsweise große Batterien zum Einsatz, welche die Betriebszeit verlängern, das System aber schwerer und voluminöser machen, oder Mini-Batterien, welche aber die Betriebsdauer einschränken. Aus diesem Grunde werden weltweit große Anstrengungen unternommen, Batterien durch effizientere, miniaturisierte Energiequellen zu ersetzen. So baut das For-schungsprogramm bei IMEC-NL auf abgeschlossenen und aktuellen Forschungsarbeiten von IMEC auf mit dem Ziel, elektrische Leistung im Mikro-Maßstab zu generieren und zu speichern, um die Autonomie drahtloser autonomer Sensorik-/Aktorik-Systeme zu steigern oder deren Größe zu verringern. Dabei werden Lösungen ins Auge gefasst, die thermische oder mechanische Energie aus der Umgebung entnehmen, in elektrische Energie umwandeln und in einer Mikro-Batterie speichern.

Die Auswahl des geeigneten Prinzips zur Energiesammlung hängt von der Anwendung und der Einsatzumgebung ab. So werden hier thermische Energiesammler (vorzugsweise für Anwendungen am menschlichen Körper) und Vibrations-Energiesammler (eher für den industriellen Einsatz) näher betrachtet.

Thermische Energiesammler für den Einsatz am menschlichen Körper

Bei den thermischen Energiesammlern handelt es sich um thermoelektrische Generatoren (TEG), die den Seebeck-Effekt zur Umwandlung der Temperaturdifferenz zwischen dem menschlichern Körper und seiner Umwelt in elektrische Energie nutzen. Ein TEG besteht aus einer Thermosäule, die zwischen einer „heißen“ und einer „kalten“ Fläche liegt. Die Thermosäule ihrerseits besteht aus einer großen Anzahl von Thermoelementen, die thermisch parallel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind (Bild 1). Die roten und blauen Säulen sind die beiden Typen des thermoelektrischen Materials, während ihre metallischen Verbindungen gelb dargestellt sind. Die obere Fläche der Thermosäule ist kalt, die untere heiß. Die erzeugte elektrische Energie erreicht ihr Maximum, wenn einerseits die Lastimpedanz mit dem Innenwiderstand des Generators übereinstimmt und andererseits die thermische Leitfähigkeit der Thermoelemente dem für die Luft zwischen den beiden Flächen geltenden Wert entspricht. Dies gilt natürlich nur dann exakt, wenn angenommen werden kann, dass der Wärmefluss vom Körper nicht durch den thermoelektrischen Generator beeinflusst wird – eine Bedingung, die im vorliegenden Fall aber ganz gut zutreffen dürfte. Unter diesen Voraussetzungen steigt die Leistung des Generators mit wachsender Höhe der Säulen.

In kommerziell verfügbaren Thermosäulen, die meist auf Bi2Te3 basieren, haben die Säulen einen Durchmesser von 0,3 bis 1 mm und sind zwischen 1 und 3 mm hoch. Ausgehend von den jeweils niedrigsten Werten wird ein auf maximale Leistung dimensionierter TEG einen thermischen Widerstand von 200 K/W bei einer Fläche von 1 cm2 aufweisen. Unter Betriebsbedingungen wird der Generator in eine Reihenschaltung aus thermischem Widerstand des wärmeabgebenden Körpers und dem entsprechenden thermischen Widerstand der kühlenden Luft eingefügt (Bild 1b). Für einen ausreichend großen Temperaturabfall über dem Generator sollten diese beiden Werte möglichst klein sein.

Der lokale thermische Widerstand des Körpers ist unterschiedlich groß, wie am Beispiel eines TEG am Handgelenk deutlich wird: An der Stelle, an der üblicherweise die Armbanduhr zu finden ist (die so genannte äußere Seite des Handgelenks), beträgt der mittlere gemessene thermische Widerstand pro Flächeneinheit etwa 440 K/W, während er auf der Innenseite nahe der Arterie (wo der Puls gemessen wird) nur noch halb so groß ist und von der Nähe des TEG zur Arterie abhängt.

Der thermische Widerstand zur umgebenden Luft lässt sich prinzipiell durch geeignete Kühlrippen auf der kalten Seite des TEG verringern. Wenn der Generator beispielsweise 1 cm stark ist, dann lassen sich in der Praxis thermische Widerstände (normiert auf 1 cm2) von etwa 500 K/W für einen sitzenden Träger in ruhender Luft und von etwa 200 K/W für eine laufende Person erreichen. Mit den genannten Werten tritt etwa ein Drittel der gesamten Temperaturdifferenz am thermischen Generator auf. Dies ist ein zufriedenstellendes Ergebnis, das während üblicher täglicher Aktivitäten etwa 10 bis 15 µW/cm2 liefert. Zufriedenstellend deshalb, weil bei einer weiteren Verringerung der thermischen Widerstände zum Körper und zur Luft der Wärmeabfluss vom Körper so groß werden dürfte, dass er als unangenehmes Gefühl der Kälte wahrgenommen wird.

Umfangreiche Simulationen mit einem zweidimensionalen Transienten-FEM-Modell dienten der Analyse des elektromechanischen Verhaltens dieses Sammlertyps: Das Modell umfasst dazu eine Beschreibung der Relation zwischen mechanischen und elektrischen Größen wie auch das Zusammenspiel des piezoelektrischen Bauteils mit einem externen elektrischen Verbraucher für die Nutzung der erzeugten elektrischen Energie. Mit diesem Modell lassen sich die unterschiedlichsten Betriebskenngrößen berechnen, wie Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Last und Ausgangsleistung als Funktion der Fre-quenz. Typische Verläufe dieser Zusammenhänge sind in Bild 9 dargestellt. Das entwickelte Modell lässt sich als Optimierungs-Tool für die Entwicklung piezoelektrischer Sammler in Hinblick auf Leistung und Energiedichten wie auch Frequenzgang nutzen. Nach den Simulationsergebnissen dürften gefertigte piezoelektrische Komponenten eine elektrische Leistung im Bereich von 10 bis 100 µW liefern. 

Ruud Vullers
promovierte an der Katholischen Universität Leuven in Belgien über ein Thema der Lithographie mit einem AFM. Nach sechsjähriger Forschungstätigkeit über optische Speicher in den Philips-Labors kam er kürzlich zu IMEC-NL, wo er auf dem Gebiet der drahtlosen autonomen Wandler arbeitet. IMEC-NL gehört zum Holst-Zentrum (www.holstcentre.com) im Hightech-Campus Eindhoven in den Niederlanden, das 2005 von IMEC, dem Forschungszentrum für Nanoelektronik und Nanotechnologie aus Leuven in Belgien, und dem holländischen Forschungszentrum TNO gegründet wurde.
ruud.vullers@imec-nl.nl

Vladimir Leonov
promovierte am staatlichen Optik-Institut in St. Petersburg (Russland), wo er sich von 1981 bis 1998 mit thermischen Detektoren und Arrays beschäftigte. Von 1998 bis 2000 arbeitete er an der Southern Methodist University von Dallas in Texas, USA, über pyroelektrische Infrarot-Arrays. Danach war er drei Jahre Principal Scientist bei XenICs in Leuven, Belgien, und wechselte danach als Senior Scientist zu IMEC. Er verfasste an die 100 Veröffentlichungen und hält zehn Patente. Sein Hauptinteresse gilt den Energiesammlern (PowerMEMS), Elektreten und Infrarot-Arrays aus Poly-SiGe.

Tom Sterken
machte sein Diplom in Elektrotechnik 2001 an der Universität von Gent in Belgien und arbeitet derzeit an seiner Doktorarbeit an der Katholischen Universität von Leuven. Seit 2002 beschäftigt er sich bei IMEC, Leuven, mit Design, Simulation und Fertigung von Miniatur-Leistungsgeneratoren auf Basis der MEMS-Technologie im Rahmen eines Programms des flämischen Instituts für Innovationsförderung durch Wissenschaft und Technologie.

Andreas Schmitz
erwarb 1998 sein Diplom in Physik an der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg und promovierte 2005 an der Technischen Universität Berlin zum Dr.-Ing. in Elektrotechnik. Dazwischen war er von 1994 bis 2004 am Fraunhofer-Institut für Solarenergiesysteme ISE in Freiburg tätig, wo er verschiedene Konzepte für miniaturisierte Brennstoffzellen für portable Anwendungen entwickelte. Seit Anfang 2005 arbeitet er bei IMEC in der Gruppe PowerMEMS mit an Energiesammelkonzepten in MEMS-Technologie mit besonderem Schwerpunkt auf piezoelektrischen Generatoren.

Bild 7 zeigt einen ausgeführten Baustein und eine Gegenüberstellung von gemessenen und simulierten Kapazitäten in Abhängigkeit von der Auslenkung. Dabei zeigen die Messwerte einen etwas höheren Spitzenwert der Kapazität wie auch eine höhere Streufeldkapazität, was auf eine parasitäre Kapazität hindeuten kann. Aus den experimentell gewonnenen Punkten ergibt sich eine Kapazitätsänderung von 0,09 pF/µm; erwartet wurde ein maximaler Wert von 0,23 pF/µm. Diese Parameter lassen sich durch Optimierung des Designs in Richtung größerer Oberfläche verbessern, denn gegenwärtig nehmen die Kapazitäten nur eine Fläche von 0,6 mm2 ein. Mit größerer Oberfläche steigen sowohl Kapazität als auch Kapazitätsänderung proportional an.

Piezoelektrische Wandlung

Piezoelektrische Bauteile sind wie klassische Beschleunigungsaufnehmer aufgebaut: Eine elastische Aufhängung (Beam) ist mit dem vibrierenden Rahmen verbunden. Sie trägt einen piezoelektrischen Kondensator und eine Masse (Bild 8). Wenn sich der Rahmen bewegt, dann schwingt die Masse und verbiegt ihre Aufhängung. Die dadurch gedehnte piezoelektrische Schicht erzeugt daraus Ladungen, die in einen externen Verbraucher fließen.

Der piezoelektrische Generator besteht damit aus einer piezoelektrischen Schicht zwischen zwei Elektroden. Während die Stärke des gesamten Siliziums etwa 630 µm misst, soll sich die Aufhängung auf 25 µm verjüngen. Auf einem Wafer lassen sich übrigens mehrere piezoelektrische Elemente mit unterschiedlicher Geometrie und elektrischer Verbindung fertigen: Die Abmessungen ihrer Massen reichen von 3 x 3 mm2 über 5 x 5 mm2 bis zu 7 x 7 mm2, während durch unterschiedliche Länge der Masse-Aufhängung Resonanzfrequenzen von 300 Hz, 700 Hz und 1000 Hz wirken können. Die ausgeführten Bauteile können entweder nur einen piezoelektrischen Generator oder eine Reihenschaltung mehrerer Generatoren enthalten (Bild 8b zeigt eine Vierfach-Anordnung).

Für den Einsatz von PZT oder AIN als piezoelektrischem Material sind zwei unterschiedliche Fertigungsprozesse entwickelt worden. Während PZT vorteilhaft höhere piezoelektrische und dielektrische Konstanten als AIN aufweist, gestaltet sich die Ablagerung der PZT-Schicht in der Fertigung recht zeitaufwendig und muss in mehreren Schritten erfolgen. Auf der anderen Seite verhält sich der Sputter-Prozess für AIN kompatibler zu einem Chargen-MEMS-Prozess. Derartige Bauteile werden derzeit in die Fertigung eingeführt.

Strom aus Vibration erzeugt

Der übliche Ansatz zur Sammlung mechanischer Energie aus Schwingungen und deren Umwandlung in elektrische Leistung nutzt eine Trägheitsplattform, die prinzipiell aus einer Feder mit angehängter Masse in einem vibrierenden Rahmen besteht (Bild 5). Die Bewegung der Masse gegenüber dem Rahmen treibt die vorgesehenen Teile eines elektromechanischen Generators an, der die Energie an einen angeschlossenen externen Verbraucher liefert. Zur Wandlung in elektrische Energie kommen drei Prinzipien in Frage: elektromagnetisch, elektrostatisch und piezoelektrisch. An dieser Stelle werden die elektrostatischen und piezoelektrischen Generatoren näher betrachtet, wie sie bei IMEC entwickelt werden.

