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Entwicklung integrierter und flexibler Fertigungsprozesse für Thermoelektrische Mikro-Generatoren (MiTEG)

Antragsteller Dr. Uwe Pelz; Dr. Heiko Reith
Fachliche Zuordnung Mikrosysteme
Förderung Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417306425
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt MiTEG ging es um die Entwicklung integrierter und flexibler Fertigungsprozesse für Mikro-thermoelektrische (TE) Generatoren µTEGs). Diese µTEGs mit Kantenlängen um die 10 mm oder kleiner, sind in der Lage aus Temperaturdifferenzen in geringe Mengen elektrischer Energie zu wandeln und somit Sensoren und andere Geräte zu versorgen. In zwei Teilprojekten beschäftigten sich die Projektpartner mit Fertigungsprozessen zum Einsatz von TE Halbleitermaterialien (Bismuttellurid-basiert) vor allem im Bereich der Energiegewinnung sowie TE Metalllegierungen (CoNi und CuNi) v.a. im Einsatz als Peltier-Elemente für die TE Kühlung. Im Verlauf des Projektes wurden Substrate aus Standard PCB-Material (FR4 mit Kupferlagen auf beiden Seiten) eingesetzt und mit Hilfe einer CNC-Fräse bearbeitet, sodass Lochmuster von einer (Einseitenprozess) oder beiden Seiten (Beidseitenprozess) entstanden. Diese Löcher wurden nicht komplett durch das PCB-Material gebohrt, sondern endeten auf der gegenüberliegenden Kupferschicht und bildeten die Basis für den dortigen elektrischen Kontakt. Der im Projekt entwickelte Herstellungsprozess für Halbleiter TE Materialien nutzt TE Pulver zusammen mit einem Lösemittel als dickflüssige Paste. Diese Paste wird in die vorbereiteten Löcher eingebracht, ausgehärtet und unter Wärmeeinwirkung verdichtet. Auf der jeweiligen Seite, die zur Einbringung der Paste genutzt wurde, wird zum Schluss noch eine Schicht Silberleitpaste aufgebracht und der finale µTEG mit Hilfe der CNC Fräse isoliert und freigeschnitten. Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von µTEGs auf diesem einfachen und kostengünstigen Weg unter Nutzung vorhandenen Technologien der Leiterplattenindustrie möglich ist. Im weiteren haben wir ECD-Materialien wie CoNi und Sb für die aktive Kühlung sowie BiTeSe und Tellur für Kühl- und Energieerzeugungsanwendungen optimiert. TEDs wurden unter Verwendung von CoNi und Sb als TE-Materialien mit den oben erwähnten Templaten gefertigt. Im Laufe des Projektes haben wir zudem einen innovativen Ansatz zur Geometrieoptimierung entwickelt, bei dem die Höhe der p- und n-Beine zueinander abgestimmt wird. Dank dieser Technik konnten wir MEMS-basierte μTEDs entwickeln, die eine Steigerung der Kühlleistungsdichte um 37,5 % bei gleichzeitiger Reduzierung des Te-Verbrauchs um 42,5 % erreichen. Bei der Energieerzeugung konnten wir die Leistungsdichte um 55 % erhöhen und den Te-Verbrauch um 70 % reduzieren. Zusätzlich wurden PCB-basierte Drahtmodule hergestellt, bei denen kommerzielle TE-Drähte als p- und n-Beine eingesetzt werden. Die einfache Herstellung dieser Module stellt einen weiteren Vorteil für die Kommerzialisierung des Verfahrens dar. Die Anwendungsfelder der so hergestellten µTEGs erstrecken sich von der Energieversorgung einzelner Sensoren und kleiner, körpernaher Geräte bis hin zu Leiterplatten-integrierten, elektrisch unabhängigen Sensoren bzw. eingebettete Überwachungssysteme ohne Batteriewechseloption.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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