Energieeffiziente drahtlose Sensornetze MEMS-Chip soll Funksensoren bis zu einem Kilometer weit wecken

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Ein parametrischer MEMS-Verstärker soll die Reichweite stromsparender Wake-up-Empfänger erhöhen. Das Fraunhofer IPMS und die TU Hamburg haben dafür einen mikromechanischen Varaktor entwickelt. Bis zu einem Kilometer Funkreichweite und zehn Jahre Batterielaufzeit sind das Ziel.

Drahtlose Sensorknoten sollen möglichst lange ohne Batteriewechsel auskommen und trotzdem zuverlässig erreichbar bleiben. Doch gerade in der industriellen Zustandsüberwachung ist das nicht immer einfach, denn je weiter die Messstellen voneinander entfernt sind, desto anspruchsvoller wird die Funkkommunikation. Im Forschungsprojekt MEMS-ParAmps haben das Fraunhofer IPMS, die Technische Universität Hamburg und der Industriepartner Actemium BEA deshalb einen neuartigen Verstärker für besonders stromsparende Funkempfänger entwickelt.

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte Projekt lief von Oktober 2021 bis Januar 2026. Im Mittelpunkt von MEMS-ParAmps steht ein parametrischer MEMS-Verstärker, der einem sogenannten Wake-up-Empfänger vorgeschaltet wird. Solche Empfänger überwachen den Funkkanal mit sehr geringem Energiebedarf und aktivieren die übrige Elektronik des Sensorknotens erst, wenn ein entsprechendes Signal eingeht. Dadurch muss der eigentliche Funktransceiver nicht durchgehend eingeschaltet bleiben. Allerdings begrenzt die geringe Empfangsempfindlichkeit vieler Wake-up-Empfänger die Reichweite.

Der MEMS-Verstärker soll die Empfindlichkeit erhöhen, ohne den Energiebedarf des Systems deutlich zu steigern. Als Entwicklungsziele nennen die Forscher eine Funkreichweite von bis zu einem Kilometer im Freifeld und eine Batterielebensdauer von bis zu zehn Jahren.

Mikromechanischer Kondensator als Herzstück

Die technische Grundlage bildet ein MEMS-Varaktor, dessen elektrische Kapazität sich durch die Bewegung mikromechanischer Strukturen verändern lässt. Bei einem parametrischen Verstärker wird diese Kapazitätsänderung gezielt angeregt, sodass Energie aus der Ansteuerung zur Verstärkung eines elektrischen Signals genutzt werden kann.

Fraunhofer IPMS hat dafür ein Varaktorarray mit 5 × 6 Elementen auf einem 3 mm × 3 mm großen Siliziumchip entwickelt. Die Resonanzfrequenz des Arrays beträgt 1 MHz. Zum Projekt gehörten neben der Herstellung des Bauelements auch die Entwicklung der erforderlichen Ansteuerschaltung und eines energieeffizienten Spannungspuls-Generators. Für die mechanische Anregung des Varaktors benötigt dieser nach Angaben der Forscher rund 3,3 µJ pro Impuls. Dieser Wert beschreibt den Energiebedarf eines Ansteuerimpulses, nicht den gesamten Energieverbrauch eines Sensorknotens.

Eine besondere Herausforderung stellte auch die Charakterisierung des Bauelements dar. Da kommerziell verfügbare Messsysteme die Anforderungen nicht erfüllten, entwickelten die Projektpartner ein eigenes Verfahren zur dynamischen Kapazitätsmessung mit einer Bandbreite von mehr als 10 MHz. Damit lässt sich untersuchen, wie schnell sich die Kapazität des Varaktors während der Anregung verändert.

Auch das Funkprotokoll musste angepasst werden

Mit dem Verstärkerchip allein war es nicht getan. Um größere Abstände zwischen den Sensorknoten zu ermöglichen, passten die Projektpartner außerdem ein bestehendes Funkkommunikationsverfahren an. Eine zentrale Kommunikationsplattform mit energiesparendem Mikrocontroller und Funktransceiver wurde aufgebaut und getestet. Gemeinsam mit Actemium BEA untersuchten die Forscher die Teilsysteme in einem simulierten Laborszenario. Damit konnten sie die prinzipielle Machbarkeit des Ansatzes auf theoretischer und simulativer Ebene nachweisen.

Ob die Technik unter realen Bedingungen tatsächlich einen Kilometer Reichweite bei bis zu zehn Jahren Batterielaufzeit ermöglicht, ist bislang nicht nachgewiesen. Auch konkrete Messwerte zum Empfindlichkeitsgewinn und zum Energieverbrauch des Gesamtsystems wurden noch nicht veröffentlicht.

Einsatz in industriellen Sensornetzen denkbar

Interessant ist die Technologie dennoch, insbesondere für weit verteilte Messstellen bei der Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen. Dort können regelmäßige Batteriewechsel einen erheblichen Wartungsaufwand verursachen. Ein empfindlicherer Wake-up-Empfänger könnte die Funkkommunikation über größere Entfernungen ermöglichen, während die übrige Elektronik möglichst lange im Schlafmodus bleibt. Darüber hinaus sehen die Forscher Einsatzmöglichkeiten für die entwickelten MEMS-Komponenten in rauscharmen Mischern und anderen hochempfindlichen Empfangsschaltungen. (sb)

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