Ga naar hoofdinhoud

Economisch piëzolagen produceren

In een eerste demonstratiemodel presenteren onderzoekers van Fraunhofer van 11 tot 14 november op de electronica 2014 in München (D) het nieuwe productieproces. Met deze installatie kunnen piëzo-elektrische AIN-lagen voor Low-Power-Sensoren economisch geproduceerd worden

Het Fraunhofer-Gesellschaft heeft een economisch proces voor Micro Energy Harvesting ontwikkeld. Energie autonome sensoren en steeds kleinere mobiele elektronicasystemen worden bijvoorbeeld gebruikt om de conditie van motoren en vliegtuigen te bewaken maar ook voor medische implantaten. De hiervoor benodigde energie wordt direct uit de omgeving gewonnen, bijvoorbeeld uit trillingen. Onderzoekers van Fraunhofer ontwikkelden een proces om piëzo-elektrische materialen economisch te produceren.

In een eerste demonstratiemodel presenteren ze van 11 tot 14 november op de electronica 2014 in München, in hal A4 op stand 113 het nieuwe productieproces. Met deze installatie kunnen de onderzoekers van Fraunhofer piëzo-elektrische AIN-lagen voor Low-Power-Sensoren economisch produceren.

Daar waar de ruimte klein of het verwisselen moeilijk is, is de energievoorziening van sensoren met behulp van batterijen of een kabel vaak te omslachtig. De energievoorziening kan dan het beste geïntegreerd worden en moet een lange levensduur hebben. Een oplossing biedt Energy Harvesting; de opwekking van energie ter plaatse door zonnecellen, thermo-elektrische of piëzo elektrische materialen.

Piëzo elektrische materialen kunnen mechanische trillingen omzetten in elektrische energie, als door een mechanische kracht een scheiding van lading ontstaat. Ze zijn overal te gebruiken, waar gedefinieerd trillingen optreden, die zelfs niet constant hoeven te zijn, zoals bij machines en vliegtuigmotoren, maar ook in het menselijk lichaam, waar bloeddruk, ademhaling en hartslag steeds voor impulsen zorgen. Voor piëzo-elektrische materialen werd tot nu toe voornamelijk lood-zirconaat- titanaat (PZT) gebruikt. Een alternatief is aluminiumnitride (AlN). Ten opzichte van PZT heeft dit betere mechanische eigenschappen, is het loodvrij, stabiel en bio kompatibel. Bovendien is het probleemloos mogelijk om aluminiumnitride lagen in gebruikelijke productieprocessen van de micro-elektronica te integreren.

Nieuw proces voor de productie van piëzolagen

Het dilemma hier: om piëzo-elektronica in de steeds kleinere elektrische systemen te integreren moet deze in principe zo klein mogelijk zijn. Aan de andere kant hebben ze een bepaald volume nodig om voldoende energie op te wekken. Met de huidige methoden kan de beoogde laagdikte niet economisch worden geproduceerd: splitsingsmogelijkheden, homogeniteit en coatinggebied zijn te klein. Wetenschappers bij het Fraunhofer instituut voor organische elektronica, elektronenstraal- en plasmatechniek FEP ontwikkelden een proces, waarmee ze op een doorsnede tot 200 mm zeer homogene lagen bij de gelijktijdig hogere coatinggraad kunnen realiseren. Dit proces is beduidend productiever en rendabeler dan de huidige praktijk.

De onderzoekers scheiden de lagen door het reactief magnetron-sputteren van aluminiumdeeltjes in een argon-stikstof-atmosfeer op een silicium wafer. Bij dit fysisch procedé worden door het beschieten met energierijke edelgasionen atomen uit de vaste deeltjes, de doelen, losgemaakt. Deze gaan over in de gasfase. Ze zetten zich dan als laag af op de wafer. De wetenschappers gebruiken daarvoor de zelf ontwikkelde dubbele-ring-magnetron-sputterbron DRM 400, die bestaat uit twee ringvormige targets.

Omdat de ontladingen van de beide targets elkaar overlappen, is het mogelijk om de AlN-laag homogeen op een groot coatingoppervlak bij de piëzo-coëfficiënt d33 tot 7 pC/N te realiseren. Deze waarde geeft aan, hoe sterk het materiaal reageert. De gebruikelijke waarde volgens de literatuur ligt tussen 5 pC/N en 7 pC/N. Tegelijkertijd kan men de laagspanningen flexibel aanpassen aan het toepassingsgebied. Deze spanningen beïnvloeden bijvoorbeeld het functioneren van de laag en hoe gelijkmatig de energie kan worden opgewekt.

Energie efficiëntie verder verbeteren

In samenwerking met de technische universiteit Dresden en de universiteit Oulu in Finnland voerden de onderzoekers proeven uit voor de Energy Harvesting met AlN-lagen op siliciumstroken van 6 x 1 cm². Bij de proeven konden ze vermogens halen van meer dan 100 micro watt. Volgens projectleider Stephan Barth is deze waarde niet direct een op een in de praktijk te halen, omdat het vermogen van veel factoren afhangt.

“Van invloed zijn het ontwerp, dus de laagdikte, trillinggeometrie, volume, ruimte en substraat materiaal terwijl ook het trillingsgedrag als frequentie, amplitude of het omgevingsmedium maar ook de aanpassing aan de gekoppelde elektronica”. Toch zijn de AlN-lagen een levensvatbaar alternatief om Low-Power-sensoren, die in de industrie of bij een pacemaker worden gebruikt, te voeden.

Om de energie opbrengst nog verder te vergroten gebruiken de onderzoekers ook lagen van aluminium-scandium-nitride, die ze door reactief co-sputteren scheiden van twee materialen. Dit levert ten opzichte van zuiver AlN beduidend hogere piëzo coëfficiënten op bij een gelijk soortige coating. Hierdoor kan drie tot vier maal meer energie worden opgewekt.

Een ander focus van de onderzoekers is het ontwerp van het trillingslichaam, nodig voor de energieopwekking, te optimaliseren. Het doel is om de totale constructie te verkleinen, het vermogen verder te verhogen en de resonantiefrequenties beter aan te passen aan de toepassing.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven