Erforschung passiver Funk-Sensorsysteme zur energieautarken Erschütterungs- und Vibrationsüberwachung - ForMicro-UpFUSE

In konventionellen Sensorsystemen werden Messgrößen zunächst in eine mechanische Größe (Dehnung, Biegung) und dann in einen elektrisch messbaren Parameter (Widerstand, Kapazität) gewandelt, über Mikrokontroller digitalisiert und digital gespeichert. Diese Form der Messwerterfassung erfordert die permanente Verfügbarkeit von Hilfsenergie für die Aufbereitung und Speicherung der Messergebnisse. Trotz aller Erfolge bei der Reduzierung des Energiebedarfs von elektronischen Schaltungen sowie beim Energy Harvesting ist die notwendige Versorgung klassischer Sensoren mit elektrischer Hilfsenergie in vielen Anwendungsfällen eine Herausforderung. Der Einsatz von Batterien oder anderen Energiespeichern ist jedoch unerwünscht, sie stellen ein Entsorgungsproblem dar, ein Austausch ist mit Wartungskosten verbunden und bei eingebetteten Sensoren unter Umständen gar nicht möglich. Bei Kälte und Hitze zeigen sie nach wie vor ein Lebensdauer-Problem.
Ziel des Vorhabens UpFUSE ist die Erforschung und erstmalige Demonstration einer neuen Generation von Sensorsystemen, welche ihre Messfunktion, die Datenverarbeitung sowie die Speicherung Hilfsenergie-frei erfüllen und nur zum Zweck des Datenaustauschs und Zustandsmanagements in unbestimmten Zeitabständen über eine Funkschnittstelle kommunizieren.
Der Innovationsgrad dieses Projektes liegt in der Erforschung einer „Passiven Sensorik“, die ihre Energie ausschließlich aus der zu messenden physikalischen Größe bezieht und deshalb zur Wandlung und Speicherung keine zusätzliche elektrische Hilfsenergie benötigt. Die Auslesung erfolgt mittels RFID (Radio Frequency Identification). In diesem Sinne (elektrisch) „passive Sensoren“ verfolgen einen echten „zero power“-Ansatz, mikromechanische Logiken und mechanische und nanoionische Speicher dienen zur Datenaufbereitung und Speicherung. So können Grenzwertüberschreitungen über Hebel mit definierter Schaltschwelle auf einen mechanischen Analog-Digital-Wandler übertragen oder Extremwerte und Integrale erfasst und über Rasten gespeichert werden. Ebenso können die Signale primärer elektrischer Wandler in einem nanoionischen Speicher gesammelt und aufintegriert werden. Durch zusätzliche Bedingungen, die z. B. Übertrager an- oder abschalten, können auch korrelierte Ereignisse erfasst werden. Damit wird eine zeitintegrale Sensorik in Anwendungen ermöglicht, die bislang auf Grund der Kosten und/oder des technischen Aufwands nicht überwacht werden. Der Ansatz ist technologisch als Elektroniksystem anschlussfähig, aus Sicht der Mikroelektronik aber disruptiv, da er neuartige Speicherkonzepte und Schnittstellen einführt.

Die Technische Universität Chemnitz wird sich im geplanten Vorhaben mit der Entwicklung der benö-tigten nanoionischen Speicher sowie der Kopplung mit dem piezoelektrischen MEMS beschäftigen. Die besondere Herausforderung stellt dabei die Tatsache dar, dass die vom piezoelektrischen Wandler bereitgestellte Ausgangsleistung extrem gering ist und die Ausgangspannung nur wenige 100 mV beträgt. Es sollen verschiedene Titanoxid-basierte Materialsysteme in Hinblick auf einen nachweisbaren Effekt bei derart geringen Spannungen untersucht werden. Darüber hinaus gilt es, die Herstellungstechnologie und den Schichtaufbau zu optimieren. Die Memristanz (Widerstandsänderung pro Zeiteinheit) nanoionischer Speicher hängt sehr wesentlich von der Dicke der memristiven Schicht ab. Da das vorgeschlagene Sensorsystem auch für den Langzeiteinsatz vorgesehen ist, müssen die Speicher derart angepasst werden, dass es zu keinem materialbedingten Sättigungseffekt kommt. Da die Vibrationssensoren ein sinusförmiges Signal liefern, müssen entsprechende Koppelschaltungen mit Gleichrichtfunktionalität entwickelt werden. Neben verschiedenen Gleichrichtschaltungen soll auch der Einsatz einer Ladungspumpe zur Spannungsvervielfachung untersucht werden. Vorab muss jedoch eine Impedanzanpassung an das piezoelektrische MEMS vorgenommen werden. Das Auslesen der Speicher mittels RFID-Schnittstelle kann mittels einer Widerstandmessung realisiert werden. Die Messspannung muss dabei derart angepasst werden, dass es zu keiner weiteren Veränderung der Speicher kommt. Zum Zurücksetzen der Speicher ist eine hohe Spannung mit negativer Polarität erforderlich. Diese wird dem Sensorsystem über eine spezielle Energieschnittstelle zur Verfügung gestellt, welche derart dimensioniert werden muss, dass ein effektives Rücksetzen gewährleistet werden kann. Die Kopplung zwischen piezoelektrischen MEMS und nanoionischen Speicherbausteinen wurde bislang wissenschaftlich noch nicht versucht. Im Projekt upFUSE werden daher auch Grundlagenuntersuchungen durchgeführt, welche Materialaspekte, Schaltungstechnik, Design und Heterointegration umfassen. Diese Untersuchungen legen den Grundstein für zukünftige energieautarke Sensorkonzepte auf der Basis nanoionischer Speicher.