Thermisch gespeister autarker drahtloser integrierter Transmitter

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professorin Dr. Gabi Schierning
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452152875

Für das Internet der Dinge im Allgemeinen und medizinische Sensoren im Speziellen werden drahtlose Datensender mit niedriger Leistungsaufnahme benötigt. Die Energieversorgung solcher Sender basiert meistens auf 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 diverse 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 Rekord-Leistungsdichte über 10 μW/mm2 bei einer moderaten Temperaturdifferenz von 7 K. Dazu müssen die Geometrie und Materialkompositionen 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 darf die Leistungsaufnahme des CMOS Datensenders 10 µW nicht überschreiten. Um diese ultra-niedrige Leistungsaufnahme zu ermöglichen, werden direkt modulierte Oszillatoren mit aggressivem Tastverhältnis von 0.1 %, ultra-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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen