Svensk trio tar energi ur vibrationer

En trillion sensorer, populärt kallat smart dust, är vad som förutspås till år 2030.  Sensorerna ska exempelvis sys in i kläder, ta plats i en människas hjärta, stoppas in i lastbilsdäck, svarvstål och bussar. De flesta blir mikromekaniska och för att driva dem krävs energi. Den vill svenska Silex skapa med hjälp av nya piezoelektriska material.

Silex började kika på piezoelektriska mems-material redan för fyra år sedan och för två år sedan drog företaget igång i större skala. Materialet som används är PZT – det är ett av världens mest använda piezoelektriska keramiska material.

Thorbjörn Ebefors

– För memstillverkare är PZT-program ganska nytt. Stora memsföretag som Bosch och ST har först under det senaste året annonserat att de börjat med detta, säger Thorbjörn Ebefors, teknikchef på Silex.

Hittills har Silex använt sitt PZT-material för att tillverka mikromekaniska pumpar och ventiler. Då är materialet optimerat att ge största möjliga kraft ut när en viss spänning påförs.

Nu ska företaget göra det omvända – optimera materialet att plocka upp energi och generera så mycket laddning som möjligt.

– Vårt mål är att skapa en robust processmodul för integrering av PZT i mems. Tillverkningsprocessen ska vara generell, som en tekniknod i CMOS-världen. Sen är det våra kunder som gör den mekaniska konstruktionen, som ser olika ut beroende på om den ska skörda vibrationsenergi från hjärtslag vid några hertz eller vid hundratals hertz i ett bildäck.

Strax före årsskiftet beviljades Silex, Acreo och Linköpings universitet 5,8 miljoner kronor från Vinnova för att gemensamt ta fram teknik för att göra autonoma sensorsystem självförsörjande på energi. Projektet, SEHPMET (Smart Energy Optimization via Energy Harvesting utilizing new Swedish Piezo MEMS Technology), har en totalbudget på drygt en miljon euro och ska pågå i 28 månader. Inom ramen för projektet ska Silex skapa det optimala piezoelektriska materialet, Acreo ta fram den mikromekaniska konstruktionen samt stå för testningen medan Linköpings universitet ska utveckla elektroniken för energihanteringen.

Så fungerar PZT

Det piezoelektriska materialet PZT består av bly, titan och zirkonium. Det är ett icke linjärt material som kan användas för att ge en mängd häftiga effekter. I materialet kan exempelvis en aktuator byggas som får speglar att självsvänga eller en mörkerseende kamera byggas av detektorer som plockar upp IR-strålning.
Likaså kan PZT-materialet användas för att skörda energi ur vibrationer. Då ser konstruktionen i stort ut som en kondensator med två metallplattor och ett dielektriskt material, PZT, emellan. Drar man i materialet genereras laddning mellan de två elektroderna. Genom att dopa och bearbeta PZT-materialet på olika sätt kan olika egenskaper träda fram, även om själva tillverkningsprocessen är densamma.

Precisionen i Silex tillverkningsprocess är enormt hög. Tjockleken på materialen är mindre än 100 nm, vilket är i storleksordningen 1/100-dels hårstrå. När företaget etsar i olika material kan processen kontrolleras på 25 nm när.
Silex har två fabriker i Järfälla utanför Stockholm, en 6- och en 8-tumsfabrik. Här arbetar cirka 140 personer, var-av knappt hälften är tekniska doktorer eller ingenjörer. I fjol omsatte företaget närmare en kvarts miljard kronor.

Energikällan som trion fokuserar på är vibrationer. När den mekaniska strukturen börjar vibrera blir det töjningar i PZT-materialet som då genererar laddning. Tanken är att materialet ska kunna plocka upp vibrationer i alla tre dimensioner.

– Materialet hoppas vi är klart att demonstreras i slutet på detta år. Sen ska projektet bygga en demokomponent, kapslad i vakuum. Under nästa år hoppas vi kunna visa demokomponenter i Acreos testlabb för rörelsesensorer, säger Thorbjörn Ebefors.

Med demokomponenten siktar man på att visa att det går att skörda energi ur ett roterande lastbilsdäck. På längre sikt är tanken att byta ut batteriet i dagens däcktryckssensorer mot mems-skördare. Det skulle ge en billigare och mindre utrymmeskrävande lösning.

– Just nu skruvar vi på materialet för att få ut tillräcklig effekt. Till en början satsar vi på att generera 10 till 100 µW. Det är tillräckligt för att strömförsörja en sensor, mäta däcktryck och via en radiokrets skicka en varning till färddatorn i en lastbil när det behövs.

I ett första steg kommer elektroniken i form av AD-omvandlare och lågeffektförstärkare att sitta på ett separat kretskort, men i steget därpå ska allt integreras – även CMOS-logiken. Dit vill man nå om 3–4 år, genom ett projekt inom det nya stora europeiska ramprogrammet Horizon 2020.

– För tillfället arbetar vi med ansökan till en väldigt bra utlysning inom Horizon 2020. Den ska vara inne till påsk och blir ett naturligt andra steg i utvecklingen, förklarar Thorbjörn Ebefors.
Inom EU-projektet ska även andra samarbetspartners med som bland annat ska titta på möjligheten att lagra energi i exempelvis grafen, kolnanorör eller andra typer av kolbaserade tvådimensionella material som börjat dyka upp.

– Det handlar om lagring av väldigt lite energi. Samtidigt måste energin finnas just i det läge när radiosignalen ska skickas.

Om Horizon 2020-ansökan beviljas kommer dagens forsknings- och utvecklingsarbete att övergå i en kommersialiseringsfas fram till år 2018.

– Inom EU-projektet ska tekniken kommersialiseras och en färdig verifierad tillverkningsprocess av ett trådlöst och energiautonomt sensorsystem levereras. Då kan vi tillverka lösningar till alla som behöver energiskördare, säger Thorbjörn Ebefors.

Kommande demonstrator: