Forschung IMEC knackt Energy-Harvesting-Rekord

Der piezoelektrische Energy Harvester vom belgischen Forschungsinstitut IMEC.
Der piezoelektrische Energy Harvester vom belgischen Forschungsinstitut IMEC.

Das belgisch/niederländische Forschungsinsitut IMEC hat mit einem piezoelektrischen mikromechanischen System nach eigenen Angaben einen neuen Leistungsrekord im Bereich Energy Harvesting aufgestellt.

Der Energy-Harvesting-Baustein des IMEC-Instituts ist ein mikromechanisches System, das über eine piezoelektrische Schicht Vibrationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Anwendbar sind solche Systeme beispielsweise als Energieversorgung für Sensoren in Flugzeugen, Fahrzeugen oder vibrierenden Industrieanlagen. Der Baustein liefert bis zu 60 µW - laut IMEC ein Rekordwert - und ist damit in der Lage, einfache Sensoren in Fahrzeugen wie z.B. Reifendrucksensoren im Auto mit Energie zu versorgen.

Kern des Energy-Harvesting-Bausteins ist ein piezoelektrischer Kondensator, der aus einer Platin-Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht aus Aluminiumnitrit und einer Aluminium-Elektrode aufgebaut ist. Der Kondensator wird auf einem Trägerarm gefertigt, an dessen Spitze ein Gewicht befestigt ist. Wenn das System vibriert, wird durch die Schwingungen des Gewichts die piezoelektrische Schicht gedehnt, was eine elektrische Spannung induziert. Die Ausgangsleistung des Energy-Harvesting-Systems von 60 µW haben die IMEC-Forscher im experimentellen Umfeld bei einer Beschleunigung von 2 g und einer Resonanzfrequenz von 500 Hz gemessen.

Die IMEC-Forscher stellten bereits vor einem Jahr ein ähnliches piezoelektrisches Energy-Harvesting-System vor, damals jedoch mit Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) als piezoelektrisches Material, das bei einer Resonanzfrequenz von 1,8 kHz elektrische Energie erzeugt. Mit Aluminiumnitrit als piezoelektrische Schicht verringert sich die »Arbeitsfrequenz« des Systems auf 500 Hz – laut der IMEC-Forscher genau die Frequenz, mit der große Industrieanlagen oder Fahrzeuge vibrieren. Das erhöht die Leistung und die Einsatzmöglichkeiten des Energy-Harvesting-Systems nach Aussagen der Forscher deutlich. Darüber hinaus kann der neue Baustein CMOS-kompatibel gefertigt werden, was bei dem Vorgängermodell mit PZT-Schicht nicht möglich war.