Volume 74, Issue 12 - 12

Noch vor zehn Jahren haftete der Idee, eine Vielzahl verschiedenartiger Funksensoren zuverlässig allein mit Umgebungsenergie zu betreiben, etwas Unwirkliches an. Das richtige Thema für Perpetuum-Mobile-Erfinder… Wenn man jedoch heute „Energy Harvesting” in die Internet-Suchmaschine eingibt, liefert diese eine halbe Million Treffer. Keine Frage, das Thema ist mehr als salonfähig geworden! Überraschenderweise gibt es bislang jedoch erst sehr wenige Produkte auf dem Markt, die das Potenzial zu hohen Stückzahlen in Massenapplikationen haben. Der Artikel illustriert wesentliche technische Herausforderungen und deren Lösung auf dem Weg zu massenfähigen energieautarken Funksensoren am Beispiel ausgewählter Produkte der Firma EnOcean. Only 10 years ago the idea of reliably operating a multitude of different radio sensors solely with ambient energy seemed unreal. The right kind of topic for inventors dreaming of the perpetuum mobile… These days, however, if one enters the term “energy harvesting” into an internet search engine, one is returned about half a million hits. No doubt, the subject has become more than simply another topic of conversation. Surprisingly, however, only very few products exist on the market that hold the potential for high unit numbers in mass applications. The article outlines significant technical challenges and their solutions on the way to producing energy autarkic radio sensors in large scale, using selected products as examples.

Das hier beschriebene drahtlose Sensorsystem ist zur Vermeidung der Kondensationsbildung bzw. der Entstehung von Beschlag auf Windschutzscheiben im Kraftfahrzeug (KFZ) entwickelt worden. Es überwacht mittels eines aktiven Feuchtesensors sowie eines passiven HF-Temperatursensors die Temperatur bzw. den Taupunkt auf der Scheibe und steht über eine Schnittstelle mit dem Bordcomputer des Fahrzeugs in Verbindung. Der passive HF-Temperatursensor wird durch eine magnetische Kopplung „energieautark” betrieben und arbeitet bis zu einem maximalen Abstand von 4cm zur Schnittstelle. Er misst bei einer Leistungsaufnahme von 1,95mW innerhalb eines Temperaturbereichs von -20°C bis 80°C bis auf 1,5°C genau. The sensor system described in this article is used to detect and predict the formation of condensation on the windshield of an automobile. The humidity in the cabin is measured with an active dewpoint sensor, the temperature against the windshield is measured passively, and the data is forwarded to the onboard computer. After analysis, the onboard computer can regulate the climate control system thereby preventing the accumulation of condensation. The temperature sensor is passively supplied with energy through a magnetic coupling and functions up to a maximum distance of 4cm from the magnetic field generator. The passive sensor measures with a maximum power consumption of 1.95mW in a temperature span of -20°C until 80°C with an accuracy of 1.5°C.

Ein Reifendruck-Kontrollsystem überwacht den Reifendruck eines Fahrzeugreifens unter Einbeziehung der Temperatur, um vor Druckschwankungen zu warnen, welche das Fahrverhalten beeinflussen. Aktuelle Kontrollsysteme bestehen aus batterieversorgten Radelektroniken, die im Reifeninneren befestigt sind. Um die Lebensdauer des Systems zu erhöhen, muss eine autarke Energieversorgung für die Radelektronik integriert werden. Im vorliegenden Beitrag wird die Weiterentwicklung vom herkömmlichen Reifendruck-Kontrollsystem zum System Intelligenter Reifen dargestellt und auf die autarke Energieversorgung eingegangen. Betonung wird dabei auf den Vergleich von felgenbasierter zu reifenbasierter Energiewandlung gelegt. Tire pressure control systems are used for monitoring pressure and temperature of tires to avoid pressure fluctuations which influence the driving behaviour. Actual control systems use battery operated wheel electronics, which are mounted inside the tires. To increase the life-time of the system and to avoid batteries it is necessary to integrate an energy-autarkic converter as a supply for the electronic unit. This paper presents the development steps from a state-of-the-art tire pressure control system towards an intelligent tire system. Emphasis is laid on the comparison of rim-based to tire-based energy conversion.

