Energy Harvesting Vernetzte Sensoren mit Elektronik versorgen sich energieautark

Von Sven Grünzig, Matthias Landwehr und Sascha Bönhardt*

Vernetze Sensoren mit ausreichend Energie zu versorgen und die Energie vor Ort zu speichern haben sich Fraunhofer-Forscher zur Aufgabe gemacht. Entstanden sind verschiedene, neuartige Komponenten für ganz unterschiedliche Sensorsysteme.

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Autarke Energieversorgung: Die Zepowel-Harvester-Module mit Harvester (oben, U1), Energiewandler-ASIC (mitte, U2) und Energiespeicher (unten, C1 und C2).
Autarke Energieversorgung: Die Zepowel-Harvester-Module mit Harvester (oben, U1), Energiewandler-ASIC (mitte, U2) und Energiespeicher (unten, C1 und C2).
(Bild: Fraunhofer ISIT/photocompany Itzehoe)

Fraunhofer-Forscher arbeiten am Leitprojekt „Towards Zero Power Electronics“ daran, elektronische und vernetzte Systeme zu entwickeln, die möglichst wenig Energie benötigen. Entstanden ist unter anderem ein komplettes Sensorsystem: der Smart City Sensor. Damit lässt sich der Feinstaub in der Stadt messen. Bisher war es extrem aufwendig, den Feinstaub in der Luft zu messen.

In Städten können deshalb nur an ausgewählten wenigen Knotenpunkten Messdaten gleichzeitig erhoben werden. Mit ihrer Neuentwicklung wollen die Fraunhofer-Forscher eine dichtere und genauere Messung ermöglichen.

Die energieautarken Sensorknoten können an Straßenlampen oder an Bussen angebracht werden und bestimmen so die Partikelkonzentrationen in der Umgebungsluft. Durch die intelligente Vernetzung der Knoten und Anbindung an gängige Cloud-Plattformen entsteht ein detailliertes Modell vom Feinstaubausstoß in der Stadt. Den Anwendungen sind kaum Grenzen gesetzt: Über die vernetzen Sensoren lässt sich der Verkehrsfluss steuern oder Navigationssysteme orientieren sich und passen ihre Routen selbstständig an.

Autarke Energieversorgung: Die Zepowel-Harvester-Module mit Harvester (oben, U1), Energiewandler-ASIC (mitte, U2) und Energiespeicher (unten, C1 und C2).
Autarke Energieversorgung: Die Zepowel-Harvester-Module mit Harvester (oben, U1), Energiewandler-ASIC (mitte, U2) und Energiespeicher (unten, C1 und C2).
(Bild: Fraunhofer ISIT/photocompany Itzehoe)

Die benötigte Energie erzeugen in vielen Fällen Solarzellen. In Tunneln, in Rohren, unter Brücken oder in Straßenschluchten entfällt die Energiequelle. Die Fraunhofer-Forscher suchten nach alternativen, geeigneten Energiequellen und haben neue Verfahren entwickelt, um mit ihnen Energie für das System zu generieren. Eine Idee war beispielsweise, das Sensorsystem mit einem kleinen, sehr leicht laufenden Windrad zu koppeln, welches sich selbst durch geringste Luftströme dreht.

Die an dem Windrad montierten Magnete versetzen einen in dem System integrierten Energy-Harvester in Schwingung. Das Energy-Harvester-Modul wandelt die mechanischen Schwingungen in elektrische Energie, speichert sie und stellt sie dem System dann passgenau zur Verfügung.

Ein Blick auf das Harvesting-Modul

Bild 1: Der realisierte MEMS-Harvester mit integrierten Mikromagneten und im Querschnitt.
Bild 1: Der realisierte MEMS-Harvester mit integrierten Mikromagneten und im Querschnitt.
(Bild: Fraunhofer ISIT/photocompany Itzehoe)

Das System benötigt die Energie des Harvesting-Moduls vor allem für den IoT-Core. Dabei handelt es sich um eine sehr energieeffiziente Rechnereinheit, die außerdem Schnittstelle zur Außenwelt ist. Die Recheneinheit stammt ebenfalls aus dem Forschungsprojekt. Bei den einzelnen Komponenten des Harvesting-Moduls handelt es sich um einen am Fraunhofer ISIT entwickelten mikromechanischen Harvester, der mit einem neuartigen Fertigungskonzept eine magnetische Anregung ermöglicht.

Dank dem Einsatz moderner Materialien kann der Harvester eine größere Menge elektrischer Energie erzeugen, die bisher nur deutlich größeren Bauteilen vorbehalten war. Dazu kommt eine am Fraunhofer IPMS entwickelte integrierte Schaltung, um die Energie aus dem Harvester umzuwandeln. Damit ist das Harvesting-Modul in der Lage, die Lebensdauer der Batterien jedes einzelnen autarken Sensorknotens deutlich zu verlängern.

Material mit verbesserten piezoelektrischen Eigenschaften

Das Konzept des elektromechanischen Harvestings basiert auf einem Feder-Masse-System, das durch mechanische Anregung in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingungen werden durch piezoelektrische Schichten, welche auf einem Biegebalken angebracht sind, in eine elektrische Wechselspannung umgesetzt. Die Menge an elektrischer Energie, die so gewonnen werden kann, ist demnach proportional zu Auslenkung und Frequenz des Biegebalkens, sowie zur Fläche, Dicke und Materialeigenschaften der piezoelektrischen Schicht.

Es war eine komplexe Aufgabe, sowohl einen kompakten Harvester mit gleichzeitig hoher Leistungsausbeute zu entwickeln, vor allem aufgrund der geringen Dichte der konventionell verwendeten Siliziumschwungmasse. Schließlich ist es gelungen, die Leistungsdichte gegenüber anderen Systemen deutlich zu erhöhen.

Ein erster Schritt, um die Leistungsdichte zu erhöhen, war es, Scandium- Aluminiumnitrid-Schichten zu entwickeln und sie in den Biegebalken des Harvesters zu integrieren. Das Material bietet deutlich verbesserte piezoelektrische Eigenschaften gegenüber Schichten ohne Scandium. Mit dem verbesserten Material ist es möglich, die Leistung um den Faktor drei im Vergleich zu den bisherig Aluminiumnitrid-basierten Harvestern zu steigern.

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Ein weiterer Ansatzpunkt, die Leistungsdichte zu erhöhen war es, die Siliziumschwungmasse durch Materialien mit höherer Dichte zu ersetzen. Solche Materialien sind NdFeB- (Neodym-Eisen-Bor-)Mikromagnete oder Wolfram. Es gab schon erste Entwicklungen in diese Richtung. Allerdings handelte es sich bei vergleichbaren Entwicklungen um Hybrid-Montagesysteme. Dabei wird ein vorgefertigter Magnet nach dem Silizium-Herstellungsprozess manuell an den Biegebalken befestigt - eine aufwendige und daher teure Prozedur.

Mehr Leistung dank eines starken Magnets

Am Fraunhofer ISIT hat man mit der PowderMEMS-Technologie eine Prozesstechnik entwickelt, die es erstmalig ermöglicht, mikrometergroße NdFeB-Magnete in den Halbleiter-Fertigungsprozess auf Waferebene direkt zu integrieren. Zudem ist der Prozess kompatibel mit allen gängigen Prozessschritten in der Mikroelektronik. Es werden zuvor geätzte Kavitäten im Trägermaterial mit einem NdFeB-Pulver verfüllt.

Anschließend wird über Atomlagenabscheidung eine dünne Aluminiumoxidschicht um die einzelnen Partikel erzeugt. Die dünne Aluminiumoxidschicht verbindet die einzelnen Partikel und schützt diese gleichzeitig vor Umwelteinflüssen. Dank des stärkeren Mikromagneten sind nicht nur höhere Auslenkungen im Feder-Masse-System, sondern gleichzeitig auch komplexe Anregungsmöglichkeiten des Harvesters möglich. Rotations- und Translationsbewegungen werden mittels extern montierten Magneten in Energie umgewandelt.

Harvester weckt externen Mikrocontroller auf

Durch das Vorbeiführen des externen Magneten an dem Biegebalken wird er stark ausgelenkt. Bei ausreichend starker initialer Auslenkung und einem anschließenden abrupten Abklingen des Magnetfelds kommt es zum Nachschwingen des Biegebalkens in seiner Resonanzfrequenz. Bei niedrigen Frequenzen deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz sind hohe Energieausbeuten erreichbar, was bei konventionellen Systemen nur schwierig umzusetzen ist. Leistungen von bis zu 80 µW bei etwa 50 Hz und mehr als 150 µW bei dem Betrieb in Resonanz wurden mit dem Harvester erzielt.

