Vibrometrische Untersuchungen für einen am IMMS entwickelten MEMS-Energy-Harvester. Foto: IMMS.
Vibrometrische Untersuchungen für einen am IMMS entwickelten MEMS-Energy-Harvester. Foto: IMMS.

GreenSense

Grundlagentechnologien für ressourcen- und energieeffiziente intelligente Sensornetzwerke

Für das Beispiel Bioanalytik sind Lösungen für energieeffiziente multiparametrische RFID-Mikrosensorik und deren energieautarken Betrieb entstanden.

Das Forschungsprojekt „GreenSense“ hatte das Ziel, eine modulare Technologieplattform für energieautarke, massiv verteilte, intelligente Sensornetzwerke grundlegend zu erforschen und zu entwickeln. Diese sollten ein breites Spektrum zukünftiger Anwendungsszenarien ermöglichen und insbesondere industrielle Produktions-, Transport- und Betriebsprozesse überwachen und regeln und diese so energieeffizienter und ressourcenschonender machen. Die Forscher haben dazu kostengünstige und energieeffiziente Hardware-Lösungen für Mehrgrößen-Sensoren mit eingebetteter elektronischer Signalverarbeitung entwickelt. Für schwer zugängliche Stellen und kostensensitive Applikationen haben sie Energy-Harvesting-Lösungen zum energieautarken Betrieb drahtloser Sensoren erarbeitet.

  • Kostengünstige und energieeffiziente Hardware-Lösungen für multiparametrische RFID-Mikrosensoren

    Das IMMS hat einen neuen digitalen CMOS-Temperatursensor für Anwendungen in energieautarken integrierten Sensorsystemen entwickelt. Hierfür arbeitete das IMMS an mikroelektronisch integrierten Sensorkomponenten für diverse physikalische Messgrößen inklusive der Auswerteelektronik auf der Basis kostengünstiger CMOS-Fertigungsprozesse und optimierte sie in Bezug auf ihren Energiebedarf.

    Der neue digitale CMOS-Temperatursensor kann in einem großen Temperaturbereich (–40 °C bis 125 °C) arbeiten mit einer systematischen absoluten Genauigkeit zwischen –0,1 °C und +0,5 °C.

    Die Temperatur wird lediglich mit einer elektrischen Leistung von nur 3,5 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.

    Auf dieser Basis hat das Institut einen passiven 13,56-MHz-RFID-Multisensor-ASIC entworfen und hergestellt. Dieser erfasst drahtlos Temperatur- und pH-Wert-Änderungen in wässrigen Lösungen und kann für Anwendungen in der Bioanalytik eingesetzt werden.

    Das IMMS wurde für die Arbeiten zum CMOS-Temperatursensor auf der IEEE-Konferenz APCCAS 2014 in Japan mit dem Best Paper Award ausgezeichnet.

  • Mikromechanische Energy-Harvesting-Lösungen zum energieautarken Betrieb drahtloser Sensoren

    Mit Energy-Harvesting-Lösungen lassen sich Systeme mit Energie aus der Umwelt versorgen. Es wurden mikromechanische Energiewandler mit einer kontinuierlichen elektrischen Ausgangsleistung von ca. 10 µW entwickelt. Diese Leistung reicht aus, um beispielsweise einen ebenfalls im Projekt realisierten energieeffizienten integrierten Low-Power-CMOS-Temperatur- sensor zu versorgen und dessen Daten passiv über RFID auszulesen. Ziel ist es, die Energie aus sehr niederfrequenten Schwingungen, wie sie beispielsweise bei menschlichen Bewegungen auftreten, zu wandeln.

    Grundprinzip für die Lösung ist eine bewegliche elektrostatische Kamm-Struktur. Die Herausforderung bestand darin, eine niedrige Eigenfrequenz, eine möglichst hohe Grundkapazität und eine große Kapazitätsänderung bei Auslenkung auf einer möglichst geringen Chipfläche zu erreichen. Für diese Anforderungen hat das IMMS ein neuartiges Design-Konzept für einen MEMS-Harvester realisiert und zum Patent angemeldet. Dieses beinhaltet einen „Out-of-plane“-Oszillator, dessen Zentralmasse aus der Wafer-Ebene herausschwingt.

    Die Systemarchitektur des MEMS-Energy-Harvesting-Moduls wurde auf der Analog 2014 mit dem Best Paper Award ausgezeichnet.

  • Energieeffizientes Sensor- und Funkmodul zum Aufbau energieautarker drahtloser Sensornetzwerke

    Um Daten häufig zu erfassen und zu übertragen oder um große Distanzen zu überwinden, können mikromechanische Energy-Harvesting-Lösungen, die Leistungen im unteren Mikrowatt-Bereich bereitstellen, nicht mehr eingesetzt werden. Die Leistungsaufnahme einer Sensorplattform kann für solche Aufgaben auf bis zu 10 mW ansteigen.

    Zudem lässt sich nun auch der Austausch von peripheren Hardwarekomponenten und deren Interfaces energetisch bewerten. Solche Informationen sind essenziell, um ein optimales Design für energieautarke Funksensorknoten entwickeln zu können. Die auf dieser Basis erarbeitete modulare Funksensorplattform lässt sich für unterschiedliche Sensoren verwenden und über Harvester mit Energie versorgen. Das IMMS hat daher Funksensorknoten energetisch optimiert, um Sensorplattformen ausreichend mit Energie aus der Umwelt zu versorgen. Dafür hat das IMMS einen Energiesimulator entwickelt. Damit kann der Stromverbrauch von komplexen Mikrocontroller-basierten Systemen vor dem Aufbau der Hardware abgeschätzt werden.

    Das IMMS hat für die Anbindung eines elektromagnetischen Wandlers unterschiedliche Harvester-Schaltungen untersucht, aufgebaut, dimensioniert und optimiert, um aus dem Energy-Harvester die maximal mögliche Energie entnehmen zu können. Die Harvester-Schaltungen funktionieren bereits bei verhältnismäßig geringen Wechselspannungen mit Effektivwerten unter 100 mV.

  • CMOS-basierte Sensortechnologie für die Detektion von Biomarkern

    Das IMMS bringt sich zusammen mit dem IPHT Jena in die Entwicklung von Lösungen ein, mit denen künftig Tierseuchen einfach diagnostiziert werden können. Mit einem tragbaren elektronischen Gerät sollen sich Proben eines Viehbestandes unmittelbar vor Ort schnell und automatisiert auf Krankheitserreger untersuchen lassen. So können betroffene Tiere frühzeitig isoliert und behandelt werden mit dem Ziel, Gefahren für Verbraucher zu eliminieren, gesunde Tiere zu verschonen und wirtschaftliche Schäden einzudämmen.

    Die Entwicklung des IMMS basiert auf einem von der Jenaer BioChip Initiative (JBCI, IPHT Jena) erarbeiteten Diagnoseverfahren, mit dem unter anderem das Maul-und-Klauenseuche-Virus (FDMV) auf Glaschips detektiert werden konnte. Dank einfacher und schnell möglicher Auswertungen der elektrischen Leitfähigkeit und der optischen Eigenschaften von Proben bildet dieses Verfahren die Basis für eine kompakte Vor-Ort-Diagnostik. Um solche Analysen zu präzisieren und mit einer Auswerteelektronik zu automatisieren, hat das IMMS in Zusammenarbeit mit der JBCI die Messkonzepte auf neue mikroelektronische Sensor-Array-Plattformen übertragen, weiterentwickelt und eine spezifische Aufbau- und Verbindungstechnik sowie System-Assembly-Lösungen erarbeitet. Darüber hinaus hat das IMMS die Messmethoden erweitert und das elektronische System auch auf ein impedimetrisches Verfahren ausgelegt. Ziel ist es, mit diesen Entwicklungen die während der Diagnose ablaufenden Reaktionen in Echtzeit zu verfolgen und die drei Messmethoden auf einem Halbleiter-Biochip vereinen zu können.

  • Förderung

    Das Projekt GreenSense wurde gefördert durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Technologie und Arbeit aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds unter dem Förderkennzeichen 2011 FGR 0121.

Laufzeit

2012 – 2014

Projekt-Nr.

2011 FGR 0121