Forschung

Piezo-Folie als autarker Drucksensor

27.04.2015 - In den Kunststoff eingeprägte Mikro­pyra­miden verviel­fachen die Strom­ausbeute.

Mit Nanodrähten aus Zinkoxid oder Galliumnitrid erreichen piezo­elektrische Module Leistungen von einigen Mikrowatt. Diese Minikraftwerke können damit Sensoren und einzelne Leucht­dioden versorgen oder auch Konden­satoren nach und nach aufladen. Auch Polymere können über den piezo­elek­trischen Effekt mechanischen Druck in elek­trischen Strom umwandeln. Die Ausbeute dünner Piezo-Folien konnten nun koreanische Forscher von der Sung­kyun­kwan Univer­sity in Suwon signi­fikant steigern.

Der autarke Drucksensor besteht aus einer piezoelektrischen Folie mit eingeprägter Pyramiden-Struktur (Grafik / Mikroskopaufnahme: Ju-Hyuck Lee et al. / Wiley-VCH)

Abb.: Der autarke Drucksensor besteht aus einer piezo­elek­trischen Folie mit einge­prägter Pyramiden-Struktur. (Grafik / Mikroskopaufnahme: Ju-Hyuck Lee et al. / Wiley-VCH)

Die Arbeitsgruppe um Ju-Hyuck Lee fertigte eine durchsichtige Folie, die sie testweise als autarken Regen- und Wind­sensor einsetzten. Für ihren Prototyp wählten sie ein piezoelektrisches Polymer, Poly­vinyliden­fluorid, das sie über ein Spin-Coating-Verfahren in dünnen, transpa­renten Schichten auf eine leitfähige Unter­lage aus Indium­zinn­oxid auftrugen. Auf der Unterseite dampten sie eine nur 200 Nanometer dünne Silber­schicht als Elektrode auf. Im Unterschied zu bisherigen piezo­elektrischen Folien prägten die Forscher mit einem mikro­struktu­rierten Stempel aus Silizium­dioxid zahlreiche winzige Pyramiden mit Kanten­längen von nur zehn millionstel Metern in diesen Piezokunststoff. Dank dieser Struktur reichten geringe Drücke von etwa einem zehntel bar aus, um Spannungen von drei Volt bei gut einem Mikroampere Stromstärke zu erreichen.

Höhere Drücke führten zu höheren Ausgangsspannungen und Strom­stärken von bis zu vier Mikro­ampere. Piezo-Folien ohne Pyramiden-Struktur erreichten dagegen nur ein Fünftel dieser Strom­ausbeute. Weitere Versuche belegten, dass schon wenige aus nur 14 Zentimeter Höhe einfallende Wassertropfen genügten, um mit der Folie messbare Strompulse zu erzeugen. Diese hohe Empfind­lichkeit konnten Ju-Hyuck Lee und Kollegen sogar für die Messung von leichten Winden nutzen. So detek­tierte die Piezo-Folie zuverlässig selbst einen leisen Wind­­hauch mit nur knapp einer Windstärke (Beaufort-Skala). Mit zunehmender Wind­stärke stieg auch die Strom­ausbeute fast linear an. Entsprechend ließ sich die Piezo-Folie als relativ genauer Wind­sensor nutzen.

Zum Aufladen von Laptops oder Smartphones reicht der erzeugte Strom längst nicht aus. So taugt diese Piezo-Folie nicht für mobile Mini-Kraftwerke. Aber als autarker Druck­sensor, der ohne Batterien oder elektrischen Anschluss betrieben werden kann, ließe sich die widerstandsfähige Piezo-Folie beispielsweise für ein flächendeckendes Umwelt­monitoring verwenden. In weiteren Versuchen wäre noch zu prüfen, ob die elektrische Leistung auch zum Betrieb eines kleinen Funk­senders ausreicht, um die Messdaten schnurlos an einen nahe gelegenen Empfänger zu senden.

Im Unterschied zu piezoelektrischen Modulen mit Zinkoxid-Nanodrähten lassen sich Piezo-Folien mit eingeprägter Mikro­struktur über ein Druck­verfahren günstiger und im großen Maßstab herstellen. Abhängig von dem verwendeten Träger­material für das piezo­elektrische Polymer wären nicht nur durch­sichtige, sondern auch flexible Druck­sensoren möglich.

Jan Oliver Löfken

OD