IMMS erhält iENA-Silbermedaille für energieeffiziente Lösungen in integrierten Schaltungen

Das IMMS wurde am 16.12.2015 für die Entwicklung „Elektronische Verzögerungsschaltung in CMOS-Technologie“ mit einer Silbermedaille beim Wettbewerb der 67. internationalen Fachmesse für „Ideen, Erfindungen, Neuheiten“ iENA 2015 ausgezeichnet. Die feierliche Übergabe an der TU Ilmenau erfolgte über die Patentverwertungsagentur des Landespatentzentrums Thüringen | PATON, die die Arbeit auf der iENA präsentiert und in den Wettbewerb eingebracht hatte. Bei der Auszeichnungsveranstaltung stellten die Erfinder Benjamin Saft, Eric Schäfer und André Jäger den Vertretern aus Wirtschaft, Verbänden und Regionalpolitik die prämierte Lösung vor. Die Verzögerungselemente wurden am IMMS im Forschungsprojekt GreenSense erarbeitet und sind in den Prototypen einer mikroelektronischen Energy-Harvesting-Auswerteschaltung eingeflossen und getestet worden.

Verzögerungselemente werden bereits vielfältig in integrierten Schaltungen eingesetzt und erzeugen dort u.a. den Takt und dienen der asynchronen Ablaufsteuerung. Bisher realisierte CMOS-Thyristor-Verzögerungselemente sind für den Nanosekundenbereich ausgelegt und dort sehr energieeffizient. Energieautarke Systeme sind jedoch Anwendungen, die mit längeren Verzögerungen im Mikro- bis Millisekundenbereich arbeiten. Dort benötigen CMOS-Thyristor-Verzögerungselemente eine verhältnismäßig zu große Energiemenge und konnten daher bislang noch nicht für energieautarke Lösungen erschlossen werden.

Mit der Erfindung des IMMS wird das Verhältnis von Verzögerungszeit zu eingesetzter Energie im Vergleich zu CMOS-Thyristor-Verzögerungselementen nach dem Stand der Technik um den Faktor vier verbessert. Der neue Ansatz ermöglicht höhere Verzögerungszeiten bei gleicher Energieaufnahme bzw. einen verringerten Flächenbedarf bei gleicher Verzögerungszeit. Aufgrund dieser Eigenschaften können Entwickler und Hersteller von mikroelektronischen und mikromechatronischen Systemen (ASIC/MEMS) die neuen Verzögerungselemente einsetzen, um Ultra-Low-Power-Schaltungen für Energy-Harvesting-Module und Mikro-Sensor-Aktor-Systeme für energieeffiziente bzw. energieautarke Anwendungen im Bereich Bioanalytik- und Industrie-4.0 zu entwickeln. Am IMMS werden die Arbeiten derzeit u.a. in Folgeprojekten wie ADMONT ausgebaut.

Im Einzelnen wurden für die an einem CMOS-Thyristor-Ringoszillator verifizierten Methoden drei Innovationen kombiniert: In Schritt eins wurde eine Pull-Up/Down-Stromquelle implementiert, um die Verzögerungszeit durch Linearisierung der Entladekurve zu vergrößern. In Schritt zwei dient eine erhöhte Schwellspannung dazu, die Verzögerungszeit zu vergrößern, indem die Umschaltspannung verdoppelt wird. Im dritten Schritt werden beide Methoden kombiniert und ein weiterer CMOS-Thyristor als sekundäres Schaltelement eingebunden. Somit erhöht sich die Flankensteilheit am Ausgang der Verzögerungsschaltung bei gleichzeitig unterbundenem Querstrom.