Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie

Energy Harvesting

 

 

 

 

 

 

 

 

Im Gegensatz zu konventionellen MEMS-Energy Harvesting Systemen, die eine passive Siliziumschwungmasse verwenden, ermöglicht die Fraunhofer patentierte PowderMEMS Technologie, diese durch dichtere Materialien wie Wolfram oder NdFeB zu ersetzen. Dies führt zu einer höheren Energieausbeute und zusätzlich können z.B. Rotations- oder Translationsbewegungen in elektrische Energie umgewandelt werden. Hierdurch lassen sich die am Fraunhofer ISIT entwickelten Harvester als versatile Energiequelle einsetzen die sich je nach Anwendungsfall anpassen lassen.

 

Im Fraunhofer Leuchtturm Projekt ZePowEl – towards zero power electronics wurde ein entsprechendes Energy Harvesting Modul entwickelt, welches die gewonnene elektrische Energie gleichrichtet, reguliert und speichert. Weitere Verwendungen für die MEMS Energy Harvesting Chips sind ein eventgesteuerter, leistungsloser Standby, sowie Magnetfeld Sensorik zur Stromüberwachung.

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Energy Harvesting: MEMS µW Leistungsquelle

Unsere Lösung:

  •  Piezoelektrischer Energy Harvester mit integrierten Mikromagneten
  •  Integration von Materialien mit hoher Dichte erhöht die Leistungsfähigkeit
  •  Kontaktlose Anregung durch Magnetkräfte
  •  Breitbandige Anregung weit außerhalb der Resonanz 

PowderMEMS ermöglicht deutlich dichtere Materialien als Schwungmasse zu nutzen gegenüber der konventionell verwendeten Silizium Masse. Hieraus resultieren besonders hohe Leistungsdichten bei mechanischer Anregung verglichen mit den konventionellen Systemen.

Zusätzlich ermöglicht die Integration von Mikromagneten kontaktlos hohe Kräfte, und somit höhere Auslenkungen des Biegebalkens, zu induzieren. So können Rotations- oder Translationsbewegungen mittels extern montierten Magneten für kontaktloses Energy Harvesting genutzt werden. Bei ausreichend starker initialer Auslenkung kommt es zum Nachschwingen des Biegebalkens. Dieser Umstand erlaubt es, breitbandig, also bei niedrigen Frequenzen deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, hohe Energieausbeuten zu erreichen, was bei konventionellen Systemen nur äußerst schwierig zu realisieren ist. Leistungen von mehr als 85 µW bei etwa 45 Hz und mehr als 150 µW bei dem Betrieb in Resonanz wurden mit dem Harvester erzielt. 

 

Anwendungen:

  •  Energieautarke Sensorik an schwer zugänglichen Orten z.B. Getrieben, Startergeneratoren,
     Kurbelwellen, Bohrköpfen

Leistungsloser Standby

Unsere Lösung:

  •  Eventgesteuerter Leistungsloser Standby
  •  Aufwecken durch mechanische oder magnetische Pulse

Eine Anwendung für die am Fraunhofer ISIT entwickelten MEMS Energy Harvester ist der leistungslose Standby. Die generierte Spannung durch einen magnetischen oder einen mechanischen Impuls wird dazu genutzt, einen extern betriebenen Mikrokontroller aufzuwecken. Im Stand-by-Modus ist der Energieverbrauch quasi null. Ein solches System erlaubt es, die Lebensdauer von elektronischen Geräten deutlich zu erhöhen, insbesondere wenn sie sich zwischen ihrer eigentlichen Nutzung längere Zeit im Stand-by befinden. 
 

Anwendungen:

  •  Verlängerung der Batterielebenszeit von IoT Knoten
  •  Machine Monitoring

Harvesting Modul

Unsere Lösung:

  •  Energie generieren, regulieren und speichern
  •  Variabel einsetzbares Modul

Im Rahmen des Fraunhofer LeuchtturmProjektes ZePowEl – Towards Zero Power Electronics wurde ein komplettes Harvesting-Modul entwickelt. Bei den einzelnen Komponenten des Harvesting‑Moduls handelt es sich um einen am Fraunhofer ISIT entwickelten MEMS Energy Harvester, der durch Verwendung der PowderMEMS Technologie magnetisch angeregt werden kann. Dazu kommt eine am Fraunhofer IPMS entwickelte integrierte Schaltung zur passenden Energieregulierung sowie Kapazitäten zur Speicherung. Das Harvesting-Modul kann somit zur Verlängerung der Lebensdauer von IoT Sensorknoten beitragen oder sie sogar autark betreiben.
 

Anwendungen:

  •  Versorgung von IoT knoten im Kontext Smart Cities, Condition Monitoring, etc.

Stromsensoren / Magnetfeldsensoren

Unsere Lösung:

  •  Kontaktloser Stromsensor
  •  In Resonanz Detektionsgrenze bis zu 7.2 pT/ Hz0.5
  •  Amplitudenmodulation ermöglicht Detektion außerhalb der Resonanzfrequenz

Durch die Integration von magnetischen Strukturen in einen MEMS-Oszillator ist es möglich, Änderungen im Magnetfeld zu detektieren. Die Magnetfeldstärke eines stromdurchflossenen Leiters ist hierbei proportional zur Kraft, die auf den Biegebalken einwirkt und ermöglicht so die Bestimmung der Stromstärke. In Resonanz werden so Sensitivitäten von 34.6 kV/T und eine Detektionsgrenze von 7.2 pT/Hz0.5 erreicht. Wird der Biegebalken in Resonanz betrieben führt das äußere Magnetfeld zu einer Amplitudenmodulation, welche es ermöglicht Magnetfelder auch außerhalb der Resonanzfrequenz des Biegebalkens zu detektieren.
 

Anwendungen:

  •  Stromüberwachung im Flugzeug und in Unterwasserfahrzeugen
  •  Smart-Grid Applikationen