Mit Netzwerken aus Dutzenden autarker Sensoren sollen Maschinen künftig miteinander kommunizieren und Daten aus der Umwelt erfasst werden. Dazu benötigt man kleine und vor allem Energie sparende Mikroelektronik. Solche Komponenten entwickeln Forscher am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik IHP in Frankfurt (Oder) ? unter anderem besonders universelle Datenspeicher.

Unsere Welt vernetzt sich immer mehr. Unter dem Schlagwort “Industrie 4.0” sollen Maschinen schon in naher Zukunft miteinander, mit dem Internet oder mit einer Leitzentrale automatisch aktuelle Produktionsdaten austauschen. Wälder sollen künftig von allein einen Notruf aussenden, wenn sich ein Waldbrand ereignet. Und Ackerböden könnten schon in wenigen Jahren dem Landwirt über Funk mitteilen, wenn es an Dünger oder Wasser mangelt.

Voraussetzung für eine solche umfassende Vernetzung sind kleine autonom arbeitende Sensoren, sogenannte drahtlose Sensorknoten, die ihre Umwelt vermessen und Daten über eine Funkverbindung an eine Zentrale schicken können. Viele Einsatzgebiete sind denkbar, doch wird diese Zukunftsvision erst dann Realität, wenn es gelingt, die heutigen Sensorknoten kleiner und vor allem energiesparender zu betreiben.

Wissenschaftler vom IHP ? Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik in Frankfurt (Oder) entwickeln zu diesem Zweck besonders effiziente mikro- und nanoelektronische Bauteile. “Nur auf Basis solcher Technologien können wir künftig ausreichend effiziente Sensorknoten herstellen”, sagt Prof. Dr. Thomas Schröder, am IHP Leiter der Abteilung Materialforschung. “Welcher Landwirt hätte schon die Zeit, bei Dutzenden von Sensoren, die im Acker verstreut sind, die Batterien auszuwechseln.”

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Stromfresser Datenspeicherung

Zum Energieverbrauch mikroelektronischer Komponenten trägt vor allem die Datenspeicherung bei. So wird relativ viel Strom benötigt, um Informationen in das Speichermedium zu schreiben, abzurufen oder wieder zu löschen. Jeder der heute eine Digitalkamera benutzt, kennt solche Speicher, die SD-Karten zum Beispiel, in denen ein sogenannter Flash-Speicher zum Einsatz kommt. Auf einem Flash-Speicher lassen sich große Mengen von Bild- oder Tondateien nahezu unbegrenzt lange aufbewahren. Für Smartphones oder Digitalkameras, die man regelmäßig aufladen kann, sind sie geradezu ideal.

Für die künftigen autonomen Mikrosensoren aber wäre der Energieverbrauch der Flash-Speicher zu hoch. Am IHP wird deshalb an einer neuen Technologie gearbeitet, die seit etwa fünf Jahren weltweit als vielversprechende Speicheralternative diskutiert wird ? die RRAM-Technologie (Resistive Random Access Memory), an der heute auch viele Elektronikkonzerne arbeiten.

Den Begriff RAM kennt man bereits seit vielen Jahren aus der Computersprache. So wird etwa der Speicher eines PCs als RAM bezeichnet, in dem die Information in Form von Nullen und Einsen gespeichert ist. Die RRAM-Technologie speichert die Nullen und Einsen auf eine besondere Weise: Durch einen kurzen elektrischen Spannungspuls wird das Speichermaterial kleinräumig so verändert, dass sich an dieser Stelle der elektrische Widerstand des Materials verändert. Eine Eins liegt zum Beispiel vor, wenn das Material an diesem Punkt nicht mehr leitet, eine Null, wenn das Material leitet.