Best Paper Award für Arbeit zu energieeffizienter Sensorik geht an IMMS

Ilmenau, 20.11.2014. Forscher des IMMS Institut für Mikroelektronik und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH erhielten am Mittwoch auf der IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2014) in Okinawa, Japan, den Best Paper Award für ihren Beitrag „A Low-Voltage Low-Power CMOS Time-Domain Temperature Sensor Accurate To Within [–0,1; +0:5] °C From –40 °C To 125 °C“. Die Autoren stellten einen im Forschungsprojekt „GreenSense“ erarbeiteten neuen digitalen CMOS-Temperatursensor für Anwendungen in energieautarken integrierten Sensorsystemen vor. In GreenSense erforscht und entwickelt das IMMS unter Mitwirkung des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien und des Fachgebiets Mikromechanische Systeme der Technischen Universität Ilmenau eine modulare Technologieplattform, mit der hochkomplexe, energieautarke, multimodale Smart-Sensor-Netzwerke effizient aufgebaut und betrieben werden können. Diese werden ein breites Anwendungsspektrum eröffnen und insbesondere industrielle Produktions-, Transport- und Betriebsprozesse überwachen und regeln und diese so energieeffizienter und ressourcenschonender machen.

Hierfür arbeitet das IMMS an mikroelektronisch integrierten Sensorkomponenten für diverse physikalische Messgrößen inklusive der Auswerteelektronik auf der Basis kostengünstiger CMOS-Fertigungsprozesse und optimiert sie in Bezug auf ihren Energiebedarf. Eine einzelne Messgröße, wie hier die Temperatur, wird lediglich mit einer elektrischen Leistung von deutlich weniger als 10 μW erfasst und digitalisiert. Damit könnte ein entsprechender Sensor aus einer Mignon-Batteriezelle mit einer typischen Kapazität von 1000 mAh mehr als zehn Jahre lang kontinuierlich betrieben werden.

Aufgrund seines niedrigen Energiebedarfs kann der in Japan vorgestellte Temperatursensor in energieautarken Sensorknoten eingesetzt werden, die nicht über elektrische Versorgungsleitungen oder aus Batterien betrieben werden, sondern Energie unmittelbar aus ihrer Umgebung gewinnen können. Für solche selbstversorgenden Sensorsysteme wurden in „GreenSense“ daher auch Technologien zur Fertigung miniaturisierter Energy-Harvesting-Module auf der Basis mikromechanischer Vibrationswandler und verlustleistungsarmer integrierter Spannungswandler-Schaltungen erforscht. Diese Arbeiten hat das Institut bereits auf den Konferenzen „Analog 2014“ in Hannover und der „ESSCIRC 2014“ in Venedig, Italien, präsentiert.

Auf der „APCCAS 2014“ in Okinawa, Japan, stellten die Forscher des IMMS Lösungen vor, mit denen der neue digitale CMOS-Temperatursensor genau und energieeffizient in einem großen Temperaturbereich arbeiten kann. Die Sensorschaltung wertet dazu temperaturabhängige Spannungen über Halbleiterübergängen aus und erzeugt daraus ein Pulsweiten-moduliertes (PWM) Rechtecksignal, dessen Tastverhältnis über einen weiten Bereich mit hoher Genauigkeit proportional zur absoluten Temperatur ist. Das Tastverhältnis wird anschließend mit Hilfe eines digitalen Zählers bestimmt und damit in einen die gemessene Temperatur repräsentierenden digitalen Code überführt. Im Vergleich mit anderen Temperatursensoren ähnlicher Bauart benötigt die hier vorgestellte Schaltung nur einen einzigen Referenzstrom und einen Komparator zur Erzeugung des PWM-Signals. Nach einer Kalibrierung an zwei Temperaturpunkten weist der Sensor eine systematische absolute Genauigkeit zwischen -0.1 °C und +0.5 °C im Temperaturbereich von -40 °C bis 125 °C bzw. +/- 0.1 °C im Bereich von 0°C bis 125 °C auf. Der Sensor wurde in einer 0,35-µm-CMOS-Technologie gefertigt und benötigt zu seinem Betrieb einen Strom von 2,5 µA aus einer 1,4-V-Spannungsquelle. Dies entspricht einem elektrischen Leistungsbedarf von nur 3,5 µW.

Vortrag: Jun Tan, Alexander Rolapp, Eckhard Hennig: “A Low-Voltage Low-Power CMOS Time-Domain Temperature Sensor Accurate To Within [–0,1; +0:5] °C From –40 °C To 125 °C“, 12th IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2014), 19.11.2014 (Sensor Systems and Emerging Memory Technology Session), Ishigaki Island, Okinawa, Japan.