Elektrostatische Wandlung

Das Prinzip einer elektrostatischen Wandlung: Eine Polarisationsspannung bestimmt die Ladung von zwei Kondensatoren. Kapazitätsänderungen durch externe Schwingungen verursachen eine andere Verteilung der Ladung, die dafür einen Strom in die externe Last fließen lässt (Bild 6). Zu den wichtigen Einflussfaktoren, welche die Leistungsfähigkeit des Energiesammlers bestimmen, gehören die Polarisationsspannung UP und die Kapazitätsänderung pro Einheitsverschiebung der beweglichen Elektrode dC/dz. Die Arbeiten bei IMEC befassen sich insbesondere mit der Maximierung dieser beiden Parameter.

Die Implementierung des Schwingungsenergiesammlers beruht auf einer besonderen Ausführung des variablen Kondensators, der aus zwei Wafern und in MEMS-Technologie gefertigt wird, sowie einer Elektret-Schicht als Polarisationsquelle, die auf einem dritten Wafer liegt und gleichzeitig als Level-0-Gehäuse dient (Bild 6b): Als Kern dient ein variabler Kondensator mit finnförmigen Elektroden, deren Strukturen tief in die bewegte Masse eingearbeitet sind. Ihre festen Gegenelektroden liegen auf einem Glas-Wafer. Beide Träger der Kondensatorelektroden sind so zusammengeklebt, dass diese etwa 1 µm voneinander entfernt sind. Damit weist der Verschiebekondensator eine Kapazitätsänderung dC/dz auf, die um den Faktor 10 größer ist als bei einer herkömmlichen Kammstruktur gleicher Größe.

Die notwendige Polarisationsspannung liefert eine Elektret-Schicht, die auf einem dritten Wafer liegt. IMEC setzt dafür eine zweilagige Struktur aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid auf dem Silizium-Wafer ein. Durch Corona-Entladungen in das Elektret eingeführte Ladungen werden in einer Grenzschicht zwischen den beiden Dielektrika festgehalten und polarisieren damit die beiden Kondensatoren „Elektret plus bewegliche Masse“ und „bewegliche Masse plus feste Gegenelektrode“.

Der Einsatz eines Elektrets statt Batterien erlaubt Spannungen bis zu 400 V pro 1 µm Oxidstärke des Siliziums. Darüber hinaus verhält sich die Polarisationsspannung des Elektrets während der Alterung recht stabil: Die Einsatzzeit für ein Potential unter 150 V übertrifft 200 Jahre. Bei der Fertigung sind auch kurze Prozess-Schritte mit hohen Tempera-turen zulässig, ohne dass das Poten-tial nennenswert absinkt: Nach einer zehnminütigen Temperaturbehandlung mit 450 Grad C weist das Potential noch etwa 93 % seines ursprünglichen Werts auf.

Die Anzahl der Thermoelemente für optimale Leistungsabgabe des oben genannten Generators stellt sich mit 10 bis 20 pro cm2 als sehr niedrig heraus, was auch nur eine sehr niedrige Ausgangsspannung von 20 bis 30 mV/cm2 liefert. Für die Ansteuerung eines einfachen Leistungs-Managementsystems zur Ladung einer Batterie sind aber mindestens 0,7 bis 1 V nötig, die dann noch aufwärts gewandelt werden müssen. Für eine derartige Spannung ist die Anzahl der Thermoelemente zu erhöhen und gleichzeitig deren Querschnitt zu senken, damit die Bedingung einer maximalen Leistungsabgabe (der Wärmefluss durch die Thermosäule entspricht derjenigen durch die Luft innerhalb des Bauteils) weiterhin gilt. Werden kommerzielle Thermosäulen verwendet, dann ist daran zu denken, dass ihr Querschnitt technologiebedingt auf die oben genannten Werte beschränkt ist und daher die erforderliche Spannung durch eine größere Anzahl der Thermosäulen, aufgeteilt auf wenige Stufen, nur auf Kosten einer reduzierten Leistungsabgabe entstehen kann. Auf Basis dieses Kompromisses entstand das in Bild 2 dargestellte System: Sein Leistungswandler ist zusammen mit einem Sender kleiner Leistung auf einem flexiblen Substrat zusammengefasst und auf das Armband geklebt worden.

Die von diesem System erzeugte Leistung übertrifft bei einer Lufttemperatur unter 22 Grad C 0,1 mW für eine ruhig sitzende Person und 0,5 mW für eine innerhalb eines Gebäudes laufende Person mit einer Ausgangsspannung von über 1 V (Bild 3). Leistung und Ausgangsspannung reichen aus, um einen kleinen Akku zu laden und physikalische Parameter, wie beispielsweise die Körpertemperatur, alle ein bis zwei Sekunden an einen benachbarten Empfänger zu senden. Mit verringertem Tastverhältnis dürfte das System bis zu Umgebungstemperaturen von 27 bis 29 Grad C funktionieren.

Durch Mikrobearbeitung gefertigte Thermosäulen

Diese Ergebnisse des Einsatzes kommerzieller Thermosäulen haben gezeigt, dass die menschliche Körperwärme prinzipiell ausreicht, um einen autonomen Sensor-/Funk-Knoten zu speisen. Dennoch ist diese Lösung aus zwei Gründen noch nicht optimal: Zunächst einmal bietet sie nicht die Möglichkeit, gleichzeitig Leistung und Spannung zu optimieren, und dann ist sie noch teuer, da die Fertigungstechniken für industrielle Thermosäulen nicht preisgünstig genug sind. Eine Alternative könnte darin bestehen, Technologien der Mikrobearbeitung zu nutzen. Diese Verfahren sind bereits aus der wissenschaftlichen Literatur bekannt und werden kommerziell in miniaturisierten thermoelektrischen Kühlern eingesetzt. Mikrobearbeitung bietet nämlich das Potential, die lateralen Dimensionen der Thermopaare zu reduzieren. Dies bedeutet, dass eine wesentlich größere Anzahl von Thermoelementen pro Flächeneinheit hergestellt werden kann, was auch dafür sorgt, dass die thermische Leitfähigkeit von Thermoelement und Luft übereinstimmen, was wiederum eine Leistungsoptimierung ermöglicht. Unglücklicherweise sind per Mikrobearbeitung erzeugte Thermoelemente nur einige Mikrometer hoch, wodurch der thermische Widerstand des Generators drastisch sinkt. Damit ist der Temperaturabfall über dieses Bauteil sehr klein, und die erzeugte Leistung bewegt sich nur noch im Nanowatt-Bereich.

Um dieses Problem zu lösen, hat IMEC eine besondere Ausführung eines durch Mikrobearbeitung hergestellten thermoelektrischen Generators zur Anwendung am menschlichen Körper (und anderen warmblütigen Tieren) entwickelt, der einen großen thermischen Widerstand mit einer großen Anzahl von Thermosäulen kombiniert (Bild 4a): Einige tausend Thermoelemente sind auf einen Siliziumring montiert, der den parasitären thermischen Widerstand des Generators zwischen den beiden Flächen vergrößern soll.

Ein nach diesem Schema hergestelltes optimiertes Bauteil mit Bi2Te3 als thermoelektrischem Material kann am Handgelenk bis zu 30 µW/cm2 bei einer Spannung von über 4 V für Anwendungen im Innenbereich liefern (Bild 4b).

Ein auf Basis von SiGe-Thermoelementen realisiertes derartiges Bauteils dürfte trotz seiner gegenüber Bi2Te3 ungünstigeren thermoelektrischen Eigenschaften aus einem voll optimierten Generator noch 4,5 µW/cm2 bei einer Spannung von 1,5 V liefern (Bild 4c).