Spannungswandler-ASIC versorgt Sensoren und Funsendeempfänger mit aus der Umwelt gewonnener Energie

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Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen

Energie aus der Wärme der menschlichen Hand

Um die Leistungsfähigkeit des Spannungswandlers zu demonstrieren, wurde damit ein drahtloser Temperatursensor aufgebaut. Mittels Thermogenerator und Spannungswandler wird aus der Wärme der menschlichen Hand elektrische Energie gewonnen. Diese Energie versorgt den Temperatursensor und einen drahtlosen Funk-Sendeempfänger.

Der Temperatursensor misst die Temperaturdifferenz am Thermogenerator, zusätzlich noch die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Thermogenerators. Diese Werte werden dann mit dem Funk-Sendeempfänger an einen Laptop übertragen und dort angezeigt (Bild 2). Dieser Demonstrator in Form eines drahtlosen Funk-Temperatursensors wird nur mit der Wärme der menschlichen Hand versorgt, benötigt also keine Batterien oder anderweitige Stromversorgung.

Der Demonstrator kann für beliebige andere Anwendungen angepasst und erweitert werden. Es wurde bereits die Versorgung eines Pulsoximeters, das am Finger die Sauerstoffsättigung des Blutes misst, realisiert. Weiterhin wurde ein LC-Display zur Anzeige von Sensormesswerten mit Hilfe von Thermogeneratoren mit elektrischer Energie versorgt.

Elektronische Geräte mit unbegrenzter Betriebsdauer

Die Energiemengen, die momentan von solchen Energy-Harvesting-Energieversorgungen bereit gestellt werden können, liegen noch im Mikro bis unteren Milliwatt-Bereich pro Kubikzentimeter Volumen des Energiewandlers. Der Schlüssel zu dieser Art der Energieversorgung besteht also darin, die Energie über längere Zeit in einer Batterie zwischenzuspeichern.

Daneben ist durch die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologien auch eine Reduktion des Energiebedarfs von herkömmlichen elektronischen Schaltungen und Geräten zu erwarten. So kann es in Zukunft einfacher werden, diese mit Energie aus der Umgebung zu versorgen und so elektronische Systeme mit unbegrenzter Betriebs- und Lebensdauer zu schaffen.

Problematisch ist momentan auch noch der Kosteneinsatz für die benötigten Energiewandler wie Thermogeneratoren oder Piezowandler. Diese werden aber mit wachsenden Anwendungsgebieten und damit steigenden Stückzahlen sinken.

Projekt „thermoelektronische Nanokomposite“

Der Spannungswandler entstand in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IFAM in Dresden und dem Fraunhofer IPM in Freiburg innerhalb des Fraunhofer-Projekts »Thermoelektrische Nanokomposite«. Das Projekt zielt auf die Entwicklung von Thermogeneratoren speziell zur dezentralen Energieerzeugung für autarke Sensor-/Aktor-Netzwerke. Hierzu werden Lösungsansätze zur Herstellung von hocheffizienten polykristallinen thermoelektrischen Materialien und Bauelementen realisiert, sowie die für den Einsatz als Thermogenerator notwendigen hochintegrierten elektronischen Schaltungen geschaffen.

*Peter Spies ist im Department Power Efficent Systems beim Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Nürnberg tätig.

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