Когда места мало или замена затруднена, то питание датчиков через батарею или кабель чаще всего оказывается слишком обходным. Лучший подход — сделать потребление энергии интегрированным и долговечным. Одно из решений предлагает Energy Harvesting — производство электроэнергии на месте, например, с помощью солнечных батарей, термоэлектрических или пьезоэлектрических материалов.Пьезоэлектрические материалы могут преобразовывать механические колебания в электрическую энергию, поскольку действие механической силы приводит к разделению зарядов.
Их можно применять в местах, где существует определенное, но не обязательно постоянное состояние вибрации — например, на промышленном оборудовании или двигателях самолетов, в двигателях автомобилей или даже на теле человека, где постоянно возникают кровяное давление, дыхание или сердцебиение. импульс. До настоящего времени предпочтительным пьезоэлектрическим материалом в основном были композиты свинец-цирконий-титан (PZT).
Другой вариант — нитрид алюминия (AlN). По сравнению с PZT, он обладает более благоприятными механическими свойствами, не содержит свинца, более стабилен и биосовместим.
Более того, практически не проблема интегрировать слои AlN в обычные производственные процессы для микроэлектроники.Новый процесс изготовления пьезопокрытийВот дилемма: чтобы интегрировать пьезоэлектрические материалы во все более мелкие электрические системы, они также должны быть как можно меньше — с одной стороны. С другой стороны, им нужен определенный объем для выработки достаточного количества энергии.
До сих пор было невозможно произвести целевые покрытия достаточно экономически целесообразным способом с использованием имеющихся на сегодняшний день методов. Скорость осаждения, однородность и площадь покрытия слишком малы. Но теперь ученые из Института органической электроники, электронно-лучевой и плазменной технологии им.
Фраунгофера FEP разработали процесс, с помощью которого они могут осаждать высокодомогенные слои диаметром до 200 мм с одновременной высокой скоростью осаждения. Таким образом, процесс значительно более продуктивен и прибылен, чем предыдущие процессы.Исследователи нанесли слои реактивным магнетронным распылением алюминиевых мишеней в атмосфере аргона и азота на кремниевую пластину. С помощью этой физической процедуры атомы твердых тел переводятся в газовую фазу путем бомбардировки мишеней высокоэнергетическими ионами благородных газов.
Затем они наносятся на пластину слоем. Для этой цели ученые FEP используют DRM 400, двойной кольцевой магнетронный источник распыления, разработанный собственными силами и состоящий из двух кольцевых мишеней. Поскольку разряды обеих мишеней перекрываются, можно равномерно нанести слои AlN на большую поверхность покрытия с пьезоэффектом d33 до 7 пКл / Н. Чем выше этот показатель, тем сильнее реагирует материал.
Типичные значения пьезоэлектрического коэффициента d33 AlN, описанные в доступной исследовательской литературе, находятся в диапазоне от 5 до 7 пКл / Н. В то же время механическое напряжение слоев можно гибко изменять в зависимости от области применения. Это влияет, например, на прочность сцепления покрытия, электромеханическое соединение и величину вырабатываемой энергии.Еще больше повышения урожайностиРаботая в сотрудничестве с Техническим университетом Дрездена и Университетом Оулу в Финляндии, исследователи FEP провели испытания по улавливанию энергии с помощью покрытий AlN на силиконовых полосках размером 6×1 см2.
Для демонстраций они смогли достичь генерируемой мощности в несколько сотен мкВт. По словам руководителя проекта Стефана Барта, эту цифру нельзя использовать на практике в соотношении 1: 1, поскольку генерируемая мощность зависит от множества факторов: «С одной стороны, конструкция, то есть толщина слоя. , геометрия преобразователя, объем, пространство и материалы подложки — все это имеет влияние; с другой стороны, существует эффект от вибрационного поведения, такого как частота, амплитуда или окружающая среда, и следует также помнить о необходимости согласования с электроника датчика ". Тем не менее, слои AlN являются реальной альтернативой для работы маломощных датчиков, поскольку они используются в промышленных приложениях или с кардиостимуляторами.Чтобы поднять мощность еще выше, ученые дополнительно используют слои из нитрида алюминия-скандия, которые они наносят путем реактивного совместного распыления. По сравнению с чистым AlN, они демонстрируют значительно более высокие пьезоэлектрические коэффициенты при аналогичной скорости нанесения покрытия.
Это означает, что за счет этого вырабатывается в три-четыре раза больше энергии. Еще одно направление работы исследователей в будущем будет сосредоточено на оптимизации конструкции преобразователя для выработки электроэнергии.
Цель состоит в том, чтобы уменьшить размеры всей конструкции, еще больше увеличить пропускную способность и лучше адаптировать резонансную частоту к соответствующему применению.