Energy Harvesting basierend auf Ferroelektreten mit transversalem piezoelektrischen Effekt

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Heinz von Seggern
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392020380

Die Gewinnung und Konvertierung von Energie aus der Umgebung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Versorgung von Sensornetzwerken und die Übermittlung von Daten. Mögliche Anwendungen sind die Überwachung und Übermittlung von menschlichen Biosignalen und wichtigen Messdaten von abgelegenen Objekten. In diesem Projekt werden wir Ferroelektret Energy Harvester untersuchen. Dabei werden zwei verschiedenen Typen von Ferroelektret Folien und komplett neue Entwurfsansätze bezüglich der Harvester Konfigurationen zum Einsatz kommen.In den letzten Jahren ist uns der Nachweis gelungen, dass unter Ausnutzung des longitudinalen piezoelektrischen Effekts (d33) von Ferroelektreten circa 1 µW elektrische Leistung bei einer seismischen Masse von 1 g und einer harmonischen Anregung mit Erdbeschleunigung erreichbar sind. Unter Nutzung des transversalen piezoelektrischen Effekts (d31) ist es uns kürzlich mit einem neuen Energy Harvester mit sogenanntem Parallel-Tunnel Ferroelektret gelungen, bis zu 2 mW unter gleichen Bedingungen zu erzielen. Diese Ergebnisse von einem nur 8 mm x 5 mm große Energy Harvester wurden bisher noch nicht veröffentlicht.In einem ersten Schritt werden wir diese existierenden Parallel-Tunnel Ferroelektrete verbessern und einen neuen Ansatz basierend auf röhrenförmigen Luftkammern erforschen, bei welchem mehrere Fluorethylenpropylen (FEP) Röhrchen thermisch zu einer Membran verklebt werden. Des Weiteren werden wir diese neuartigen Materialien, kombiniert mit einer seismischen Masse, nutzen, um signifikant verbesserte Energy Harvester Konfigurationen im Vergleich zu unseren bisherigen Harvestern, zu untersuchen. Des Weiteren soll eine neue Klasse von Energy Harvestern, basierend auf einer Biegebalkenstruktur, untersucht werden. Diese werden aus einem Metall oder Polymer Biegebalken bestehen, auf welchem das weiche Ferroelektret und die seismische Masse geklebt werden. Dieser Ansatz bringt zwei Vorteile mit sich: 1) Das Ermöglichen einer unabhängigen Auswahl der mechanischen Eigenschaften, hauptsächlich bestimmt durch den Biegebalken. Dieser kann für niedrige Resonanzfrequenz bei einhergehenden großen Auslenkungen ausgelegt werden. 2) Die Maximierung der piezoelektrischen Aktivität des weichen Ferroelektrets durch Optimierung hinsichtlich einer großen Änderung der Tunnelstärke während der Auslenkung des Biegebalkens. Die Trennung dieser Funktionen durch die Kombination des harten Biegebalkens mit dem weichen Ferroelektret stellt eine der vielversprechenden Ideen unseres beantragten Projektes dar und sollte zu einer großen elektrischen Ausgangsleistung führen.Für unsere neue Klasse von oben erwähnten Harvestern wurden bisher noch keine Ergebnisse erzielt. Jedoch deuten erste Abschätzungen an, dass mit diesen Harvestern Ausgangsleistungen von mehreren mW möglich sind. Damit können sehr wahrscheinlich existierende, keramisch basierte Biegebalken Energy Harvester, übertroffen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Xiaoqing Zhang