The vision of wearable computing is a personal mobile system that is always “on” and always useful and unobtrusive. In this article we present the on-body context recognition analysis considering the functionality or recognition performance, power, and packaging. Interaction with household appliances using a wrist worn “autonomous sensor button” is analyzed as a case study. An overall on-line recognition performance between 85 and 91% is reported. The measured power consumption of the sensor button at 10% duty cycle is around 500 μW. The power profiling in an office worker daily life scenario shows that it's possible to achieve autonomous operation by a solar cell having an area of 40cm 2 Die Vision eines tragbaren Computers besteht aus einem PDA, der ständig eingeschaltet, ständig nutzbringend und trotzdem nicht aufdringlich ist. In diesem Beitrag stellen wir ein System zur Situationserkennung vor und betrachten Funktionalität, Erkennungsqualität, Leistungsverbrauch und Gehäusung. Das Zusammenwirken mit Hausgeräten, unter Verwendung eines am Handgelenk getragenen autonomen Sensorknopfes, wird als Fallstudie behandelt. Eine Gesamt-Online-Erkennungsrate zwischen 85 und 91% wird erreicht. Der gemessene Leistungsverbrauch eines Sensorknopfes beträgt bei einem Tastverhältnis von 10% etwa 500 μW. Das Leistungsprofil in einem für Büroangestellte üblichen Szenario zeigt, dass es möglich ist, einen autonomen Betrieb mit einer Solarzellenfläche von 40 cm 2 sicherzustellen.

Im vorliegenden Beitrag wird ein neuer Ansatz eines MEMS-basierten ( M icro- E lectro- M echanical S ystem) piezoelektrischen Energiewandlers vorgestellt. Dieser MEMS-Generator basiert im Wesentlichen auf einer massebeaufschlagten piezoelektrischen Membran, die in der Lage ist, umgebende mechanische Vibrationen in elektrische Energie zu wandeln. Im Folgenden wird ein entsprechender MEMS-Entwurf präsentiert, wobei im Speziellen auf die Optimierung der geometrischen Anordnung des Bauteils eingegangen wird. Darüber hinaus demonstrieren erste Experimente die Funktionsweise des Energiewandlers. Elektrische Messungen zeigen Abhängigkeiten bezüglich elektrischer Last, Schichtstress in der Membran und Elektrodenstruktur. Der typische Frequenzgang eines piezoelektrischen Mikrogenerators wird ebenso vorgestellt. A new approach of a MEMS ( M icro- E lectro- M echanical S ystem) power generator based on a piezoelectric membrane is presented. A MEMS design is introduced taking an optimum membrane thickness and a beneficial electrode structure into account. Experiments demonstrate the functionality of the energy converter. Electrical measurements show dependencies regarding electrical load, residual stress within the diaphragm, and electrode design. The frequency response of the device is also presented.

In diesem Beitrag wird die Modellierung, Fertigung und Charakterisierung eines elektromechanischen Energiewandlers präsentiert. Dabei werden, sowohl in der Schaltungssimulation des Wandlers als auch in der entspechenden experimentellen Verifikation, der Einfluss des Lastwiderstands sowie die Frequenz und die Amplitude der anregenden Schwingung berücksichtigt. Die für diese Studie realisierten Wandler basieren auf kapazitiven Kammstrukturen aus zwei feststehenden Kammelektroden und einem über freitragende Balken beweglich gelagertem Gegenstück. Neben einem makroskopischen Modell wurden mikromechanische Resonatoren zur Verifikation der theoretischen Vorhersagen realisiert. Der für den miniaturisierten Wandler entwickelte Fertigungsprozess basiert auf „Silicon-on-insulator”-Wafern, deren aktive Siliziumschicht mithilfe von reaktivem Tiefenätzen strukturiert wurde. In this work, the modeling, fabrication, and characterization of electromechanical energy transducers are presented. Both, in the circuit simulation and the experimental verification, the influence of the load resistor and the excitation frequency and amplitude are taken into account. The transducers realized in this study are based on the capacitive comb structures consisting of two fixed comb-electrodes and a counterpart suspended by beam springs. Besides a macromodel, micromechanical resonators were realized to verify the theoretical predictions. The fabrication process is based on silicon-on-insulator-wafers with active silicon layer structured by deep reactive ion etching.