Für das Internet der Dinge (IoT) im Allgemeinen und medizinische Sensoren im Speziellen werden drahtlose Datensender mit niedriger Leistungsaufnahme benötigt. Die Energieversorgung solcher Sender beruht auf der Verwendung von Batterien oder der ineffizienten Energiegewinnung aus Hochfrequenz (HF)-Wellen.

Mit THAWIT soll der weltweit erste drahtlose Sender entwickelt werden, dessen Energieversorgung durch kompakte, integrierte thermoelektrische Energiegewinnung erfolgt. Um einen versorgungsautarken Betrieb zu ermöglichen, müssen folgende Herausforderungen überwunden werden. Der Energieverbrauch der Sender muss massiv reduziert werden, während die Leistungsdichte des thermoelektrischen Generators deutlich gesteigert werden muss. Eine zentrale Herausforderung ist dabei die Integration in Silizium, welche die Auswahl möglicher Materialzusammensetzungen einschränkt. Zu den zentralen Herausforderungen zählt die Erforschung siliziumkompatibler Thermogeneratoren mit einer Leistungsdichte über 10 μW/mm² bei einer moderaten Temperaturdifferenz von 7 K. Dazu müssen die Geometrie und Materialzusammensetzungen des thermoelektrischen Generators rigoros optimiert werden. Die hohe Ausgangsleistungsdichte bedingt eine große Schenkellänge, was die Wahl des Photoresists und der Abscheidungsparameter des thermoelektrischen Materials beeinflusst. Zur Reduktion der thermischen Leitfähigkeit soll ein neuer Prozess für die Herstellung der p-dotierten Schenkel erforscht werden. Zusätzlich entwickeln wir einen siliziumkompatiblen Energiespeicher. Um die Kompatibilität mit der Fertigungstechnologie/-Ausrüstung am IFW zu ermöglichen, wird dieser als flacher hochleistungsfähiger interdigitaler Mikro-Superkondensator in Silizium realisiert. Der Speicher basiert auf fotolithografisch strukturierten gesputterten Elektroden und einem Festkörperelektrolyt.

Unter Berücksichtigung auftretender Ladungsverluste und einer verfügbaren Chipfläche von 2 mm² muss die Leistungsaufnahme des CMOS Datensenders etwa 10 µW betragen. Um diese ultra-niedrige Leistungsaufnahme zu ermöglichen, werden direkt modulierte Oszillatoren mit aggressivem Tastverhältnis von 0.1 %, schnellem Einschalten und minimierten Ruheverlusten erforscht. Zusätzlich zu impedanzangepassten Antennen werden induktive Antennen untersucht, die direkt in den LC-Resonator des Oszillators integriert werden können. Eine textilkompatible, gewebte oder gedruckte Antenne wird für den Demonstrator entwickelt. Der Demonstrator soll den Spezifikationen des Medical Implant Communication Service (MICS) entsprechen. Das abschließende Ziel ist die Demonstration einer Datenübertragung um 400 MHz mit einer Datenrate von 1-10 kb/s für Distanzen von bis zu einem Meter.

THAWIT vereint die komplementären Kompetenzen von Gabi Schierning, IFW, auf dem Gebiet der thermoelektrischen Bauelemente und Frank Ellinger, TUD, im Bereich integrierter HF-Schaltungen mit geringer Leistungsaufnahme.

Abfallprodukte der Silizium-Solarwafer- und Halbleiter-Fertigung bzw. -Anwendung werden verwendet, um diese durch nachgeschaltete Prozessschritte für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen wie Lithium-Ionen-Batterien, Dioden, Thermoelektrik oder Hockleistungskeramiken zu ertüchtigen.

Der Fokus liegt auf dem Material- und Verfahrens-Aspekt:

Das Material muss im Hinblick auf die Weiterverarbeitung eingehend charakterisiert werden. Diese erfolgt in einem Gasphasenreaktor zur Nanomaterial-Herstellung. Die kontinuierliche Förderung von großen Pulvermengen stellt dabei eine verfahrenstechnische Herausforderung dar. Im Reaktor wird das Material z.T. von Verunreinigungen befreit und ggf. dotiert. Das entstandene Material wird mittels Laser-Strahlschmelzen (LBPF) zu Demonstratoren verarbeitet, die elektrisch charakterisiert werden, um ihre Verwendbarkeit für die o.g. Anwendungen zu verifizieren.

Neben dem volkswirtschaftlichen Gesamtnutzen können insbesondere Unternehmen aus den Bereichen PV-Recycling, Anlagenbau, Materialaufbereitung sowie LBPF-Endanwender unmittelbar profitieren, indem sie ihr bestehendes Fertigungs- und Produktportfolio um entsprechende Technologien und Komponenten erweitern. Typischerweise sind diese Segmente häufig durch KMU geprägt: Reaktoren zur Nanomaterialsynthese, wie sie in diesem Vorhaben zum Einsatz kommen, liegen im Aufgabenbereich von Anlagenbauern im KMU-Sektor, ebenso wie die Auslegung und Produktion eines Pulverförderers. LBPF-Prozesse ermöglichen die zeitnahe Bereitstellung von Funktionsprototypen und die endkonturnahe Herstellung komplexer Bauteile (mit entsprechender Funktionsintegration), die mittels konventioneller Fertigungstechnologien nur schwer oder nicht hergestellt werden können. Daraus ergibt sich insbesondere für KMU das Potenzial, dass Versorgungsketten flexibilisiert, Lagerkosten reduziert und Lieferengpässe bestimmter Produkte überbrückbar sind. Eine leistungsfähige On-Demand-Fertigung ist die Folge.