Technik

Mikrobatterien für extrem kleine Hörgeräte

Am Fraunhofer-Institut in Wedding geht eine Fertigungsanlage für winzige Akkus in Betrieb. Sie sollen Sensoren mit Strom versorgen

Die neue Fertigungslinie soll Erfahrungen für die spätere industrielle Fertigung von Mikrobatterien sammeln

Die neue Fertigungslinie soll Erfahrungen für die spätere industrielle Fertigung von Mikrobatterien sammeln

Foto: Fraunhofer IZM/TU Berlin / BM

Winzig klein soll ein neuartiges Hörgerät sein, das derzeit entwickelt wird. Das extrem miniaturisierte Gerät, eine „Hörkontaktlinse“, soll direkt auf das Trommelfell gesetzt werden. Ein winziger Druckerzeuger („Piezo-Aktor“) überträgt die Schallsignale als Schwingungen auf das Trommelfell. Auch das Mikrofon ist Teil des Mikrosystems im Ohr.

An das Gerät knüpft sich die Hoffnung, dass Schwerhörige Gespräche naturgetreuer als bisher hören und verstehen und auch besser Richtungshören können. Entwickelt wird die Mini-Hörhilfe mit Unterstützung des Bundesforschungsministeriums unter anderem von der Technischen Universität (TU) Berlin.

Die Miniaturisierung der Elektronik schreitet weiter voran

Ein Problem ist allerdings die Stromversorgung. Konventionelle Knopfzellen sind dafür noch viel zu groß. Dem Problem haben sich Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) im Berliner Ortsteil Gesundbrunnen angenommen. Sie gehen dabei eine generelle Herausforderung an – nicht nur bei Hörgeräten. Denn in vielen Bereichen der Elektronik geht die Miniaturisierung munter weiter.

Vor allem bei Sensoren, die Daten erfassen, aufbereiten, speichern und an andere beteiligte Systeme weitergeben. „Im Moment wird vor allem an medizinische Sensoren gedacht, die am oder im Körper medizinische Daten erfassen, etwa den Blutzuckerspiegel oder den Augeninnendruck“, sagte IZM-Projektleiter Robert Hahn der Berliner Morgenpost. Aber auch elektronisch steuerbare Kontaktlinsen sind angedacht, die ihren Brennpunkt und damit die Brechkraft verändern. „Oder auch Schuhe mit Sensoren, die Diabetiker mit Nervenstörungen in den Füßen vor gefährlichem Druck auf die Haut warnen“, ergänzt Hahn.

Die Industrie hat das Thema bisher vernachlässigt

Die geschrumpfte Elektronik braucht Energie und weil sie bei ihrer Arbeit oft autark von externen Stromquellen sein muss, braucht sie immer winzigere Batterien. „Wir haben festgestellt, dass es bisher keine industrielle Lösungen für stark miniaturisierte Batterien gibt“, sagte Georg Weigelt vom IZM. Es ist ein typischer Fall für ein Fraunhofer-Institut, denn deren Aufgabe ist es generell, angewandte „Vorlaufforschung“ auf Feldern zu betreiben, die industriell absehbar relevant werden, aber von der Industrie noch nicht abgedeckt werden.

Um das Problem der Mini-Batterien in den Griff zu bekommen, hat das IZM in Kooperation mit der TU Berlin jetzt eine Fertigungslinie für die winzigen Stromlieferanten in Betrieb genommen. In der Prototypen-Herstellungsanlage sollen Erfahrungen gesammelt werden, mit denen später die reguläre Fertigung in der Industrie gestartet werden kann.

Der Akku der „Hör-Kontaktlinse“ wird mit Infrarotlicht aufgeladen

Die derzeit kleinsten Varianten der Batterien haben Durchmesser von nur sechs Millimeter. „Aber die laufende Entwicklungsarbeit geht in Richtung ein Millimeter“, sagt Robert Hahn.

Die Batterien, um die es geht, sind Lithium-Ionen-Zellen und genau genommen wieder aufladbare Akkus. Geladen wird kontaktlos entweder per elektromagnetische Induktion oder, wie im Falle der „Hörkontaktlinse“, über Ohrstöpsel, die Infrarotlicht aussenden. Eine kleine Photovoltaikzelle auf dem Hörgerät wandelt das Licht in einen Akku-Ladestrom um.

Das Gehäuse muss möglichst dünnwandig, aber hermetisch dicht sein

Die Herstellung der Akkus geschieht unter einer „Schutzgasatmosphäre“ aus dem Edelgas Argon. Denn Luft würde das chemisch hochsensible Lithium zerstören. Neben dem Lithium enthält die Batterie einen flüssigen Elektrolyten. Den einzufüllen ist bei Mikrobatterien gar nicht so einfach, es bedarf deshalb einer speziellen „mikrofluidischen Fülleinrichtung“. Mit der können mehrere hundert Batterien zugleich befüllt werden.

Eine Herausforderung der Miniaturisierung ist auch: Die Gehäuse der chemischen Stromerzeuger sollen so dünnwandig wie möglich sein, um mehr Platz für das eigentliche stromliefernde System im Inneren zu haben. Gleichzeitig muss das Gehäuse hermetisch dicht sein, denn das stromliefernde chemische System im Inneren wird zerstört, wenn Feuchtigkeit eindringt – eine Gefahr gerade bei Sensorsystemen am und im Körper.