Lead-free piezoelectric transducers for vibration based energy harvesting devices

Röscher, Mark; Waser, Rainer

doi:31625

Lead-free piezoelectric transducers for vibration based energy harvesting devices = Bleifreie piezoelektrische Wandler für vibrationsbasierte Energy-Harvesting-Elemente

Röscher, Mark

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mark Röscher

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVI, 194 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39141
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63022/files/3914.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PLZT-Keramik (Genormte SW) ; Energy Harvesting (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Kalium-Natrium-Niobat (frei) ; PVDF (frei) ; Dünnfilm (frei) ; bleifrei (frei) ; Potassium-Sodium-Niobate (frei) ; thin film (frei) ; thin-film (frei) ; lead-free (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Vielfältige Forschungsaktivitäten der letzten Jahre zielen darauf ab, bislang vernachlässigte Energiepotentiale besser nutzen zu können. Ein vielversprechender Ansatz zur Realisierung eines auf mechanischen Vibrationen basierenden Mikrogenerators besteht darin, mittels einer piezoelektrischen Schicht im Mikrosystem periodisch auftretende mechanische Kräfte in elektrische Energie zu transformieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf dem Referenzsystem Blei-Zirkonat-Titanat basierende Mikrogeneratoren hergestellt und in Bezug auf ihre Einschränkungen analysiert. Als eines der wenigen bekannten polymeren Piezoelektrika weist Polyvinylidenfluorid interessante Eigenschaften in Bezug auf eine hochgradige Dehnbarkeit auf, ist jedoch sehr empfindlich gegenüber herkömmlichen Strukturierungsprozessen in der Mikrosystemtechnik. Durch die Wahl geeigneter Chemikalien, Ätzprozesse und Maskierungsschritte war es jedoch möglich auf Polyvinylidenfluorid basierende Mikrosysteme herzustellen, ohne das aktive Material zu zerstören. Gegenüber der weitgehend etablierten Abscheidung von Blei-Zirkonat-Titanat oder Polyvinylidenfluorid ist kein Weg zur lösungsbasierten Herstellung funktionaler Kalium-Natrium-Niobat-Dünnschichten bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden jedoch die Grundlagen eines solchen entwickelt. Die materialtechnischen Anforderungen ließen sich durch die Entwicklung eines säurekatalysierten Kryoprozesses erfüllen, der eine molekular homogene Beschichtungslösung erzeugt, welche ebenfalls zum fremdphasenfreien Sintern von Bulk-Keramiken verwendet werden kann.

Future applications like piezoelectric energy harvesters in addition with increasing environmental awareness ultimately demand novel sophisticated material systems in the field of piezoelectrics as an alternative to the long-established system lead-zirconate-titanate. In this publication state-of-the-art microgenerators have been designed to possess nonlinear Duffing oscillator characteristics. It is shown by measurement and simulation that lead-zirconate-titanate may hence no longer be the first choice in material selection for a piezoelectric microgenerator. Polyvinylidene fluoride has been integrated in a piezoelectric microgenerator and identified as an extraordinarily promising material system for transducer applications being highly insusceptible to stretching induced material failure. Finally, a fundamentally new chemical synthesis approach has been developed for the fabrication of potassium-sodium-niobate films that may also be suitable for other complex oxides.

Fulltext:
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