Darüber hinaus lässt sich der Harvester als ein Near-Zero-Power-Wake-Up-Receiver nutzen. Die Spannung reicht nach der Gleichrichtung aus, um einen extern betriebenen Mikrocontroller aufzuwecken. Entsprechend ist im Stand-by-Modus der Energieverbrauch gering und bewegt sich bei wenigen Picoampere. Ein solches System erlaubt es, die Lebensdauer von elektronischen Geräten deutlich zu erhöhen, die längere Standzeiten zwischen ihrer eigentlichen Nutzung aufzeigen.

Die Spannung mit einem ASIC effizient umsetzen

Bild 2: Das Blockschaltbild und Chipfoto des Energiewandler-ASIC.
Bild 2: Das Blockschaltbild und Chipfoto des Energiewandler-ASIC.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Die vom Harvester generierte Wechselspannung wird vom Energiewandler-ASIC in eine Gleichspannung gewandelt, hochgesetzt und die Energie anschließend gespeichert. Ziel ist eine optimierte Leistungsanpassung zusammen mit der breitbandigen Eingangsspannung und einem maximalen Wirkungsgrad der Schaltung. Der ASIC basiert auf zwei vollintegrierten Wandlerkonzepten, die eine hocheffiziente Spannungsumsetzung ermöglichen. Für die Integration werden nur Transistoren und Kapazitäten verwendet, wobei auf Übertrager verzichtet wird.

Die ASIC-Padstufen werden sowohl durch eine externe Spannung als auch durch die erzeugte Gleichrichterspannung versorgt. Das Design mit einer Fläche von 10 mm² wurde in einer kostengünstigen Bipolar/CMOS-auf-SOI-Technologie mit 180 nm entworfen und per Multi-Projekt-Wafer-Run gefertigt. Im Block Negative-Halbwelle-Wandler der Variante NPCORE wird die negative und positive Hüllkurve aus den Eingangsspannungen erzeugt. Letztere liegt am Eingang der ersten Stufe des folgenden fünfstufigen Transistorgleichrichters an.

Damit die effektive Schwellspannung gesenkt wird, werden die Bulkknoten der MOSFET-Transistoren mit dem jeweils niedrigsten oder höchsten Potenzial verbunden. Die gepufferte Ausgangsspannung der letzten Stufe wird über Schottky-Dioden an den Ausgang geführt. Im Vollwellengleichrichter der Variante ENERGY_CONVERTER werden die Eingangsspannungen durch einen dreistufigen, kaskadierten Schottky-Dioden-Gleichrichter aufwärts in eine Gleichspannung gewandelt.

Gesamtwirkungsgrad von 71 Prozent

Die Ausgangsspannung der letzten Stufe versorgt die Blöcke Referenzspannungserzeugung und Komparator. Ist sie größer als die interne Referenzspannung, wird eine Verbindung über den Lastschalter mit dem Ausgang hergestellt. Die Regelung ist im Sinne der Applikation zur Aufladung einer Batterie vorgesehen, da diese eine spezifizierte minimale und maximale Ladespannung hat.

Aus Eingangsspannungen von 0,1 bis 1,5 V werden Ausgangsspannungen von 1,5 bis 3,8 V erzeugt. Der Gesamtwirkungsgrad der Variante NPCORE beträgt 71 Prozent. Erreicht werden Ausgangsleistungen bis 70 µW. Die Treiberfähigkeit der Ausgangsspannung ist hoch genug, um die ASIC-Pads zu versorgen. Auf Modulebene wird mit zwei Kondensator-Chips im Breitbandbetrieb eine Spannung am Ausgang der Variante ENERGY_CONVERTER von 2,5 V erreicht.

Die entwickelten Schaltungskonzepte sind flexibel an unterschiedliche Harvestertypen, Spannungsbereiche und Ausgangslasten anpassbar und ermöglichen eine auf die jeweilige Applikation abgestimmte Energieumsetzung. Im Vergleich mit anderen Ansätzen ist eine hohe Breitbandigkeit in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 10 kHz gegeben. Optimierungspotenzial besteht hinsichtlich der Empfindlichkeit bei geringsten Eingangsspannungen von wenigen Millivolt.

MIM-Kondensatoren mit hoher Energiedichte

Bild 3: Prinzipdarstellung (links) der MIM-Kondensatoren und Querschnitt im SEM-Bild eines Grabens im Kondensator mit den Titannitrid- und Hafniumoxidschichten und Vacuum-Release-Tray (rechts) nach dem automatisierten Vereinzeln der Kondensator-Chips.
Bild 3: Prinzipdarstellung (links) der MIM-Kondensatoren und Querschnitt im SEM-Bild eines Grabens im Kondensator mit den Titannitrid- und Hafniumoxidschichten und Vacuum-Release-Tray (rechts) nach dem automatisierten Vereinzeln der Kondensator-Chips.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Damit die vom Harvester bereitgestellte Energie gespeichert werden kann, hat man am Fraunhofer IPMS Mikroenergiespeicher entwickelt. Ziel war es, die Energiedichte pro Volumen nahe an die Grenze des heute technisch Möglichen zu bringen. Als Speicher greift man auf spezielle MIM-Kondensatoren (MIM = Metall-Isolator-Metall).

Die Energiedichte skaliert hier direkt mit der Fläche des isolierenden Materials, das gleichzeitig so dünn wie möglich und mit hoher Dielektrizitätskonstante vorliegen muss. Besonders hohe relative Dielektrizitätskonstanten bieten die Oxide des Zirkons und des Hafniums mit 20 bis 25. Um Durchbrüche des Kondensators bei Spannungen < 10 V (Sicherheitsmarge ~5 V) zu vermeiden, sind Zielschichtdicken >10 nm notwendig. Allerdings sind Schichten dieser Dicke in ausreichender Qualität kompliziert. Außerdem ist die erreichbare Kapazität pro Fläche in einer planaren Anordnung noch überschaubar.

Kondensatoren mit einer Kapazitätsdichte von ~500 nF/mm²

Für mehr Kapazität wurden Siliziumsubstrate so strukturiert, dass eine Oberflächenvergrößerung um den Faktor 25 erreicht wurde. In die Substrate wurden mit modernen Trockenätzprozessen Löcher (Trenches) eingebracht. Ihr Durchmesser liegt bei 500 nm und ihre Tiefe bei 10 µm. Diese Dimensionen und das Aspektverhältnis von 1:20 zeigen die eigentlichen Probleme bei der Fertigung.

Neben der dielektrischen Schicht müssen die untere und obere Elektrode mit hoher Präzision in diesen Strukturen abgeschieden werden. Am Fraunhofer IPMS greift man auf die Erfahrung der Atomlagenabscheidung zurück. Der Prozess ermöglicht die homogene Beschichtung selbst extremer Topologien. Hergestellt wurden Kondensatoren mit einer Dicke von 50 µm sowie einer Kapazitätsdichte von ~500 nF/mm². Das sind etwa 10 µF pro mm³. Vergleichbare Keramikkondensatoren (MLCCs) benötigen rund das 40-fache Volumen. Hervorzuheben ist der Einsatz von anti-ferroelektrischen (AFE) Dielektrika. Sie verdoppeln die Kapazität zu konventionellen Dielektrika.

Das Materialsystem basiert auf dotiertem Hafnium- oder Zirkonoxid und ist Forschungsgegenstand am Fraunhofer IPMS. Es konnten bereits 800 nF/mm² erreicht werden. Knackpunkt ist dabei die für das anti-ferroelektrische Verhalten notwendige Dotierstoffkonzentration in der gesamten Schicht genau einzustellen. Das ist vor dem Hintergrund der hohen Aspektverhältnisse der 3D-Strukturen nicht trivial. Auf einem in der Mikroelektronik üblichen Substrat (Wafer mit 300 mm) finden rund 4000 Bauelemente Platz. Die Kapazitäten werden anschließend automatisiert vereinzelt und in Vacuum-Release-Trays aufbewahrt.

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* Sven Grünzig arbeitet am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT. Matthias Landwehr und Sascha Bönhardt am Fraunhofer IPMS.

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