Der Einsatz drahtloser Wandlersysteme wird heute noch ganz entscheidend durch ihre Größe und den Formfaktor begrenzt. Die Integration von Messwandlern mit drahtlosen Übertragungsstrecken und Batterien führt im Allgemeinen zu Systemen, die mehrere Kubikzentimeter einnehmen und einige hundert Gramm wiegen. Da sich derartige Formfaktoren für portable Anwendungen oder Umgebungen nicht eignen, hat man drahtlose Sensorsysteme bisher kaum eingesetzt. Erst eine Integration der entscheidenden Funktionsblöcke autonomer Wandlerknoten, wie Sensoren und Aktoren, DSP, Sender und Mikro-Leistungsgenerator, in ein erschwingliches „System in einem Gehäuse“, wie es derzeit von Imec-NL, der holländischen Schwestergesellschaft des belgischen Forschungszentrums für Nanoelektronik und Nanotechnologie Imec, untersucht wird, dürfte den Weg für drahtlose Sensorsysteme in portablen Geräten ebnen. Die Auswahl des geeigneten Prinzips zur Energiesammlung hängt von der Anwendung und ihrer Einsatzumgebung ab. Hier werden thermische Energiesammler (vorzugsweise für Anwendungen am menschlichen Körper) näher betrachtet.
Thermische Energiesammler im Einsatz am Mensch
Bei den thermischen Energiesammlern handelt es sich um thermoelektrische Generatoren, die den Seebeck-Effekt zur Umwandlung der Temperaturdifferenz zwischen dem menschlichern Körper und seiner Umwelt in elektrische Energie nutzen. Ein thermoelektrischer Generator (TEG) besteht aus einer Thermosäule, die zwischen einer heißen und einer kalten Fläche liegt. Die Thermosäule besteht aus einer großen Anzahl von Thermoelementen, die thermisch parallel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind (Abbildung 1). Die roten und blauen Säulen stehen für die beiden Typen des thermoelektrischen Materials, während ihre metallischen Verbindungen goldfarben ausgeführt sind. Kalte und heiße Seitenflächen der Thermosäule sind durch blaue bzw. rosa Flächen gekennzeichnet. Die erzeugte elektrische Energie erreicht ihr Maximum, wenn einerseits die Lastimpedanz mit dem elektrischen Innenwiderstand des Generators übereinstimmt und andererseits die thermische Leitfähigkeit der Thermoelemente dem für die Luft zwischen den beiden Flächen geltenden Wert entsprechen.In kommerziell verfügbaren Thermosäulen, die meist auf Bi2Te3basieren, haben die Säulen einen Durchmesser von 0,3 bis 1 mm und sind zwischen 1 und 3 mm hoch. Ausgehend von den jeweils niedrigsten Werten wird ein auf maximale Leistung ausgelegter TEG einen thermischen Widerstand von 200cm2K/W pro Quadratzentimeter Oberfläche aufweisen. Unter Betriebsbedingungen wird der Generator in eine Reihenschaltung aus thermischem Widerstand des wärmeabgebenden Körpers und dem entsprechenden thermischen Widerstand der kühlenden Luft eingefügt. Der thermische Widerstand des Körpers ist unterschiedlich groß, wie am Beispiel eines TEG am Handgelenk deutlich wird: An der Stelle, an der üblicherweise die Armbanduhr zu finden ist, beträgt der mittlere thermische Widerstand pro Flächeneinheit etwa 300 cm2K/W, während er auf der Innenseite nahe der Arterie nur noch halb so groß ist. Die Anzahl der Thermoelemente für optimale Leistungsabgabe des oben genannten Generators stellt sich mit 10 bis 20 pro Quadratzentimeter als sehr niedrig heraus, was auch nur eine sehr niedrige Ausgangsspannung von 20 bis 30 mV/cm2liefert. Für die Ansteuerung eines einfachen Leistungsmanagementsystems zur Ladung einer Batterie sind aber mindestens 800 mV nötig, die dann noch aufwärts gewandelt werden müssen. Für eine derartige Spannung ist die Anzahl der Thermoelemente zu erhöhen und gleichzeitig deren Querschnitt zu senken, damit die Bedingung einer maximalen Leistungsabgabe (äquivalenter Wärmefluss durch das Thermoelement und die Luft) weiterhin gilt. Werden kommerzielle Thermosäulen verwendet, dann ist daran zu denken, dass ihr Querschnitt technologiebedingt auf die oben genannten Werte beschränkt ist und daher die erforderliche Spannung durch eine größere Anzahl der Thermosäulen nur auf Kosten einer reduzierten Leistungsabgabe entstehen kann. Auf Basis dieses Kompromisses entstand ein in Abbildung 2 dargestelltes System: Sein Leistungswandler ist zusammen mit einem Sender kleiner Leistung auf einem flexiblen Substrat zusammengefasst und auf das Armband geklebt worden. Die von diesem System erzeigte Leistung übertrifft 0,1 mW bei einer Ausgangsspannung von über 1 V. Dies reicht aus, um einen kleinen Akku zu laden und beispielsweise die Körpertemperatur alle ein bis zwei Sekunden an eine benachbarte Empfängerstation zu senden.
Durch Mikrobearbeitung gefertigte Thermosäulen
Diese Ergebnisse des Einsatzes kommerzieller Thermosäulen haben gezeigt, dass die menschliche Körperwärme prinzipiell ausreicht, um einen Sensorknoten zu speisen. Dennoch ist diese Lösung aus zwei Gründen noch nicht optimal: Zunächst einmal bietet sie nicht die Möglichkeit, gleichzeitig Leistung und Spannung zu optimieren, und dann ist sie noch sehr teuer, da sich die Fertigungstechniken für Thermosäulen nicht so leicht automatisieren lassen. Eine Alternative könnte darin bestehen, Thermosäulen durch Mikrobearbeitung herzustellen. Diese Verfahren sind bereits aus der wissenschaftlichen Literatur bekannt und werden kommerziell in miniaturisierten thermoelektrischen Kühlern eingesetzt. Mikrobearbeitung bietet nämlich das Potential, die lateralen Dimensionen der Thermopaare zu reduzieren. Dies bedeutet, dass man eine wesentlich größere Anzahl von Thermoelementen pro Flächeneinheit herstellen kann, was auch dafür sorgt, dass die thermische Leitfähigkeit von Thermoelement und Luft übereinstimmen, was eine Leistungsoptimierung ermöglicht. Unglücklicherweise sind per Mikrobearbeitung erzeugte Thermoelemente nur einige Mikrometer hoch, was den thermischen Widerstand des Generators drastisch senkt. Damit ist der Temperaturabfall über dieses Bauteil gering und die erzeugte Leistung nur noch sehr niedrig. Um dieses Problem zu lösen, hat Imec eine besondere Ausführung eines durch Mikrobearbeitung hergestellten thermoelektrischen Generators zur Anwendung am menschlichen Körper entwickelt, der einen großen thermischen Widerstand mit einer großen Anzahl von Thermosäulen kombiniert. Einige tausend Thermoelemente sind auf einen Silizium-Ring montiert, der den parasitären thermischen Widerstand des Generators zwischen den beiden Flächen vergrößern soll. Ein nach diesem Schema hergestelltes, optimiertes Bauteil mit Bi2Te3als thermoelektrischem Material kann am Handgelenk bis zu 30 µW/cm2bei einer Spannung von über 4 V für Anwendungen im Innenbereich liefern. Eine andere Realisierung auf der Basis von SiGe-Thermoelementen, ermöglichte - trotz deren gegenüber Bi2Te3ungünstigeren thermoelektrischen Eigenschaften - mit diesem optimierten Generator noch 4,5 µW/cm2bei einer Spannung von 1,5 V.
